Generalites Cond Capteurs (1)

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Chapitre IGnralits sur les capteurs

I Dfinitions:1- capteur:Un capteur est un dispositif qui fournit une grandeur lectrique s fonction dune grandeur physique non lectrique appele mesurande m.

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DfinitionsLa faon la plus simple pour reprsenter s en fonction m est une droite. On obtient une image Linaire du mesurande m. Si, par exemple, le mesurande est une force, et la grandeur lectrique est un courant, alors Il serait facile de convertir lampremtre en un dynamomtre lectronique, il suffit de changer lchelle : La linarit facilite lexploitation

Lintervalle (mmax , mmin) doit tre inclue dans la limite d'utilisation donne par le constructeur.

s

mmmin mmax

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Dfinitions:2. Ltendue de mesure EM

Elle est dfinie par la diffrence algbrique

Em=Mmax-MminS=f(m) peut tres reprsent en %

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Exemple : Capteur de niveau (40ml, 140ml)

- Quelle est la valeur de Ltendu de mesure EM ?- A quoi correspond 50% de l'entre?- Quelle est la valeur de sortie correspondante en% et en ml

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Dfinitions:3. Capteur passif et capteur Actif

On distingue deux classes de capteurs :les capteurs passif et les capteurs actifs.

Un capteur est passif lorsqu'il ncessite une alimentation pour fournir un signal.

Un capteur est actif, lorsqu'il ne ncessite pas d'alimentation. Il fournit directement un signal. C'est un convertisseur d'nergie

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Exemples de capteur passif:

A- capteur rsistif- Une rsistance rendue variable grce la variation du flux lumineux (Photorsistance ou LDR)- Une rsistance rendue variable grce au curseur solidaire avec lobjet en mouvement.- Jauge de contrainte est une rsistance base sur lEffet Piezorsistif : Variation de la rsistivit dun matriau sous leffet dune force ou une pression

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B- capteur inductif: - Une bobine avec un noyau mobile solidaire avec lobjet en mouvement.

Le coefficient dauto-induction L est fonction du dplacement du noyau. - phnomne dinduction et courants de Foucault

C- capteur capacitif: - Dplacement vertical ou horizontal dune plaque solidaire, avec lobjet en

mouvement, par rapport une autre qui reste fixe.


Exemples de capteur passif:

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Exemples de capteur actif :

A. Thermocouple:si Tc =Tref alors la fem gnre est nulle si Tc est diffrent de Tref alors la fem gnre est non nulle

Effet thermolectrique : gnration dune fem sous leffet dun gradient de temprature.

B- QuartzEffet pizolectrique : gnration de charge lectrique sous l'effet de la contrainte

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4- corps d'preuve:

Cest l'intermdiaire entre le mesurande primaire et le mesurande secondaireLa lame est appele: corps d'preuve

Exemple:

Dfinitions:

MESURANDE SECONDAIRE

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Dfinitions:5- conditionneur :A. conditionneur du capteur passif CCP:Un conditionneur du capteur passif est in circuit lectrique dans lequel on insre le capteur passif. Il peut tre un montage potentiomtrique , ou un montage en pont.La tension de sortie Vm est module par les variations du mesurande.Le mesurande est le modulant et la tension de sortie est module.On a donc une modulation damplitude.

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Dfinitions:

Dans le cas d'une modulation de frquence le conditionneur correspondant est un

oscillateur de frquenc

f =

et d'amplitude constante.

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B. conditionneur du signal C.S:

Le C.S a quatre fonctions lectroniques essentielles :

adaptation : conserver les (V,I,f) image du mesurande, pour quil ne soit pas attnu

amplification du signal image de la mesure, avec limination du bruit

linarisation du signal de mesure.

Extraction de l'information ou 'dmodulation'

Dfinitions:

CapteurCapteur C.C.P. C.S.mesurande

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TransmetteurCertains fabricants fournissent des CS avec un signal de sortie sous forme de courant normalis variant entre 4mA et 20mA, pour deux raisons essentielles :

-Le courant ne chute pas, alors que la tension chute ( Effet Joule dans la ligne) et donc une perte dinformation.

- 4mA et non 0 mA, pour ne pas confondre information et coupure de courant.

Le dispositif ainsi ralis, sappelle transmetteur.

Dfinitions:

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6- chane de mesure:Le capteur est le premier maillon d'une chane de mesure analogique ou numrique.

La chane de mesure analogique est constitue par :Capteur + Conditionneur + Affichage analogique

La chane de mesure numrique est constitue par :Capteur + Conditionneur + Convertisseur Analogique Numrique + affichageou traitement numrique

Chane de mesure

Dfinitions:

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Contrle du processus

Pourquoi cet intrt grandissant aux capteurs?

-Besoins de linstrumentation moderne

-Besoins de lautomatisation

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II-principes physiques:- Effet thermolectrique- Effet photolectrique- Effet pizorsistif- Effet pizolectrique- Effet magntorsistif- Effet dinduction lectromagntique- Effet Hall

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II-principes physiques:Capteurs Actifs


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II-principes physiques:Capteurs Passifs

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II-principes physiques:Capteurs Passifs

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III-les caractristiques des capteurs :1-sensibilit:

La sensibilit S est dfinie par S=ds/dm

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III-les caractristiques des capteurs :Sensibilit

Exemples :1. Sensibilit du capteur

Une diode polarise en direct et parcourue par un courant instant peut tre en tant que capteur de temprature, sa sensibilit est :

S=dV/dT=-2mV/C

Remarques:- dans le cas, o la rponse du capteur ou du conditionneur est linaire, la sensibilit S est constante

-lorsquon na pas une courbe linaire, la sensibilit se calcule au voisinage d'in point

2.La sensibilit du montage ou du conditionneur

S=dV/dm dI/dm ou df/dm, dm tant la variation du mesurande

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2- la rsolution:La rsolution est le plus petit cart dtectable par un instrument de mesure.

Exemples :A. Pour une diode, la tension a ses bornes est mesure laide dun millivoltmtre numrique ayant une rsolution de 0,01mV.- Quelle est la rsolution du capteur en C ?- Quelle diffrence de temprature correspond une variation de 60mV- Comparer avec un thermomtre mercure dune rsolution de 1C Linstrument de mesure form par la diode et son conditionneur associe au millivoltmtre est plus sensible que le thermomtre mercure. Il permet une mesure indirecte de la temprature.

B. un thermocouple de type k, a une sensibilit de 40 V/C. Comparer sa rsolution avec celle dun thermomtre mercure classique, dune rsolution de 1C. Le millivoltmtre associ au TC a une rsolution de 0,001mV

III-les caractristiques des capteurs :

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3- la prcision :

La prcision est lcart entre la valeur mesure et la valeur relle (mesure laide dinstruments de haute performance et talonns) exprim en %

Exemples:Erreur absolue m=500g 5g

Erreur relative = 5g/500g =1%


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4- lerreur de non linarit ENL :

ENL= plus grand cart de la droite idale et la courbe exprimentale , exprime en %

ENL=

Un capteur idal doit avoir ENL nulleRemarque: en TP, la droite idale passe au voisinage de la

majorit des points exprimentaux


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5- lerreur dhystrsis :

EH =

Elle sxprime en en %

Un capteur idal doit avoir une E .H nulle


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6- le temps de rponse :Le temps de rponse dun capteur ou dun instrument de mesure en gnral, est dfini par le temps coul entre 10% et 90% dune variation due un changement brutal de la valeur du mesurande

Exemple: on plonge brutalement un TC de lambiante 100C. Une table traante permet de relever la tension mesure en fonction du temps. On obtient les courbes ci contre

Remarque:Dans le cas dun passage brutal de 100C lambiante, le temps de descente td est dfini de la mme manire.


(dans ce cas, il correspond au temps de monte)

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7 -erreur doffset :

Le dcalage entre les 2 courbes estappel : erreur doffset Elle est due alimperfection de llectronique(dissymtrie des A .O.P). Pour y remdier,Les constructeurs conoivent un rglagedoffset (rglage du zro).


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Chapitre IILes Conditionneurs

I Dfinitions:1. Conditionneur de capteur Passif CCP

Le conditionneur reprsente llectronique associe au capteur. Lorsque le capteur estpassif, son insertion dans un circuit lectrique simpose : Cest le conditionneur decapteur passif (CCP),exemple : montage potentiomtrique, montage en pont, montage oscillateur.

Son rle est de traduire les variations de llment passif (rsistance, inductance,capacit) dues aux variations du mesurande, en un signal lectrique. Le mesurandemodule les variations du signal soit en amplitude soit en frquence. Le signal de sortiedu CCP est modul en amplitude (modulation damplitude) ou en frquence(modulation de frquence).

CapteurCapteur C.C.P. C.S.mesurande Signal V,I,f

Image du mesurande

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Chapitre ILes Conditionneurs

Pour avoir un signal image du mesurande, facile exploiter, un traitement lectroniquesavre ncessaire. Il vient aprs le CCP, et il est ralis grce un circuit detraitement appel conditionneur du signal. Son rle est de rsoudre les quatreproblmes suivants :

Adaptationlinarisationamplification avec liminations du bruitdmodulation.

CapteurCapteur C.C.P. C.S.mesurande Signal V,I,f

Image du mesurande

I Dfinitions:2. Conditionneur du signal C.S.

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II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 1- montage potentiomtrique

Exemple: Cas dun capteur rsistif-Au repos, le capteur rsistif Rc une rsistance de valeur R0 (correspond m0).

-En rgime de variation, le capteur a une rsistance de R0 + Rc.Vm: tension de mesure aux bornes de Rc.

Question 1:Dterminer la tension de mesure au repos, et en rgime de variation. En dduire la partie du signal dVm reprsentant uniquement les variations du mesurande. Quel est le type de modulation du signal. La fonction dVm est elle linaire en fonction de dRc ?Proposer une solution pratique pour remdier au problme de la non linarit. Conclure.

Rponse 1:

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-Montage Push-pull :- Pour remdier au problme de la non linaritpos par le montage prcdent, on conoit deuxcapteurs identiques montes en srie, et de tellemanire que leurs variations soient opposes, c'est--dire :

Rc1 = R0 + Rc et Rc2 = R0 - Rc .

Dans ce cas, on dit que Rc1 et Rc2 sont monts enmode push-pull .

Remdier au problme de la non linarit auniveau du CCP est appel:

Linarisation Amont

Dmo: voir slide suivant

II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 1- montage potentiomtrique

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Questions 2:- Montrer que Le problme de la non linarit peut trersolu, avec deux capteurs monts en mode push pull.- On suppose que le capteur a une sensibilit constante S, etque le mesurande m(t) varie sinusodalement autour dunevaleur au repos m0, avec une frquence f, et une amplitudem1. Reprsenter m(t), dterminer son quation. A quoicorrespond la variation du mesurande dm. En dduirelexpression du signal dVm(t).-Que devient lexpression du signal Vm(t) lorsque la tensiondalimentation est sinusodale de frquence F, et damplitudeE. Quel est le spectre de Vm(t).-Quel est linconvnient majeur des montages

potentiomtriques.-Conclure.

-Rponses 2:

II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 1- montage potentiomtrique Montage Push Pull Linarisation Amont

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Dans le cas dun capteur rsistif, on distingue trois types de ponts :Quart de Pont, Demi Pont, Pont Complet

Dans les trois montages, Les capteurs rsistifs sont identiques et montes en mode push-pull ( cas des demi pont et pont complet).

Questions 3: Pour chacun de ces montages pont, dterminer la tension Vm, compareret conclure. Citez les deux avantages des montages pont.Rponse 3:

II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs: 2- montage en pont :

Remarque : influence de la longueur des fils, ou comment minimiser lerreur due aux fils de liaison :Rsistance 2 fils, Rsistance 3 fils, Rsistance 4 fils ( Devoir rendre).

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II- Les Conditionneurs de Capteurs Passifs:3- montage oscillateur

Deux types doscillateurs :- loscillateur de relaxation : le signal de sortie est de forme carre et frquence F=a/RC.-Loscillateur harmonique ou sinusodal : le signal de sortie est de forme sinusodale et de

frquence F=

Le capteur est passif, les variations de llment passif sont modules par la frquence dusignal : au repos, loscillateur a une frquence F0, correspondante une valeur demesurande gale m0 .

Question 4: Quelle est la nouvelle frquence de loscillateur correspondante unevariation du mesurande dm, en fonction de la frquence au repos. Se placer dans le casgnral F=a/(RC).

Rponse 4:

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III- Les Conditionneurs de signaux

Le conditionneur de signaux est un tage lectronique, ayant pour rle dersoudre les problmes suivants :

- Adaptation,- Linarisation,- Amplification,- Extraction de linformation ou dmodulation.

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III- Les Conditionneurs de signaux

3.1 Adaptation :Le conditionneur du capteur passif transforme les variations du mesurande en un signallectrique dont les caractristiques peuvent tre mesurs entre les points A et B.

Le circuit est quivalent un gnrateur de force lectromotrice ec(m) en srie avec uneimpdance quivalente Zth ( modle de Thevenin).

Linformation lie aux variations du mesurande se trouve dans la fem ec(m). Cest unetension quil faut conserver, et transmettre au reste de la chane sans attnuation. Cestlobjectif de ladaptation pour rsoudre le problme dassociation en cascade dtageslectroniques.

Vu des points A et B, le reste de la chane est quivalent une impdance dentre Ze.

Question 5 : Quelle condition doit satisfaire Ze pour que la fem ec(m) image dumesurande, soit transmise au reste de la chane sans attnuation.Proposer alors des solutions pratiques.

Rponse 5: 41


III- Les Conditionneurs de signaux3.2 Linarisation

Lobjectif est de rendre le signal de sortie linaire en fonction de la variation du mesurande. On distingue deux types de linarisation:

- Linarisation Amont est obtenue grce au montage push pull.

-Linarisation Avale peut tre obtenue grce des circuits de linarisation, parmi lesquelles:

-circuit de linarisation par simple raction, -circuit de linarisation par double raction, -linarisation laide des circuits spciaux.

Voir TD pour ltude dtaille des circuits de linarisation.

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III- Les Conditionneurs de signaux3.3 Amplification

La tension image du mesurande est gnralement faible, son amplification simpose.Le problme rsoudre, est de pouvoir amplifier le signal utile, image du mesurande,et liminer les signaux parasites qui sont source de bruit.

Plusieurs solutions, parmi lesquelles :amplificateur de diffrence,amplificateur dinstrumentation.

Voir TD pour ltude dtaille de ces amplificateurs.

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III- Les Conditionneurs de signaux3.4 Dmodulation

Elle consiste extraire du signal de sortie, la seule partie du signal, image dumesurande.

Il sagit donc dune dmodulation damplitude lorsque le signal de sortie est modul enamplitude, ou dune dmodulation de frquence, lorsque le signal de sortie est modulen frquence.

Les circuits de dmodulations sont appels dmodulateurs, damplitude ou defrquence.

Pour ltude dtaille des circuits, voir cours de modulation et dmodulation.


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