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mercredi 7 février 2001

GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs

Philippe Mabilleau ing.

Capteurs

2GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs


Types de capteurs

• Capteurs de position

• Capteurs de force

• Capteurs de température



Capteurs de position

• Ces capteurs traduisent la position d'unobjet– sur un axe de rotation

– sur un axe linéaire

• Position angulaire

• Position linéaire



Capteurs de position absolue

• Position donnée par rapport à uneréférence fixe

• Angle avec une direction fixe

• Distance avec un point fixe sur un axe

• Position absolue dans l ’espace– 2D déplacement dans un plan

– 3D repérage dans l ’espace



Capteurs de position relative

• Mesure du déplacement par rapport auxpositions antérieures

• Référence absolue non disponible

• Grandeur mesurée– vitesse

– accélération

– déplacement par comptage



Technologie des capteurs

• Capteurs analogiques– position absolue

• Capteurs numériques– position absolue et relative

– déplacements



Capteurs analogiques

• La position est mesurée à l'aide d'unegrandeur analogique– potentiométriques (résistance)

– capacitifs et inductifs

– de niveau (liquide)



Capteurs numériques

• Position ou déplacement

• Directement encodé sous formenumérique

• Capteurs mécaniques

• Capteurs optiques



Capteurs potentiométriques

• Bonne précision si démultipliés

• Valeur analogique généralementconvertie en tension

• Coût élevé

• Résistance au déplacement nonnégligeable

• Bruit de contact potentiel entre lecurseur et la piste



Capteurs potentiométriques• Linéaire ou angulaire

• Simple ou multitours

• Position absolue

• Valeur angulaire limitée en amplitude

• Utilisation de potentiomètres avec deuxpistes sans fin de course

• Conversion linéaire de la résistance entension pour être présentée à unconvertisseur analogique à numérique



R1

R2

angle

angle

R1 R2

Potentiomètres sans fin



0 - 1 0 V

- 1 0 V

0 - 1 K

-

+

1 K

R

-15V

V = −R

1kΩ−10v( )

Conversion de la résistance



C = Kε 0A

d

Capteurs capacitifs• Exploitation de la variation de capacité

d'un condensateur

• Pour un condensateur plan

avec ε0 = 8.85 pF/m– Variation de la distance d

– Variation de l'aire A

– Variation de la constante diélectrique K



Sor t i e

Sourc e a c

L1

L2L3

Capteurs inductifs• Variation de l'inductance ou de

l'inductance mutuelle

• LVDT• linear variable differential transformer

• L'amplitude de la tensiondifférentielle de sortievarie linéairement avec laposition du noyau

• La phase de cette même tensionchange au passage au centre



S our c e ac

LVDT

Sor t i e dc

R

R

C

D

D

Utilisation d'un LVDT



LVDTDétecteur phase

Oscillateur

Filtre et red.

Utilisation d'un LVDT



Caractéristiques des LVDT

• Course linéaire de ±1 mm à ±25 cm

• Linéarité typique de ±0.25%

• Transfert statique en mV/mm

• Caractéristiques dynamiques fonctionsde l'électronique d'interface



Mesures de niveaux• Mécaniques

– utilisation de flotteurs avec les liquides

• Électriques– utilisation des caractéristiques électriques

du fluide• conduction

• capacité à constante diélectrique variable

• À ultra-sons– non invasifs

• À mesure de pression



Capteurs numériques

• À encodage directe– code Gray

• Par comptage– déplacements relatifs

– codage incrémental

– détection du sens de déplacement



• Le code Gray est un code à distanceminimale qui permet d'éviter les étatsintermédiaires erronés

• Un seul bit change d ’une position àl'autre

• Il peut être utilisé avec des capteursoptiques ou à balais mécaniques, pourdes positions angulaires ou linéaires

Code Gray



Code Gray 4 bits



Capteurs mécaniques à balais

• Lecture numérique simple

• Usure élevée, sensible àl'environnement

• Utilisation d'interrupteurs magnétiqueset d'un compteur– « compte-tours »

• Dispositifs de pointage



Capteurs optiques

• Résistance au mouvement faible

• Lecture numérique simple

• Par encodage direct– encodeurs angulaires optiques

– angles mesurés en absolu

• Par comptage– dispositifs de pointage (souris)



• Détection du mouvement relatif et de sadirection

• Linéaire ou angulaire

• Règle imprimée

• Roue dentée

• Surface striéen+1/2

demi-périodes

Capteur 1 Capteur 2

Codeur incrémental



X

Y

P

X-

S

Sens du déplacement



D

C

Q D

C

Q

D

C

Q D

C

Q

D

C

Q

Y

X

CLK

S

P

X-

Détecteur



X

Y

S

P

D

C

Q

X

Y = P

S

Détecteur simplifié



Mesures de forces

• La mesure des forces ou contraintes esttrès utilisée car elle permet la mesureindirecte des pressions, débits,accélération et poids

• La mesure des contraintes utilise larelation qui existe entre contrainte etdéformation



• Étirement

• Compression

• La contrainte estexprimée en N/m2

• La déformation estexprimée en m/mou en µm/m A

FContrainte =

FF

F F

A

A

l

l

∆ l

∆ l

Déformation =∆ll

Différents types de contraintes



F

F

A

l

∆∆ x

Déformation =∆xl

Torsion =F

A

Torsion



Contrainte

Déformation

Saturation

Rupture

llAF

E∆

==nDéformatio

Contrainte

Zone de déformationélastique

Contrainte et déformation

E module d'élasticité d'Youngen N/m2



• Une jauge de contrainte est un dispositifconducteur dont la résistance va variersuite à sa déformation sous unecontrainte

• Sous l'effet de la contrainte la longueurde la jauge va augmenter et sa sectionva diminuer; ce qui va modifier sarésistance

R0 = ρl0A0

Jauge de contrainte



Variation de la résistance

• Exemple:– R0 = 120 Ω– contrainte de 1000 µm/m

– ∆R = 0.24 Ω

l 0 A 0 = l 0 + ∆ l( ) A0 − ∆A( )

R = ρl 0 + ∆lA0 − ∆A

R = ρl0

A01 + 2

∆ll0



Direction sensible

Directionnon-sensible

Substrat isolant

ConducteurPad d'interconnexion

Construction



• La relation entre la contrainte et lavariation de résistance d'une jaugepermet de définir son coefficient

• Pour les jauges métalliques usuelles GFest voisin de 2; il peut aller jusqu'à 10pour certains alliages ou le carbone

GF =∆R R∆l l

Jauges métalliques



Résistance d ’une jauge

• La valeur nominale de la résistanced'une jauge (en l'absence de contrainte)peut être de 60, 120, 240, 350, 500 ou1000 Ω; la valeur la plus commune est120 Ω



• Un pont est utilisé pour mesurer lavariation de résistance

• Une jauge inactive est utilisée dans laseconde branche du pont pourcompenser les effets des variations detempérature

F FRA

RD+

Vs D

Det

Utilisation d'une jauge



RA = R 1 +∆RR

∆V = VSRD

RD + R1−

RA

RA + R2

∆V = −VS

4

∆RR

1 +∆RR

≈ −VS

4

∆RR

= −VS

4GF

∆ll

Variations au détecteur



Jauges à semi-conducteur• Construites à partir de semi-

conducteurs (généralement le silicium)

• Coefficients beaucoup plus élevés queles jauges métalliques

• du à l'effet de la contrainte sur la mobilité desporteurs dans les semi-conducteurs

• Coefficients de l ’ordre de -50 à -200

• Variation de la résistance non linéaire• généralement le coefficient décroît avec la

contrainte (donc augmente en valeur absolue)



Accéléromètres• Mesure de la position d ’une masse

suspendue à un ressort– réponse dynamique

• résonance

• Capteur de position– potentiométriques

– LVDT

– Piézo-électrique

• Mesure de vibrations



Manomètres

• Différents types– à diaphragme et LVDT (type Bourdon)

– à semi-conducteur (jauges de contrainte)

– jauge Pirani (dissipation thermique d ’unfilament, faible pression)

– Jauge à ionisation (faibles pressions)

• Débitmètres– manomètre différentiel



Mesure de températures• Basée sur l'effet de la température sur

des grandeurs physiques ou électriques– résistance

– effet thermo-électrique

– propriété des semi-conducteurs• résistivité

• tension Zener

– expansion• d ’un liquide

• d ’un solide



• Résistivité des métaux croissante avecla température

• Résistance métallique croissante avecla température

• Variation non linéaire• approximation par une variation linéaire sur

une plage limitée

• par une variation quadratique sur une plageplus large R(T ) = R(T0 )(1 + α1∆T + α2 (∆T )

2 )

R(T ) = R(T0 )(1 + α0 ∆T )

Résistance métallique



Exemples de variations



Ligne s de c om pe ns a t ion+

Vs

-

+

Détecteur à résistance (RTD)

Utilisation d ’un pontavec lignes decompensation



Thermistor

• Résistance à semi-conducteur

• Diminue avec la température d ’unefaçon non linéaire

• Très sensibles à la température;– typiquement 10% de la résistance

nominale par °C

• Plages de températures d ’utilisation– -50 °C à -100 °C jusqu'à 300 °C



Résistance d ’un thermistor



• Dissipation de puissance par le couranttraversant la résistance de mesure– élévation de température

• Réduction l ’incidence du phénomènesur la mesure– limitation du courant dans la résistance

– prise en compte de l'erreur de lecture dueau réchauffement

Facteur de dissipation



Prise en compte

• Facteur de dissipation

• Spécifications des RTD et desthermistors– facteur de dissipation, PD (en W/ºC) , qui

est la puissance requise pour augmenter latempérature du composant de 1 ºC

• P = puissance dissipée dans la résistance pourla mesure

• ∆T = élévation de la température résultante∆T =

P

PD



Effet thermo-électrique

• Force électromotrice résultant de ladifférence de température entre 2jonctions métallique dans un circuit

• Très faible (quelques mV)

• Non linéaire• mais une approximation linéaire peut être

utilisée sur de vastes plages de température

• Fonction des températures desjonctions de référence



Thermocouple

T1 T2

métal A

métal B

Force électromotrice TM

TR

TR

métal A

métal B métal C

métal C



Utilisation d ’un thermocouple

• Plage des températures qui peuventêtre mesurées très vaste– plage de 500 à 1500 °C

– depuis -200 °C jusqu'à 1482 °C

• Dépend de la nature des jonctionsmétalliques– jonctions métalliques standards



Types standards de jonctions

Type Matériaux Plage detempératures

J Fer-constantan -190 à 760 oC

T Cuivre-constantan -200 à 371 oC

K Chromel-alumel -190 à 1260 oC

E Chromel-constantan -100 à 1260 oC

S 90% platine +10% rhodium-platine

0 à 1482 oC

R 87% platine +13% rhodium-platine

0 à 1482 oC



Exemples de variations



Autres capteurs• Bilames métalliques

• détection d'un seuil de température

• Thermomètres à gaz ou à pression devapeur saturante

• mesure de pression

• Capteurs intégrés à semi-conducteur• variation d'un tension Zener en fonction de la

température

• plage de mesure de -50 ºC à 150 ºC

• utilisés comme point de référence pourthermocouple



Exemple d ’application

• Plage de température à mesurer de 500 à600 °F avec une résolution de ±1 °F

• La plage de températures est de260 à 315.6 °C

• Un thermocouple de type J (fer-constantan) estutilisé avec une jonction de référence à 25 °C±0.5 °C

• Les tables donnent pour un thermocouplede type J

– à 260 °C, VT25 = 12.84 mV

– à 315.6 °C, VT25 = 15.90 mV



Conditionnement du signal• La tension VADC présentée au convertisseur

varie de 0 à 5 V

• La tension de sortie du thermocouple estconsidérée linéaire sur la plage utilisée

• Le circuit de conditionnement doit réaliser laconversion suivante:VADC = m VT25 + V0

• Les paramètres m et V0 peuvent êtredéterminés à l'aide des équations suivantes:0 = m (0.01284) + V05 = m (0.01590) + V0

• Ce qui fait: m = 1634 et V0 = -21 V



Calcul du circuit

• Un gain de 1634 risque d'être sourced'instabilités si réalisé avec un seul étage

• Un amplificateur différentiel avec un gain de-100 va être utilisé comme premier étage suivid'un sommateur

V1 = -100 VT25

VADC = 16.34 V1 - 21

VADC = 16.34 (V1 - 1.29)



Vadc

-

+

-

+

10K

100K1K

1K

163.4K

2.88K1K

+5V

TREF

T

Fer

Constantan

Circuit de conditionnement

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