IUT Mesures Physiques CAPTEURS 2ème année Thomas BEGOU – Marcel PASQUINELLI Année 2011/2012 Plan du cours (1) 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES 1.1. Le Capteur (Sensor) 1.2. Aspect économique 1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures 2.1. L’entrée du capteur : Le mesurande 2.2. Le corps d’épreuve 2.3. Le conditionneur / transmetteur 2.4. La sortie du capteur 2.5. Les perturbations 3.1. Le microphone à condensateur Présentation Générale Eléments constitutifs d’un capteur Exemple d’application Année 2011/2012 2/113 Plan du cours (2) 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES 1. Réponse statique (caractéristique entrée – sortie) 2. Etendue de Mesure : E.M. (Entrée) 3. Spécification de la sortie 4. Linéarité et erreur de linéarité 5. Sensibilité 6. Hysteresis 7. Résolution 8. Caractéristique de transfert 9. Précision qualitative (fidélité et justesse) et précision métrologique 10. Réponses dynamiques 11. Réponse temportelle (ordre du capteur) 12. Rapidité (temps de réponse) 13. Ecart 14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal 15. Capteur 1er ordre : Relation bande passante / temps de montée 16. Indice de protection IP Année 2011/2012 3/113 Plan du cours (3) 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS 1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils 1.2. Montage potentiométrique simple 1.3. Montage potentiométrique push-pull 1.4. Montage en pont d’impédance 1.5. Montage potentiométrique avec amplification du signal 2.1. Capteurs source de tension 2.2. Capteurs source de courant 2.3. Capteurs source de charge Conditionneurs pour capteurs passifs Conditionneurs de signaux pour capteurs actifs et/ou sortie de conditionneurs passifs Année 2011/2012 4/113 1.1. Le Capteur (Sensor) Définition : Dispositif de métrologie chargé de traduire les variations d'un procédé physico-chimique en une grandeur exploitable Procédés physicochimique, mécanique, électrique, ... Pression, température, débit, vitesse, accélération, flux lumineux, déplacement, ….. 1ère CAPTEUR Grandeur quantitative exploitable - Indication analogique, numérique - Signal électrique Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 5/113 1.2. Aspect Economique (1) Secteur M€ ENERGIE 25 SECURITE 25 GRAND PUBLIC 25 MEDICAL 25 BATIMENT 40 TRANSPORT 48 TEST/LABORATOIRES 125 INDUSTRIEL 350 AUTOMOBILE 375 DEFENSE/AERONAUTIQUE 470 - + Ventes 2007 de capteurs en France par secteur (M€) – source Cabinet Décision 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 6/113 1.2. Aspect Economique (2) Type de mesure M€ DISTANCE 75 GAZ 77 NIVEAU 77 FORCE 110 FLUX 110 ELECTROMAGNETIQUE 130 INERTIE 145 TEMPERATURE 150 POSITION 151 PRESSION 170 - + Ventes 2007 de capteurs en France par type de mesures (M€) – source Cabinet Décision 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 7/113 1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures (1) Le Capteur (l'élément qui se trouve en amont d'une chaîne de mesures) COMPOSANT ESSENTIEL Qualité de la mesures (Mesure simple, contrôle, ...) Voir : Exemple 1 1ère Bon fonctionnement des systèmes où le capteur est intégré (régulation, contrôle in-situ de procédés) Voir : Exemple 2 Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 8/113 1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures (2) Exemple 1 : Mesure simple Source d'énergie CAPTEUR 1ère Conditionnement du signal Exploitation (Affichage, lecture, ...) Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 9/113 1.3. Importance du capteur dans la chaîne de mesures (3) Exemple 2 : Détection niveau et régulation Valve automatique Niveau MAX Capteur 1 Régulateur Niveau min Capteur 2 Les mesures réalisés par les capteurs 1 et 2 permettent par le biais du régulateur de régler le niveau d’eau dans le récipient. 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 10/113 2.1. L’entrée du capteur : Le mesurande Définition : Le mesurande est la grandeur physico-chimique à mesurer, on le notera μ, x, X ou E pour se référer à l'entrée du capteur. Exemple : Pression, température, position, déplacement, accélération, tension, pH, ... On peut distinguer plusieurs type de mesurandes : X X t t Mesurande à évolution temporelle non répétitive Mesurande constant X t 1ère Mesurande à évolution temporelle répétitive (périodique) Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 11/113 2.2. Le corps d’épreuve Définition : Le corps d'épreuve est l'élément d'entrée du capteur qui répond aux sollicitations du processus physico-chimique. Soumis au mesurande étudié, il assure la “traduction” en une autre grandeur qui peut être de nature non électrique, dans ce cas ce mesurande secondaire est ensuite traduit en grandeur électrique. Exemple : Capteur de force résistif Application d’une FORCE Déformation Résistance ΔF ΔL ΔR Le mesurande primaire est la force appliquée, ΔF, le corps d’épreuve est constitué par un conducteur métallique qui va se déformer d’une quantité ΔL sous l'action de ΔF, cette déformation est alors traduite en variation de résistance ΔR. L’idée : Chercher les relations ... ... liant la valeur de la résistance R à la valeur de la force appliquée F ... liant la valeur de la variation de la résistance ΔR de la jauge à la variation de la force appliquée ΔF 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES R f (F ) R g ( F ) Année 2011/2012 12/113 2.3. Le conditionneur / transmetteur Définition : Le conditionneur est l'élément de sortie du capteur qui transforme les variations du mesurande primaire ou secondaire en variations électriques exploitables (tension, courant, ….). Exemple : Capteur de force résistif avec son conditionneur Conditionneur Application d’une FORCE Déformation Résistance Tension ΔF ΔL ΔR ΔU Nota : Du point de vue de l'utilisation, on regroupe souvent les fonctions capteurconditionneur sous un même terme de capteur ou transducteur. Application d’une FORCE 1ère Capteur (ou transducteur) TENSION Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 13/113 2.4. La sortie du capteur (1) Définition : La sortie du capteur est noté Y, y ou S. La principale fonction du capteur est de quantifier le mesurande, cette traduction est généralement réalisée par l'existence d'une relation mathématique liant la sortie et l’entrée du capteur. Mesurande X On cherche un lien entre: Avec : X Y Capteur (ou transducteur) Que l’on peut mettre sous la forme de Sortie Y X X 0 X Y Y0 Y Y f ( X ) , Y g ( X ) , X0 et Y0 valeur de X et Y à “l’équilibreˮ Nota 1 : Si la réponse est linéaire alors y = k.x et Δy = h.Δx ou f(X) = g(X) 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 14/113 2.4. La sortie du capteur (2) On peut distinguer plusieurs type de sorties : Sortie Analogique X Sortie Tout Ou Rien (TOR) 17mA 5V Sortie Numérique 00010111 Seuil 0V 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 15/113 2.4. La sortie du capteur (3) Nota 1 : Dans de nombreuses applications, le capteur donne une réponse nulle S = S0 =0 pour une valeur particulière m = m0 du mesurande (équilibre) et présente une sortie non nulle pour les variations du mesurande par rapport à cette valeur d'équilibre : ΔY = f(Δx) Exemple : Capteur de pression relative : S = 0 pour P = Patmosphérique Nota 2 : On recherchera le plus souvent une relation linéaire de la forme S = k.m (Y = k.X) ou ΔS = k.Δm. 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 16/113 2.4. La sortie du capteur (4) Nota 3 : Les grandeurs influentes sont toujours prises en compte dans le processus de mesure : Le mesurande est bruité Les caractéristiques métrologiques du capteur sont modifiées La sortie est alors fonction du mesurande et de ces grandeurs perturbatrices (bruit). S = f(m) + g(bruit, métrologie) Il est donc nécessaire : de préciser les conditions de mesures de vérifier périodiquement les caractéristiques métrologiques du capteur en réalisant des calibrations régulières ou des étalonnages certifiés 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 17/113 2.5. Les perturbations (1) Définition : Les perturbations sont des grandeurs qui peuvent : se superposer au mesurande (grandeurs interférentes ou bruit) modifier les caractéristiques métrologiques du capteur (grandeurs modifiantes) Ces deux processus peuvent s'additionner. Mesurande X Grandeurs interférentes (Bruit) 1ère Capteur Sortie Y Grandeurs modifiantes (Pressions, températures, rayonnement, ...) Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 18/113 2.5. Les perturbations (2) Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force Principe : L'application d'une force ΔF se traduit par une variation de résistance ΔRc de la jauge, cette variation de résistance est traduite en variation de tension ΔUc par l'intermédiaire du conditionneur. Application d’une FORCE Capteur (ou transducteur) ΔF TENSION ΔUc Hypothèse : Rc f F 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 19/113 2.5. Les perturbations (3) Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force R0 U0 Relation entre Uc et U0 : Rc Uc Uc F On veut 1 Uc U0 2 Rc U0 (Rc R0 ) pour ΔF=0 (pas de sollicitations) : Rc 1 Rc R0 (Rc R0 ) 2 Hypothèse (lorsqu’une force ΔF est appliquée) : 1ère Rc R0 Rc Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 20/113 2.5. Les perturbations (4) Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force R0 U0 Dérivée de Uc par rapport à Rc : dU c (Rc R0 ) Rc R0 U U0 0 2 2 dRc (Rc R0 ) Rc R0 Rc Uc Que l’on peut écrire : F dUc R0 U0 2 dRc 2R0 Rc Si l’on prend R0 telle que R0 >> ΔRcMAX, alors on peut simplifier l’équation de la dérivée, dU c R0 1 U U0 0 dRc 4R02 4R0 qui peut être écrit sous la forme : 1ère Uc U0 Rc 4R0 Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 21/113 2.5. Les perturbations (5) Exemple : Capteur résistif : Jauge de contrainte ou capteur de force R0 Grandeurs modifiantes U0 Rc Uc La stabilité de l'alimentation de tension U0 ainsi que l’effet de la température sur R0 interviennent ici comme grandeurs modifiantes, F La température conditionne la valeur de Rc, elle agit ici comme grandeur interférente U0 = g(T) et R0 = h(T) Uc 1ère Grandeurs Interférentes (bruit) U0 Rc 4R0 Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES ΔRc = f(T) Année 2011/2012 22/113 3.1. Le microphone à condensateur (1) Le microphone à condensateur ou sonomètre est principalement dédié à l’instrumentaion. Il détecte une pression acoustique p(t) qui se superpose à la pression atmosphérique P0. Le sonomètre traduit ensuite cette pression p(t) en une tension électrique v(t). P0 + p(t) 1ère v(t) Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 23/113 3.1. Le microphone à condensateur (2) 1. Le capteur : un transducteur pression / capacité Principe : Le capteur est constitué de deux armatures métalliques de surface S, séparées par une distance e et avec l'armature avant mobile. Une variation de pression Δp se traduit par l'application d'une force F sur l'armature métallique mobile du capteur modifiant la distance inter armature e. Cette variation sur e entraîne une modification de la capacité C inter-électrode. Surfaces S e C P0 + p(t) Variation de la position de l’armature mobile 1ère S e P0 v(t) Tension mesurée en sortie Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 24/113 3.1. Le microphone à condensateur (3) 2. Le mesurande μ Le mesurande correspond à la surpression p(t) générée par la source sonore. P Po + p(t) P0 t 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 25/113 3.1. Le microphone à condensateur (4) 3. Le corps d’épreuve Le corps d’épreuve du microphone est une membrane ou diaphragme métallique très léger et mobile d'épaisseur voisine de 10 µm. Membrane (≈ 10μm) 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 26/113 3.1. Le microphone à condensateur (5) 4. Le conditionneur Le conditionnement du signal a pour objectif l'exploitation quantitative du mesurande, il est réalisé ici par : une source de polarisation externe qui délivre une tension continue au condensateur un préamplificateur qui permet d’améliorer le signal de sortie v(t) Polarisation U0 p(t) 1ère Cartouche microphone Préamplificateur Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES v(t) Année 2011/2012 27/113 3.1. Le microphone à condensateur (6) 5. Expression de la sortie et de la sensibilité du microphone Grandeurs interférentes : La principale grandeur interférente est la pression atmosphérique ( et ses variations). Pour s'affranchir des variations de ce paramètre, un orifice interne à la cartouche microphonique permet de maintenir l'égalité des pressions statiques. P0 P0 + p(t) Grandeurs modifiantes : Ce sont la tension de polarisation continue U0 et le gain de l'amplificateur. 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 28/113 3.1. Le microphone à condensateur (7) 5. Expression de la sortie et de la sensibilité du microphone Le constructeur spécifie, après étalonnage, la sensibilité absolue du microphone qui est donnée par le rapport de la tension de sortie ramené à la pression acoustique. Exemple : Microphone B&K type 4145 : N° série : 2121932 Sea = Sensibilité absolue : 46,2 mV/Pa Ser = Sensibilité relative : -26,7 dB (Re 1V/Pa) 1ère Partie : DEFINITIONS ET CARACTERISTIQUES GENERALES Année 2011/2012 29/113 Introduction Le choix d'un capteur dépend de ses spécifications métrologiques, ses applications sont elles mêmes conditionnées par le comportement ou la réponse du capteur à une entrée (mesurande) donnée. On distingue usuellement les réponses statiques et dynamiques du capteur : Dans le premier cas l'entrée ne varie pas ou varie par paliers et la grandeur de sortie est relevée lorsque tout effet transitoire a disparu. La réponse dynamique traduit le comportement transitoire temporel du capteur, elle renseigne également sur son comportement fréquentiel. 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 30/113 1. Réponse Statique : Y = f(X) (ou S = f(E)) La réponse statique est généralement obtenue après un étalonnage statique qui consiste à relever les valeurs de la sortie lorsque l'entrée considérée varie par paliers. Les autres paramètres (entrées interférentes ou modifiantes) sont maintenus constants. Elle est représentée par le tracé : Y = f(X) On peut distinguer trois comportements : Sortie Analogique X Sortie Tout Ou Rien (TOR) 5V 17mA Sortie Numérique 00010111 Seuil 0V 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 31/113 2. Etendue ou plage de Mesure : E.M. (Entrée) Les valeurs limites du mesurande qui sont acceptables en entrée du capteur constituent l'étendue de mesure. Cette spécification peut aussi s'appeler calibre . On l'exprime souvent par l'écart E.M.: E.M Xmax Xmin Xmax et Xmin sont exprimés dans l'unité de l'entrée X. Si Xmin = 0, on indique souvent l'étendue de mesure par Xmax Exemples : E.M. : (-100°C +200°C); ( 0 100 bar); (100N) 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 32/113 3. Spécification de la sortie (1) La nature du signal de sortie dépend du type de capteur utilisé, cependant on peut regrouper les familles suivantes: Capteur Passif Le signal de sortie est équivalent à une impédance. Une variation du phénomène physique étudié (mesuré) engendre une variation de l'impédance. Ce type de capteur doit être alimenté par une tension électrique pour obtenir un signal de sortie. Exemple : thermistance, photorésistance, potentiomètre, jauge d’extensométrie appelée aussi jauge de contrainte… jauge de contrainte 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 33/113 3. Spécification de la sortie (2) Capteur Actif Signal de sortie équivalent à une source de tension continue Exemple : Sortie 0-1V, + 5V, 0-200mV Signal de sortie équivalent à une source de courant continu Exemple : sortie 4-20mA Autres signaux de sortie Exemple : Tension alternative sinusoïdale, sortie impulsionnelle, sortie numérique, sortie TOR,… Calibre ou Pleine Echelle (Full Scale Output) : Valeur maximale de la sortie Exemple de capteur actif : thermocouples, capteur CCD, microphone, ... 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 34/113 4. Linéarité et erreur de linéarité (1) Capteur (ou transducteur) Mesurande X D’une manière générale, on a : X Y et Sortie Y X X 0 X Y Y0 Y avec Y f ( X ) et Y g ( X ) Définition : Si la réponse du capteur est linéaire alors on aura f(X) = g(X) Le capteur est dit linéaire si, avec : X1 On a : 2ème X X1 X 2 X aX1 Y1 et X2 Y2 Y Y1 Y2 Y aY1 avec a = cste Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 35/113 4. Linéarité et erreur de linéarité (2) Exemple : Capteur linéaire et non linéaire Y 1 Si la caractéristique Y = f(X) est tracé dans une échelle linéaire, alors on a : 2 X Capteur 1 : linéaire Capteur 2 : non linéaire Nota : La relation entrée sortie d’un capteur linéaire est donc de la forme : Y kX avec k = cste On appelle souvent capteur linéaire un capteur de caractéristique Y kX Y0 Cette dénomination est un abus de langage (voir démonstration). 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 36/113 5. Sensibilité Définition : La sensibilité (k, G ou S) du capteur est donnée par le quotient de l'accroissement de la grandeur de sortie ΔY par l'accroissement correspondant du mesurande ΔX. Y x 0 X G k S lim X X0 dY dX (en X = X0) Nota : La sensibilité d'un capteur linéaire est constante sur son étendue de mesure. Exemple : Sensibilité d’un microphone : S = 46,2 mV/Pa Sensibilité d’un thermocouple : S = qqes dizaines de μV/°C (selon leurs types) 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 37/113 6. Hystérésis Définition : Un capteur présente une hystérésis lorsque la valeur de la sortie dépend de la manière dont celle-ci a été atteinte (mesurande croissant ou décroissant) Y 2 : Mesurande décroissant Y02 1 : Mesurande croissant Y01 X X0 Exemple : mesure de température par un capteur comportant une protection en plastique comme les thermistances ou la Pt 100 surmoulée. Des résultats différents sont obtenus pour une étude par température croissante ou par température décroissante. 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 38/113 7. Résolution Définition : La résolution correspond à l'accroissement minimum de la grandeur d'entrée provoquant une modification de la grandeur de sortie. Y Y = f(X) “idéalˮ Y = f(X) “réelˮ ΔY ≠ 0 X Résolution = ΔXmin 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 39/113 8. Caractéristique de transfert Définition : La caractérisitique de transfert détermine la relation entre la l’entrée et la sortie du capteur. Dans la plupart des applications, quand cela est possible, la sortie du capteur suit une loi du type : Y = k.X + Y0 Ou k est la sensibilité du capteur et Y0 le décalage du zéro. (Y = Y0 pour X = 0) Y Y = k.X + Y0 ΔY k Y X Y0 ΔX X 0 0 2ème Etendue de mesure Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 40/113 9. Classe de précision (fidélité et justesse) (1) Pour définir cette notion nous allons considérer le cas ou l'on effectue des mesures en conditions de répétabilité qui sont les suivantes : même mesurande, même opérateur, mêmes conditions expérimentales. La valeur vraie du mesurande est Xv, les valeurs mesurées sont notées Xi et la valeur moyenne des mesures Xi est notée Xm Capteur non fidèle fidèle et juste Xm Xv 2ème Capteur fidèle non fidèle et non juste Xm Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES X Année 2011/2012 41/113 9. Classe de précision (fidélité et justesse) (2) Les constructeurs indiquent souvent la classe de précision qui permet d'estimer l’incertitude de mesure. Exemple : Capteur de force : Etendue de Mesure (Full Scale) Précision (Measurement uncertainty) 100 N 1 % E.M Incertitude-type sur la valeur affichée : Elle obéit ici à une loi uniforme (voir cours de métrologie 1ère année) u (F ) a 3 avec a = 100 * 1% = 1 N, on obtient u(F) = 0,58 N 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 42/113 10. Réponses dynamiques Capteur (ou transducteur) Mesurande x(t) Sortie y(t) On classe dans cette catégorie les réponses temporelles Y(t) et fréquentielles Y(f) du capteur. La réponse temporelle découle de la résolution de l'équation différentielle liant Y(t) à X(t) exprimée de la façon suivante : an d n y (t ) dt n an 1 d n 1y (t ) dt n 1 ............. a1 dy (t ) a0 y (t ) x(t ) dt n représente l'ordre du système (capteur) 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 43/113 11. Réponses temporelles (ordre du capteur) an d n y (t ) dt n an 1 d n 1y (t ) dt n 1 ............. a1 dy (t ) a0 y (t ) x(t ) dt La réponse temporelle caractérisée par l'ordre du système détermine les paramètres métrologiques du capteur. Exemple : capteur ordre 0 a0 y (t ) x(t ) y (t ) a1 x(t ) y (t ) k.x(t ) 0 Exemple : capteur ordre 1 a1 dy (t ) a0 y (t ) x(t ) dt dy (t ) y ( t ) k .x ( t ) dt On appelle τ, la constante de temps du capteur et on reconnaît la sensibilité k 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 44/113 12. Rapidité (temps de réponse) (1) Le temps de réponse est défini par la réponse du capteur à une variation dite en échelon de l’entrée. Cette caractéristique est liée à la constante de temps τ. Exemple : Capteur du premier ordre On peut schématiser le comportement d'un capteur du premier ordre par le circuit électrique suivant : R i(t) i(t) x(t) On a : R C y(t) avec : d’où : 2ème x(t ) Ri t y (t ) Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES i (t ) C x(t ) RC dy t dt dy t y (t ) dt Année 2011/2012 45/113 12. Rapidité (temps de réponse) (2) Exemple : Capteur du premier ordre t 0 0 Pour déterminer le temps de réponse, x(t) doit être un échelon : x (t ) X0 y(t) x(t) On a : x(t ) RC X0 dy t y (t ) dt Pour t ≥ 0, on a alors : 0,63 X0 X 0 RC à t = τ, y(t) = X0(1-e-1) = 0,63 X0 0 0 τ t tr = 2,2 τ, La faible valeur de tr caractérise un capteur rapide dy t y (t ) dt qui a pour solution : t y t X 0 1 e Définition : On appelle temps de réponse ou temps de montée du capteur la grandeur 2ème t 0 avec τ = RC Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 46/113 13. Ecart ε% Définition : L’écart représente la valeur mesurée après un temps t comparée à la valeur correspondant à t =t∞. On définit ce paramètre par la relation suivante : % y ( ) y (t ) .100 y () Il faut préciser la valeur de t choisie pour calculer ce paramètre Exemple : Capteur du premier ordre t ε% τ 27% 3τ 5% 4,6τ 1% y(t)/X0 1 0,5 0 0 2ème 1 Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES 3 t/τ Année 2011/2012 47/113 14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal (1) Définition : Dans la pratique, on obtient la réponse fréquentielle d’un capteur en assignant à l’entrée x(t) une variation sinusoïdale et en mesurant l'évolution de la réponse y(t) lorsque la fréquence de x(t) varie. Mesurande x(t) Capteur (ou transducteur) x(t ) X 0 sin(t ) X 0 sin(2. .f .t ) 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Sortie y(t) y (t ) Y0. sin(2. .f .t ) Année 2011/2012 48/113 14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal (2) Fonction de transfert : On utilise la notation complexe associée à la représentation des signaux sinusoïdaux : x(t) → X(jω) noté X et y(t) → Y(jω) noté Y (passage de x(t) à X(jω) par la transformée de Fourier) On exprime ensuite le rapport qui représente la fonction de transfert du système : Y ( j ) H ( j ) X ( j ) La réponse fréquentielle sera complètement décrite par l'évolution du module de H(jω), noté |H(jω)|, et par l'évolution de son argument, noté Arg(H(jω)) ou φ(jω), qui représente le déphasage des signaux entrée-sortie. 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 49/113 14. Réponse Fréquentielle ou réponse en régime sinusoïdal (3) Transformée de Fourier : La transformée de Fourier est une fonction qui permet de passer du domaine temporelle au domaine fréquentiel et inversement. Si on a un signal s(t), sa transformée de Fourier, notée S(ω) sera obtenu par la relation suivante : S( ) 1 2 s t e jt dt Inversement, si on a un signal S(ω), sa transformée de Fourier inverse, notée s(t) sera obtenu par la relation suivante : s(t ) 2ème 1 2 S e jt dt Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 50/113 14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (1) Rappel 1 : La réponse temporelle d’un capteur du 1er ordre est donné par la relation suivante : dy (t ) y (t ) kx(t ) dt Rappel 2 : Propriétés de la transformée de Fourier de la dérivée d’un signal temporel continu : dy (t ) TF jY ( ) dt Compte tenu des deux rappels, la reponse fréquentielle du capteur du 1er ordre peut s’écrire : jY Y kX ( ) 2ème ou jY Y k X Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 51/113 14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (2) Après réécriture de la réponse fréquentielle on obtient : Y k 1 i c X avec c 1 et k la sensibilité du capteur La fonction de transfert H ou H(jω) s’écrit alors : H Y k H j X 1 j c 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 52/113 14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (3) Notion de bande passante : Evolution du module de la fonction de transfert H en fonction de la pulsation ω. L’expression de du module de H est la suivante : H k 1 c H k 2 Bande passante 2 Avec ωc la pulsation de coupure et fc la fréquence de coupure. k ω On appelle l'intervalle [0-fc], la bande passante du capteur, par extension on appelle fc la bande passante et on la note BP ωc 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 53/113 14. Capteur 1er ordre : Bande passante / temps de montée (4) Réponse temporelle : temps de montée tm y(t) x(t) Capteur (ou transducteur) X0 0,63 X0 0 0 0 On a 0τ t c 1 donc 1 2 fc De plus, on a tm 2,2 d’où t m 2ème 2,2 2,2 0,35 2 fc 2 BP BP t BP tm 10kHz 35µs 100kHz 3,5µs 1MHz 350ns 100MHz 3,5ns Valeurs de temps de montée pour différentes valeurs de BP Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 54/113 15. Indice de protection IP (1) Cet indice normalisé caractérise le comportement du capteur vis-à-vis de l’environnement (protection du matériel) et des utilisateurs (protection des personnes) Code : IP XY X = Premier Chiffre caractéristique (immunité vis-à-vis corps solides) Y = Second Chiffre caractéristique (immunité vis-à-vis des liquides) 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 55/113 15. Indice de protection IP (2) Exemple : Capteur indice IP 67 6 : étanchéité poussière et 7 Protégé contre immersion temporaire. 2ème Partie : CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES Année 2011/2012 56/113 Introduction Rappel : Le conditionneur est l'élément de sortie du capteur qui transforme les variations du mesurande primaire ou secondaire en variations électriques exploitables (tension, courant, ….). 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 57/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (1) La réponse d’un capteur passif à la variation du mesurande ΔX se traduit comme une variation d’impédance ΔR, ΔL, ΔC. X ΔX Exemples : Capteur (ou transducteur) Z ΔZ Capteurs résistifs : jauges de contraintes, sondes température métalliques, capteurs de déplacement, Capteurs capacitifs : microphones, capteurs de déplacement, détecteurs de proximité, Capteurs inductifs : capteurs de déplacement, détecteurs de proximité, 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 58/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (2) Nota : Pour obtenir une sortie équivalente à une variation de tension ΔV ou de courant ΔI, il sera nécessaire d’ajouter un conditionneur de signal. X ΔX 3ème Capteur (ou transducteur) Partie : LES CONDITIONNEURS Z ΔZ Conditionneur V ΔV Année 2011/2012 59/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (3) Application aux capteurs résistifs : R f(X) X = X0 + ΔX ΔX R = R0 + ΔR ΔR R0 correspond à la valeur à l’équilibre (à spécifier) et ΔR à la variation consécutive à une variation du mesurande ΔX. Nota : En général, le capteur fonctionne en petite variation : ΔR << R0 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 60/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (4) 1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils Principe de mesure : une source de courant impose la valeur de l’intensité I traversant le capteur et un voltmètre mesure la tension V à ses bornes. La résistance du capteur R est donnée par : R I Rf V I On mesure la tension V suivante : V (R f R R f )I (2Rf R )I I V R Rf La résistance “mesuréeˮ Rm est donc : V Rm 2Rf R I Inconvénient : La résistance des conducteurs de liaison Rf s’ajoute à la mesure de R et en réalité ce montage mesure une résistance effective : Re = R + 2 Rf 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 61/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (5) 1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils Le montage 4 fils permet de s’affranchir des valeurs des résistances des conducteurs de liaison Rf. I Rf On mesure directement la tension V RI Rf Iv = 0 A I I R V Rf La résistance “mesuréeˮ Rm est donc : V Rm R I Rf Inconvénient : Ce montage nécessite plus de câbles que le montage 2 fils. 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 62/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (6) 1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils Le montage 3 fils est un bon compromis (nombre de câbles/résistante de liaision) mais il nécessite la mesure de deux tensions. I On mesure la tension V1 Rf I V1 (R f R R f )I (2Rf R )I On mesure la tension V2 R I V1 Iv = 0 A La différence des tensions V2 et V1 nous donne Rf Rf V2 V2 Rf I Rf V1 V2 (Rf R )I La résistance “mesuréeˮ Rm est donc : Rm 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS V1 V2 Rf R I Année 2011/2012 63/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (7) 1.1. Mesure directe 2 fils, 3 fils, 4 fils Précautions à prendre dans tout les cas : En pratique on fixe I de l’ordre de 1mA pour éviter l’auto échauffement du capteur. Exemple : 3ème Résistance PT100 (100 W /0°C) Puissance dissipée par effet Joule : P = R I2 Application numérique : P = 102 (10-3)2 = 10-4 W = 100µW Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 64/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (8) 1.2. Montage potentiométrique simple Principe de mesure : une source de tension alimente un pont diviseur de tension avec une résistance fixe R1 et une autre représentant le capteur R. R1 Le montage suivant nous permet d’écrire la variation de V : VCC V 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS RC = R V R Vcc R1 R Année 2011/2012 65/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (9) 1.2. Montage potentiométrique simple Nota : L’évolution de V en fonction de R n’est pas linéaire. V/Vcc=f(R/R1) 1,0 V R x Vcc R1 R 1 x V/VCC 0,8 0,6 0,4 Avec : x 0,2 0,0 0 5 10 15 R R1 20 R/R1 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 66/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (10) 1.2. Montage potentiométrique simple Choix de la valeur de R1 Si on fixe la valeur de la résistance R1 égale à R0, et si R=R0+ΔR on obtient : V Sensibilité du montage : k R Ro R Vcc Vcc Ro R 2Ro R dV Ro R ) R Ro Vcc Vcc 2 2 dR Ro R Ro R Nota : Si le capteur travaille en petits signaux (R0>> ΔR ), la réponse du conditionneur est linéaire k 3ème dV V cc dR R 4R0 0 Partie : LES CONDITIONNEURS Vcc V R kR 4R0 Année 2011/2012 67/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (9) 1.3. Montage potentiométrique push-pull Dans ce montage, la résistance fixe R1 est remplacée par un second capteur identique au premier mais dont la variation est opposée au premier capteur : R’ = R0 - ΔR R’ Le montage suivant nous permet d’écrire la variation de V : R0 R R V V V R R ' cc R0 R R0 R cc VCC V R R0 R V Vcc 2R0 V V V cc cc R 2 2R0 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 68/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (10) 1.3. Montage potentiométrique push-pull Ce type de montage est souvent utilisé dans le cas de jauges d’extensométrie identiques mais subissant des déformations égales en module et de sens opposés. Jauge 1 / Traction F F Jauge 2 / Compression 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 69/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (10) 1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont Le capteur constitue une branche du pont, ici R2 = R Le signal de sortie s’écrit de la façon suivante : VCC R3 R1 V VAB VA VB V A R2 = R 3ème B Avec : R2 VA Vcc R1 R2 et R4 VB Vcc R3 R4 R4 Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 70/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (11) 1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont On obtient alors : R2 R4 Vcc V VA VB R R R R 1 2 3 4 VCC R3 R1 V A R2 = R 3ème Si on considère R2 = R, alors on a : B R4 Partie : LES CONDITIONNEURS R R4 Vcc V R1 R R3 R4 Année 2011/2012 71/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (12) 1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont On parle de pont équilibré lorsque V = V0 = 0 Dans ces conditions, on a : V V0 0 R(R3 R4 ) R4 (R1 R ) 0 RR3 RR4 R1R4 RR4 Ce qui permet de fixer les valeurs de résistance puisque l’on doit avoir RR3 R1R4 Choix pratique : R1 = R2 = R4 = R0, le pont sera à l’équilibre pour la valeur au repos du capteur R = R0 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 72/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (13) 1.4. Montage en pont d’impédance : Montage quart de pont On obtient alors l’expression de V : V ( R 1 R R0 R V )Vcc Vcc Vcc cc R si ΔR << R0 R0 R 2 2(R R0 ) 2(2R0 R ) 4R0 Avantages du montage en pont : si R = R0 alors V = 0, le signe de V donne le signe du mesurande, si R > R0 , V est positif et si R < R0 alors V est négatif. 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 73/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (14) 1.4. Montage en pont d’impédance : Montage push-pull demi-pont Dans ce montage, la résistance fixe R1 est remplacée par un second capteur identique au premier mais dont la variation est opposée au premier capteur : R’ = R0 - ΔR. On a alors 2 résistances fixes R3 et R4 et 2 capteurs représentés par R et R’. On a R2 = R = R0+ΔR et R1 = R’ = R0-ΔR On a pour signal de sortie : R1 = R’ VCC R3 V A R2 = R B R4 R R4 V V VA VB R 'R R R cc 3 4 En fixant les valeurs de R4 et R3 égales à R0,on a alors : R R0 V V VA VB R 'R R R cc 0 0 R0 R R0 V soit, V 2R R 0R0 cc 0 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 74/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (15) 1.4. Montage en pont d’impédance : Montage push-pull demi-pont On obtient alors l’expression de V : R0 R 1 R 1 R0 Vcc V V Vcc R 2R cc 2 2R R R 2 2 R 0 0 0 0 0 Avantages du montage push-pull demi-pont : La composante continue de V est annulée, La variation de V avec ΔR est linéaire. 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 75/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (16) 1.4. Montage potentiométrique avec amplification du signal Ce conditionneur est utilisé notamment pour les photorésistances (R = f(Φ)) A l’entrée de l’amplificateur opérationnel, on a : V R V R R1 cc V R2 Vcc R2 R3 Or, on a : V V R R2 V Vs donc : cc R R1 R2 R3 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 76/113 1. Conditionneurs pour capteurs passifs (17) 1.4. Montage potentiométrique avec amplification du signal On obtient alors : R R3 1 Vs 2 . Vcc R R2 1 1 R Conditionneur pour LDR Pour une photorésistance la variation R = f(Φ) est de la forme R diminue si l’intensité du flux lumineux augmente Tension de sortie (V) R ae b 12 10 8 1 Vs K ( )Vcc R1 1 R 6 4 2 0 100 1 000 10 000 100 000 1 000 000 Resistance (ohm) 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 77/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (1) La réponse d’un capteur actif à la variation du mesurande ΔX se traduit par une variation de tension : ΔV, de courant : ΔI ou de charge électrique ΔQ. X ΔX Exemples : Capteur (ou transducteur) V ΔV Variation de tension : sondes température thermocouple, Variation d’intensité : photodiode,… Variation de charge : accéléromètre piézoélectrique 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 78/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (2) Nota : Pour obtenir une sortie équivalente à une variation de tension ΔV ou de courant ΔI, en théorie, il n’est pas nécessaire d’ajouter un conditionneur de signal, cependant pour des questions d’adaptation d’impédance, un conditionneur de signal est souvent nécessaire au montage. Les capteurs piézoélectriques requièrent un amplificateur de charge qui transforme la variation ΔQ en variation ΔV. 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 79/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (3) 2.1. Capteurs sources de tension Exemple : Thermocouple Schéma électrique équivalent : i A Rs Tension de sortie: vs = v –Rs I v Tension de sortie à vide : vs = v v vs Impédance de sortie : Rs B 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 80/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (4) 2.1. Capteurs sources de tension Mesure de la tension de sortie : Utilisation d’un voltmètre i A Impédance d’entrée du voltmètre : Re Rs Tension mesurée : v m v v Re vs Re v Rs Re Si Rs élevée devant Re : v m Re v v Rs B 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 81/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (5) 2.1. Capteurs sources de tension Utilisation d’un montage adaptateur d’impédance – Amplificateur suiveur Impédance d’entrée de l’AO : Ze = ∞ i+ = i- = 0 v+ = vv+ = v Tension sortie : v s v 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 82/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (6) 2.1. Capteurs sources de courant Exemple : Photodiode Schéma électrique équivalent : i A Courant de sortie: is i i is vs v Rs Courant de court circuit : Icc = I Rs Impédance de sortie : Rs B 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 83/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (7) 2.1. Capteurs sources de courant Mesure du courant de sortie : i A im i vs Rs Re Rs Courant mesuré: i m R R i s e R Si Rs faible devant Re alors i s i m R e B 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 84/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (8) 2.1. Capteurs sources de courant Utilisation d’un montage adaptateur d’impédance – transducteur I-V R1 1k LM32411 6 - Rs est court-circuitée VOUT 5 I + 4 Rs 7 S Tension sortie : v s R1i U1B V+ 0 0 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 85/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (9) 2.1. Capteurs sources de charge Exemple : accéléromètre piézoélectrique Schéma électrique équivalent : i A im Tension sortie : q vs Cs vs q Cs Ze B 3ème Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 86/113 2. Conditionneurs pour capteurs actifs (10) 2.1. Capteurs sources de charge Utilisation d’un montage adaptateur d’impédance C LM32411 6 - V- Tension sortie : OUT 5 q + 4 C3 0 3ème 7 S vs q C U2B V+ 0 Partie : LES CONDITIONNEURS Année 2011/2012 87/113 Introduction De part la pluraté des domaines d’application, de nombreux et différents types de capteurs existent. Ils font appel à de nombreux principes de la physique et permettent de traiter la plus grande majorité des entrées physiques ou chimiques. Capteurs optiques Capteurs de température Capteurs de déformation Capteurs de position et de déplacement Capteurs tachymétriques Capteurs de force / pesage / couple Capteurs de vitesse / débit / niveau de fluides Biocapteurs Capteurs d’accélération / vibration / choc Capteurs de pression de fluides Capteurs de mesure de vide Capteurs de rayonnement nucléaire Capteurs acoustiques Capteurs électrochimique 4ème Capteurs de composition gazeuse Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Capteurs d’humidité Année 2011/2012 88/113 1. Rappels : Propriétés fondamentales de la lumière (1) La lumière présente à la fois un aspect ondulatoire et un aspect corpusculaire. Sous son aspect ondulatoire, la lumière est vue comme une onde électromagnétique se propageant à la vitesse c = 299 792 458 m.s-1 dans le vide et à v = c/n dans la matière (n étant l’indice de réfraction du milieu). Cette onde est caractérisée par sa fréquence ν ou sa longueur d’onde λ. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 89/113 1. Rappels : Propriétés fondamentales de la lumière (2) Sous son aspect corpusculaire, la lumière est vue comme une particule élémentaire, appelé photon, de masse nulle et d’énergie E : E h hc h étant la constante de Planck égale à 6,6256.10-34 J.s. Cet aspect est généralement mis en évidence lors de l’intéraction de la lumière avec la matière. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 90/113 1. Rappels : Effet photoélectrique Dans la matière, les électrons liés aux atomes peuvent devenir libres si on leur apporte une énergie E supérieure à leur énergie de liaison El. L’absorption d’un photon provoquera la libération d’un électron à condition que Ephoton>El. El Ephoton > El L’effet photoélectrique entraîne une modification des propriétés électroniques du matériau et est le principe de base des capteurs optiques. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 91/113 1. Rappels : Lumière support d’information De part ses propriétés physiques, la lumière peut subir de nombreuses modifications de son rayonnement optique par un mesurande. D’où son utilisation dans de nombreux capteurs. Paramètre du rayonnement Caractère de la modification Mesurande primaire Direction de propagation Déviation Position angulaire, déformation Atténuation par absorption Epaisseur, composition chimique, densité de particules en suspension Modulation par tout ou rien Vitesse de rotation d’un disque, comptage Fréquence Changement de fréquence (effet Doppler) Vitesse de déplacement Intensité, longueur d’onde Répartition spectrale de l’énergie Température de la source Flux Phase Polarisation 4ème Déphasage entre deux rayons dû à Position, déplacement, dimension une différence de marche Rotation du plan de polarisation par biréfrengence Pression, contrainte Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 92/113 2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (1) La photorésistance (ou cellule photoconductrice) est un composant électronique dont la résistivité ρ varie en fonction de la quantité de lumière incidente. La photorésistance est parmi les capteurs optiques l’un des plus sensibles. V Rayonnement Ip (T) Surface A L 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 93/113 2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (2) Le phénomène physique à la base de son emploi (photoconduction) résulte d’un effet photoélectrique interne : libération dans le matériau de charges électriques sous l’influence de la lumière et augmentation corrélative de la conductivité (ou diminution de la résistivité). La résistance peut alors s’éxprimée de la façon suivante : R 1L 1 L A q n A avec : σ : conductivité du matériau q : charge de l’électron μ : mobilité de l’électron n : densité d’électrons présents (fonction de l’éclairement) A et L : surface et longueur de la plaque 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 94/113 2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (3) Les cellules sont réalisées à l’aide de matériaux semi-conducteurs homogènes polycristallins ou monocristallins, intrinsèques (purs) ou extrinsèques (dopés) : Matériaux polycristallins : Matériaux monocristallins : 4ème CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe; Ge et Si purs ou dopés par Au, Cu, Sb, Zn SbIn, AsIn, PIn, CdHgTe Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 95/113 2. Détecteurs optiques passifs : la photorésistance (4) De façon générale, l’intérêt des cellules photoconductrices réside dans leur rapport de transfert statique et leur sensibilité élevée d’où résulte la simplicité de certains montages d’utilisation (exemple : commande de relais, voir TD). Leur inconvénients majeurs sont les suivants : Non-linéarité de la réponse en fonction du flux, Temps de réponse en général élévé et bande passante limitée, Instabilité (vieillissement) des caractéristiques, Instabilité thermique – comme la plupart des capteurs optiques, nécéssité de refroidissement pour certains types (selon matériaux utilisés) 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 96/113 3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (1) Rappel : Semi-conducteur de type P et de type N Le dopage d’un matériau semi-conducteur augmente la densité des porteurs. Si ce dopage augmente la densité d'électrons, il s'agit d'un dopage de type N. S’il augmente celle des trous, il s'agit d'un dopage de type P. Les matériaux ainsi dopés sont appelés semi-conducteurs extrinsèques. Semi-conducteur de type N 4ème Semi-conducteur de type P Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 97/113 3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (2) Rappel : Jonction PN En l’absence de tension extérieure, le courant traversant la jonction est nul (somme de deux courants égaux et de sens contraire) : Courant de diffusion dû aux porteurs majoritaires, Courant de fuite dû aux porteurs minoritaires (créations de porteurs minoritaires aux abords de la zone de charge d’espace par agitation thermique). 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 98/113 3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (3) La photodiode est un composant basé sur la jonction d’un semi conducteur de type P et d’un semi conducteur de type N : Chaque photon absorbé par le semi-conducteur peut créer une paire électron-trous, sous l’action du champ interne, l’électron se diffuse vers la zone N et le trou vers la zone P, on a une diffusion des trous et des électrons dans des sens opposés, ces porteurs donnent naissance à un photocourant de génération. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 99/113 3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (4) Electrons Zone de type P Ephoton = h.ν Avec ν > νS Trous 4ème Zone de type N Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 100/113 3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (5) Au niveau du composant, la photodiode est composé d’un empilement de couches minces dont les épaisseurs respectives sont de l’ordre du micromètre, voire en dessous. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 101/113 3. Détecteurs optiques actifs : la photodiode (6) Le montage de base comporte une source Es polarisant la diode en inverse et une résistance Rm aux bornes de laquelle est recueilli le signal. Φ IR Es Vd VR Rm Puissance optique 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 102/113 4. Instrumentation optique : Mesure interférométrique (1) Les mesures interférométriques sont basés sur un phénomène d’interférences observées par comparaison entre un signal de référence et un signal modifié par une source extérieure. Le mesurande agit sur les conditons de la propagation du signal optique, entraînant une variation : soit de l’atténuation du flux transmis, soit de la phase ou de la polarisation du rayonnement à la sortie du guide d’onde. La modification de l’indice ou de la géométrie du guide d’onde peut être induit par différents effets : Pression, Température (variation de l’indice du matériau avec la témpérature), Déformation. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 103/113 4. Instrumentation optique : Mesure interférométrique (2) Is A 0 Ir ΔΦ Is Im Is Ir IsIm 2Ir Ir IImmcosΔΦ 1 mm Zone sensible à un paramètre externe (pression, Structure asymétrique température, …) (un des bras du MZI sert Signaux en sortie des Structure symétrique Signaux en sortie des de référence tandis que bras déphasés (bras du MZI identiques) bras en phase l’autre est utilisé comme (interférences) capteur) Réalisation Laboratoire d’Acoustique de l’Université du Maine – LAUM 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 104/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (1) Rappel : Structure d’une onde plane Polarisation rectiligne des champs E et B : le vecteur d’onde k et les vecteurs amplitude des champs Eo et Bo sont constants. Les champs vibrent dans des plans de polarisation (xOz pour E, yOz pour B) Les champs EM sont constants en tout point des plans d’onde (xOy) définis par Champ électrtique E(z,t) Champ magnétique B(z,t) k .r cste 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES direction de propagation z Année 2011/2012 105/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (2) Rappel : Dispersion d’un milieu matériel Relation de dispersion du milieu k Si ε est indépendant de la fréquence k , le milieu est non dispersif : la vitesse de propagation est indépendante de la fréquence. En réalité, seul le vide n’est pas dispersif : c 1 o o Un milieu matériel est caractérisé par un indice optique ~ c n ik n v n est appelé indice de réfraction et k coefficient d’extinction. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 106/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (3) Rappel : Intéraction onde-matière Lois de Snell-Descartes 1i Réflexion Réfraction Réflexion 1r ~ sin n ~ sin n 1 2 2 1 Lois de Fresnel Eip ~ cos( ) n~ cos( ) n 1 1 2 r~p 2 n~2 cos(1 ) n~1 cos(2 ) 2 Rp r~p n~1 cos(1 ) n~2 cos(2 ) ~ rs ~ cos( ) n~1 cos(1 ) n 2 2 2 Rs r~s 4ème Réfraction Esi 1 1 Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Epr Esr 2 Année 2011/2012 107/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (4) Principe de la mesure Ellipsométrie - Diagnostic optique dont la profondeur d’analyse est de l’ordre de 1/(αd). - On sonde donc des épaisseurs variables en fonction de d avec une grande sensiblité. de la monocouche à qques 10 μm Objectif - Remonter à la réponse optique ε d’un matériau, généralement à partir d’un modèle optique et à son épaisseur - Décrire des structures complexes : multicouches, mileux effectifs, interfaces, rugosités. - Décrire la cinétique d’un procédé en temps réel : dépôt ou gravure … 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 108/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (5) i Ep Eis r Ep Φ1 Φ1 Φ2 r Es t Ep t Es ρ rp rs Décomposition de l’onde optique selon les vecteurs Ep et Es (respectivement parallèle (p) et perpendiculaire (s) au plan d’incidence) Ondes réfléchie (Er) et transmise (Et) reliées à l’onde incidente par les coefficients complexes de Fresnel (rp et rs pour la réflexion, tp et ts pour la transmission) tan ψ e jΔ Quantité mesurée par ellipsométrie 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 109/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (6) Schéma de principe d’un ellipsomètre Source de lumière Synchro Détection Analyse de la Polarisation Polarisation Modulation Interaction Echantillon 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 110/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (7) Caractéristique des éléments optiques de l’ellipsomètre Source - Lampe Xénon 125 Watt (plasma) - Durée de vie de 1000 à 1500h Polariseur/Analyseur - Type Glan taux d’extinction de 10-5 - Grande précision (10-2 degré) due à l’absence d’éléments tournants Détecteur - Photomultiplicateur pour l’UV Visible - Photodiode InGaAs pour le proche IR 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 111/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (8) Intensité détectée Détecteur Source A M P Echantillon p s Champ électrique détecté Ed P RP M M R(M ) S RA AEi Intensité détectée Id Ed 2 I0 Is sin (t ) Ic cos (t ) A partir du traitement du signal sur le détecteur, il est possible de remonter à Δ et ψ à partir de l’expression de δ(t) 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 112/113 4. Instrumentation optique : Mesure d’indice par ellipsométrie (9) Traitement des données : Echantillon analysé Couche 1 (n1, k1, e1) Couche N-1 (nN-1, kN-1, eN-1) Couche N (nN, kN, eN) Substrat (ns, ks) Comment à partir de ψ et de Δ, remonter aux paramètres des différentes couches? Nécessité d’utilisé des modèles de dispersion qui lient n et k et les modélisent en fonction de la longueur d’onde. 4ème Partie : CAPTEURS ET INSTRUMENTATIONS OPTIQUES Année 2011/2012 113/113
