LES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS

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1 LES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS CHAPITRE 2 1. GENERALITES: Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer ces derniers en deux catégories. Capteurs actifs Capteurs passifs 1.1- Capteurs actifs : Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Les effets physiques les plus rencontrés en instrumentation sont : Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice d'origine thermique e(t1,t2). Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées. Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objet métallique). Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique. Effet Hall : Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau une différence de potentiel U H. Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes. Tableau 1 : Grandeurs d entrée et de sortie et effet utilisé pour les capteurs actifs Grandeur physique mesurée Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Flux de rayonnement optique Force Pression Accélération Vitesse Position (Aimant) Courant Photoémission Effet photovoltaïque Effet photo-électrique Piézo-électricité Induction électromagnétique Effet Hall Courant Tension Tension Charge électrique Tension Tension 1-2- Capteurs passifs : Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La variation d'impédance résulte : Chapitre 2 Les différents types de capteurs 11

2 Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'un grand nombre de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile. Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression accélération (Armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensomètre liée à une structure déformable). Tableau 2 : Type de matériau utilisé et caractéristique électrique des capteurs passifs Caractéristique Grandeur mesurée Type de matériau utilisé électrique Température Résistivité sensible Métaux : platine, nickel, cuivre... Très basse température Flux de rayonnement optique Déformation Position (aimant) Constante diélectrique Résistivité Résistivité Perméabilité magnétique Résistivité Verre Semi-conducteur Alliage de Nickel, silicium dopé Alliage ferromagnétique Matériaux magnéto résistants : bismuth, antimoine d'indium Humidité Résistivité Chlorure de lithium 2. CAPTEURS A EFFET PIEZOELECTRIQUE: 2-1- L effet piézoélectrique: Fig. 1 : L effet piézoélectrique Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une tension électrique. V U 2-2- Capteur de force: La tension VS de sortie sera proportionnelle à la force F : VS = k.(f+f) = 2k.F avec k constante. Fig. 2 : Principe d un capteur de force Ampli Mise en forme V S Métal 12 Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

3 2-3- Capteur de pression: Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force F sur une paroi S (surface); on peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci- dessous : Sachant que : Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P. Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la force F0 (pression extérieure P0). Fig. 3 : Principe d un capteur de pression Ampli Us Enceinte à la pression P F Fo Capteur de force de surface S On a F = P.S ; F 0 = P 0.S et u S = k.(f+f 0 ) ( capteur de force, k = constante ). Donc u S = k.s ( P + P 0 ) = k' ( P + P 0 ) u S = k' ( P + P 0 ). Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P0 et de la pression de l'enceinte P Capteur d accélération: Fig. 4 : Principe d un capteur d accélération L'augmentation de vitesse V du véhicule donne une accélération a qui induit une force F exercée par la masse sur le capteur. On a donc : F = m.a mais u S = 2k.F et donc u S = 2k.m.a 2-5- Capteur ultrason: Masse m suspendue La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur. Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore. F Capteur de Force Tension U s en sortie V 3. CAPTEURS A EFFET HALL: 3-1- L effet Hall: Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par un courant I, est le siège d'une force électromotrice U H sur deux de ses faces. La tension de Hall UH est définie par la relation cicontre : Fig. 5 : L effet Hall B B e I B I V U H Chapitre 2 13

4 R H : constante de Hall (dépend du semi-conducteur) I : intensité de la source de courant (A) B : intensité du champ magnétique (T) e : épaisseur du barreau de silicium. Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension U H proportionnelle au champ magnétique B : U H = k.b avec k constante égale à 3-2- Capteur de champ magnétique: Fig. 6 : Principe d un capteur de champ magnétique I Générateur de courant Capteur HALL U H Ampli U s =A.U H U s La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A Autres applications: Capteur de proximité: Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé au préalable sur un objet. Fig. 7 : Capteur de proximité Capteur de champ magnétique N S Aimant Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit: Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant : Fig. 8 : Mesure de courant en boucle fermée Conducteur parcouru par un courant I Le capteur donne une tension U S = k.b = k'.i avec k et k' constantes. C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus). Tore de métal de perméabilité µ Entrefer Capteur de champ magnétique 4. CAPTEURS A EFFET PHOTOELECTRIQUE: 4-1- L effet photoélectrique: Un semi-conducteur est un matériau pauvre en porteurs de charges électriques (isolant). Lorsqu'un photon d'énergie suffisante excite un atome du matériau, celui-ci libère plus facilement un électron qui participera à la conduction. 14 Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

5 4-2- Les photorésistances: Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit. Exemple: Obscurité : R0 = 20 MΩ (0 lux) Lumière naturelle : R1 = 100 kω (500 lux) Lumière intense : R2 = 100 Ω (10000 lux). Caractéristique lumière/tension: R (Ω) E (Lux) Avantages : Bonne sensibilité Faible coût et robustesse. Inconvénients : Temps de réponse élevé Bande passante étroite Sensible à la chaleur. Utilisation : Détection des changements obscurité-lumière (éclairage public) Les photodiodes: Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux. Courbe : Le graphe I = f(u) pour une photodiode dépend de l'éclairement en (Lux) de la jonction PN. Fig. 9 : Caractéristique courant/tension d une photodiode en fonction de l éclairement Photodiode I=f(U) ,5 0 0,5 1 Obscurité (diode normale) Eclairement moyen (500 lux) Eclairement fort (10000 lux) On constate que lorsque la diode est éclairée, elle peut se comporter en générateur (I = 0, U= 0,7V pour 1000lux). On a donc affaire à une photopile (effet photovoltaïque). Chapitre 2 15

6 Avantages : Bonne sensibilité Faible temps de réponse (bande passante élevée). Inconvénients : Coût plus élevé qu'une photorésistance Nécessite un circuit de polarisation précis Fig. 10 : Emetteur/Récepteur infrarouge Utilisations : Transmission de données 6 Télécommande IR Transmission de données par fibre optique Détection de passage Emetteur (diode IR) Rayon lumineux ou fibre optique Récepteur (photodiode) Roue codeuse Fig. 11 : Principe de la roue codeuse Mesures d'angle et de vitesse Comptage d'impulsions (souris de PC) Emetteur diode IR Récepteur Photodiode 5. CAPTEURS A RESISTANCE VARIABLE PAR DEFORMATION : 5-1- Capteurs potentiométriques de déplacement: Principe: Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un potentiomètre (schéma ci-dessous). Fig. 12 : Principe d un capteur potentiométrique Position 1 R C Position x (0<x<1) E (1-x).R x.r U C On applique une tension continue E entre les extrémités A et B du potentiomètre. La tension U en sortie aura l'expression suivante : La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur. 16 Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

7 Avantages : Simplicité d utilisation Faible coût. Inconvénients : Usure mécanique Utilisations: Mesure de déplacement réctilogne Mesure d angles de rotation Mesure de débit de fluide : Le débit du fluide exerce une force sur un clapet relié au curseur d'un potentiomètre. La tension en sortie du potentiomètre augmente avec la vitesse d'écoulement. Fig. 13 : Mesure de débit Piste résistive Fluide Curseur Ressort de rappel 5-2- Capteurs à jauges d extensiométrie: Principe: La résistance d'un conducteur est donnée par la «fameuse» relation : : Résistivité en Ω.m L : longueur en m S : section en m 2 La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R. La relation générale pour les jauges est où Kest le facteur de jauge Fonctionnement d une jauge simple: La jauge est constituée d'une piste résistive collée sur un support en résine. Le tout est collé sur le corps dont on veut mesurer la déformation. Corps au repos (pas d allongement) Fig. 14 : Jauge d extensiométrie Support Corps déformable Résistance mesurée Ro Ω Piste résistive Longueur l Chapitre 2 Les différents types de capteurs 17

8 Corps ayant subi un étirement (effort de traction) Fig. 15 : Jauge d extensiométrie ayant subi un étirement Résistance mesurée Ro + R Ω F F Longueur l+ l Remarque : Dans le cas d une contraction, la résistance de la jauge serait Ro - R. Conditionneur de signal (pont de Wheatstone) La tension de sortie v du pont a l'expression suivante : En général, la variation R est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire : Fig. 16 : Conditionneur de signal R V E R Jauge au repos R 0 R0+ R La tension de sortie v du pont a l'expression suivante : Résistances quelconques Jauge après étirement En général, la variation R est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire : Remarque : On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un pont à 2 résistances et 2 jauges symétriques R0 + R et R0 - R. Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une parfaite linéarité. 6. CAPTEURS DE TEMPERATURE : 6-1- Thermomètre à thermocouple: On constate que si la température T2 est différente de T1 alors il apparaît une tension U aux bornes des deux fils soumis à la température T1. Le phénomène inverse est aussi vrai : si on applique une tension, alors il y aura un échauffement ou un refroidissement au point de liaison des deux conducteurs (modules à effet Peltier). Fig. 17 : Principe de fonctionnement d un thermocouple V T 1 U T 1 métal B métal A Soudure Température à mésurer T 2 18 Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

9 Application: Mesure des hautes températures : 900 à 1300 C Thermistance: Une thermistance est un composant dont la résistance varie en fonction de la température. En première approximation, la relation entre résistance et température est la suivante : : La résistance à la température : La résistance à la température 0 C : Le coefficient de température. Remarque: si a > 0 alors on a une thermistance CTP (R quand ) si a < 0 alors on a une thermistance CTN (R quand ). Application: On insère la thermistance dans un pont de jauge. On obtient ainsi une tension V en sortie du pont. Si on prend, on obtient. On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant. La tension à ses bornes sera donc proportionnelle à la résistance Capteurs à sortie numérique directe: On trouve actuellement sur le marché, des capteurs de température à sortie numérique directe de type série. Il s'agit notamment des capteurs DALLAS qui sont classés en deux catégories : Les capteurs à sortie I2C (2fils) DS1621: Ce capteur DS1621 peut mesurer une température variant de -55 C à 125 C avec une précision de 0,5 C. Pour transmettre la mesure (9 bits), il utilise la norme I2C qui consiste à transmettre en série les bits de mesure sur la ligne SDA en synchronisation avec la ligne SCL (horloge). Tableau 3 Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions : Il est adressable physiquement sur 3 bits (A0, A1 et A2), ce qui permet d'en utiliser 8 sur la même ligne SDA-SCL. Il possède une fonction thermostat qui permet de commander un chauffage (températures TH et TL) par l'intermédiaire de la ligne TOUT même lorsque le capteur est déconnecté du matériel informatique. Chapitre 2 capteurs 19

10 6-3-1 Les capteurs à sortie I2C (2fils) DS1621: Ce capteur DS1820 peut mesurer une température variant de -55 C à 125 C avec une précision maximale de 0,125 C. Pour transmettre la mesure ( résolution réglable de 9 à12 bits ), il utilise la norme i-button qui consiste à transmettre en série sur un seul fil, le résultat de la mesure. La ligne VD peut être connectée à la masse GND et la ligne DQ supportera à la fois l'alimentation et la transmission des données, d'où l'appellation 1 Wire. Il suffit donc de deux fils (DQ et GND) pour alimenter et communiquer avec ce capteur. Tableau 4 Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions : Il est doté d'une adresse (numéro de série) affectée en usine et définitive. Elle est codée sur 8 octets ce qui permet d'utiliser, en théorie, un très grand nombre de DS1820 sur la même ligne. Une alarme de température peut être paramétrée et la consultation de celle-ci se fait par lecture d'une zone mémoire (adresse donnée). 20 Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

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