Transducteurs et capteurs II - EPFL · Souvent, il est très avantageux de monter les capteurs...
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ÉCOLE POLYTECHNIQUE FÉDÉRALE DE LAUSANNE
Transducteurs et capteurs IID. Mari
Monday, November 14, 11
Montage électrique des capteurs
Pour les capteurs dont l'effet de transduction conduit à une variation de la résistance (thermorésistance, piézorésistance, diode thermique, etc.), il s'agit de mesurer leur résistance avec précision, à l'aide d'une source de courant et d'un ampli différentiel à très haute impédance d'entrée :
Dans le montage à 2 fils ci-dessus, il apparaît une différence de potentiel Uf due à la résistance des fils, de sorte que la tension Us s'écrit :
Si la résistance des fils Rf est du même ordre de grandeur que la résistance Rc du capteur, la sensibilité du système est diminuée, et il peut apparaître des erreurs dues à la dépendance thermique de Rf .
Montage à deux fils
Montages d’un capteur résistif
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Montage à quatre fils simple
Pour pallier à cet inconvénient (éliminer différence de potentiel Uf due à la résistance des fils), on préfère généralement le montage à 4 fils suivant :
Comme l'impédance d'entrée de l'ampli différentiel est très élevée, le courant dans les fils de mesure est très faible et il n'y apparaît plus de tension Uf . Par contre, il peut encore y apparaître des tensions parasites provenant d'effet électromagnétiques perturbateurs; c'est pourquoi on utilisera généralement des fils blindés pour ce circuit.
Si les fils de mesure sont longs, composés de différents métaux, et qu'ils traversent des zones à différentes températures, il peut encore y apparaître des tensions dues à des effets thermocouples :
Montages d’un capteur résistif
US = GRcI0 +G Uth∑
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Si les tensions thermocouples Uth sont du même ordre de grandeur que Io · Rc , ce qui peut arriver si Rc à mesurer est très faible, on peut éliminer l'effet de Uth en effectuant deux mesures en inversant le sens du courant: une mesure avec un courant Io et l'autre avec un courant -Io , de sorte que:
Montages d’un capteur résistif
US = GRcI0 +G Uth∑
I0 ⇒Us1 = GRcI0 +G Uth∑−I0 ⇒Us2 = −GRcI0 +G Uth∑
⎧⎨⎪
⎩⎪
Us1 −Us2 = 2GRcI0
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Montage d’un capteur potentiométrique
Pour les transducteurs de type potentiométrique, le montage électrique consiste en une source de tension constante qui alimente le potentiomètre et un ampli différentiel à haute impédance d'entrée pour la mesure de la tension :
La résistance Rc du potentiomètre est choisie de sorte qu'elle soit beaucoup plus élevée que celle des fils provenant de la source de tension, de sorte à pouvoir négliger la chute de potentiel dans ces fils. Mais elle doit aussi être beaucoup plus basse que l'impédance d'entrée de l'ampli différentiel, de sorte que celui-ci ne modifie pas la linéarité du potentiomètre:
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Montage en pont de capteurs résistifs
Souvent, il est très avantageux de monter les capteurs résistifs en pont à quatre branches dans lesquelles les capteurs 1 et 4 travaillent à l'opposé des capteurs 2 et 3 (capteurs de force, de pression, d'accélération, etc.) :
Le montage en pont présente un avantage essentiel lorsqu'on utilise des jauges piézorésistives, magnétorésistives, etc. En effet, toute jauge résistive dépend de la température (effet thermorésistif). Le montage en pont permet d'éliminer au premier ordre cette dépendance en température, puisque :
Seule la dépendance en température du coefficient physique de transduction peut encore influencer la mesure :
Us = G U1 −U2( ) = U0
2G ΔRR0
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Montage d’un capteur inductif différentiel
Les capteurs de déplacement utilisant un transformateur différentiel à noyau mobile se montent de la façon suivante :
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Montage d’un capteur en source de tension
De nombreux capteurs font appel à un effet physique de transduction générateur d'une tension électrique (effet piézoélectrique, effet de réluctance variable, effet thermocouple, effet Hall, etc.). La plupart de ces effets ne sont utilisables que si le courant tiré de la source de tension qui représente le capteur est extrêment faible. C'est pourquoi les capteurs se comportant en source de tension doivent en général être branchés sur un ampli différentiel d'instrumentation à haute impédance d'entrée :
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Montage d’un capteur en source de courant
Certains capteurs font appel à un effet physique de transduction générateur d'un courant électrique (effet photovoltaïque, effet photoconductif, etc.). Ces effets ne sont en général linéaires que si la résistance de charge branchée aux bornes de la source de courant que représente le capteur est très faible. C'est pourquoi les capteurs se comportant en source de courant doivent en général être branché sur un ampli courant à très faible impédance d'entrée équivalente Rc :
A noter que l'impédance d'entrée équivalente Rc , qui doit être la plus faible possible, ne doit pas être confondue avec l'impédance d'entrée Re de l'ampli opérationnel, qui doit être la plus élevée possible :
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Montage d’un capteur photoconductif différentiel
Le schéma suivant permet de séparer l'effet de la position du spot lumineux et l'effet de son intensité pour les capteurs photoconductifs différentiels :
Ainsi, la tension de sortie U4 mesure la puissance lumineuse du spot et la tension de sortie U5 mesure la position du spot lumineux sur la cellule.
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Montage d’un capteur photoconductif différentiel
Le schéma suivant permet de séparer l'effet de la position du spot lumineux et l'effet de son intensité pour les capteurs photoconductifs différentiels :
Ainsi, la tension de sortie U4 mesure la puissance lumineuse du spot et la tension de sortie U5 mesure la position du spot lumineux sur la cellule.
Sommateur
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Montage d’un capteur photoconductif différentiel
Le schéma suivant permet de séparer l'effet de la position du spot lumineux et l'effet de son intensité pour les capteurs photoconductifs différentiels :
Ainsi, la tension de sortie U4 mesure la puissance lumineuse du spot et la tension de sortie U5 mesure la position du spot lumineux sur la cellule.
Sommateur
Ampli différentiel
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