2eme Année Ingénieur 2019-2020 Cours de Capteurs industriels Maher CHARFI Département de Génie Electrique - ENSIT Maher Charfi - ENSIT 1 Sommaire 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. Objectif et pré requis Introduction générale Généralités sur les capteurs a) Chaîne de mesure b) Terminologie c) Grandeurs à mesurer d) Principes physiques … Caractéristiques générales et métrologiques des capteurs Conditionneurs Capteurs et transmetteurs Capteurs de température Capteurs de position et de déplacement Capteurs de déformation et de force Capteurs de pression 2 1. Objectif et pré requis a. Objectif: Comprendre le principe de fonctionnement des principaux types de capteurs. Pouvoir lire une fiche descriptive et identifier les paramètres d’un capteur industriel. Analyser un problème et pouvoir choisir le capteur adéquat pour les applications industrielles. Étudier et concevoir une chaîne de mesure. b. Pré requis: De bonne connaissances en : Électronique analogique et numérique. Fonctions électroniques. Physique des matériaux. 3 2. Introduction générale Le capteur (sensor) Domaines d’utilisation des capteurs • Contrôle de production • Automobile • Sécurité • Médical (domaine du micro capteur) • Domotique • …. Diversité des besoins → Une très grande diversité des produits 4 3. Généralités sur les capteurs a) Chaîne de mesure: Le rôle d’une chaîne de mesure est de recueillir les informations nécessaires à la connaissance de l’état d’un système et de délivrer ces informations sous une forme appropriée à leur exploitation. L'état d'un système est caractérisé par des grandeurs physiques ou chimiques appelées mesurandes. 5 3. Généralités sur les capteurs b) Terminologie: Métrologie : c’est la science de la mesure. La métrologie englobe tous les aspects aussi bien théoriques que pratiques se rapportant aux mesurages. Mesurage : ensemble d'opérations ayant pour but de déterminer une valeur d'une grandeur. Mesurande : grandeur soumise au mesurage Corps d’épreuve : C'est un dispositif qui transforme le mesurande étudié (primaire) en une autre grandeur physique non électrique appelée mesurande secondaire. Exemple : Ressort pour la mesure d’une force. Force (mesurande primaire) ->déplacement (mesurande secondaire). 6 3. Généralités sur les capteurs Capteur : est un dispositif qui transforme une grandeur physique en une grandeur électrique. Le signal de sortie du capteur n'est pas directement utilisable comme signal d'entrée dans une boucle de mesure ou de régulation. Les capteurs sont les interfaces entre le "monde physique" et le "monde électrique ". Conditionneur : est un appareil de mesure dont l'entrée est issue d'un capteur et dont la sortie est un signal conforme à un standard analogique (0,2-1 bar ou 4-20 mA) ou numérique, directement utilisable dans une boucle de mesure ou de régulation. Transducteur : Du point de vue de l'utilisation, on regroupe souvent les fonctions capteur-conditionneur sous un même terme de capteur ou transducteur. Traitement du signal : ensemble d’opérations qui sont appliquées à un signal pour permettre d’obtenir les informations pertinentes. 7 3. Généralités sur les capteurs c) Grandeurs à mesurer: Mécanique : déplacement, force, masse, débit …etc. Thermique : température, capacité thermique, flux thermique …etc. Electrique : courant, tension, charge, impédance, diélectrique …etc. Magnétique : champ magnétique, perméabilité, moment magnétique …etc. Radiatif : lumière visible, rayons X, micro-ondes …etc. (Bio)Chimique : humidité, gaz, sucre, hormone, PH …etc. 8 3. Généralités sur les capteurs d) Analogie entre grandeur thermiques et électriques : Tableau 3.1 : Analogie entre les grandeurs thermiques et électriques Quantités thermique Paramètre Quantités électrique Unité Paramètre Unité ∆T Echauffement K° V Tension V Q Flux thermique W I Courant A Rth Résistance thermique K/W R Résistance Ω Cth Capacité thermique J/K C Capacité F Ƭth Constante de temps S Ƭ Constante de temps S 9 3. Généralités sur les capteurs e) Principes physiques Thermoélectricité : c’est l’effet Seebeck qui est utilisé. Un thermocouple est un circuit constitué de deux conducteurs de nature chimique différente et dont les jonctions sont à des températures différentes T1 et T2. Il apparaît aux bornes de ce circuit une tension e (force électromotrice) liée à la différence de température (T1-T2). La détermination d’une température inconnue est possible à partir de la mesure de e lorsque la température T2 est connue. Les conducteurs doivent être de bons conducteurs électriques et de mauvais conducteurs de chaleur pour garder cette différence de chaleur. 10 3. Généralités sur les capteurs Pyroélectricité : certains cristaux présentent une polarisation électrique proportionnelle à leur température. Ainsi, en absorbant un flux de rayonnement, le cristal pyroélectrique va s’échauffer et ainsi sa polarisation va se modifier entraînant une variation de tension détectable. 11 3. Généralités sur les capteurs Piézoélectricité : l’application d’une force sur ce type de matériau engendre l’apparition de charges électriques égales et de signes contraires sur les faces opposées, crées par la déformation du matériau. La mesure de force peut s’effectuer à partir de la tension lue aux bornes d’un condensateur. C’est un phénomène réversible. 12 3. Généralités sur les capteurs Induction : Si un conducteur se déplace dans un champ d’induction fixe, il est le siège d’une f.e.m. proportionnelle au flux coupé par unité de temps. La mesure d’une f.e.m. d’induction permet la détermination de la vitesse de déplacement générant celle-ci. 13 3. Généralités sur les capteurs Photoélectricité : sous l’influence d’un rayonnement lumineux, le matériau libère des charges électriques (paires électron-trou) et celles-ci en fonction du rayonnement engendre un courant électrique. 14 3. Généralités sur les capteurs Effet Hall : un semi-conducteur de type parallélépipède rectangle, placé dans une induction B et parcouru par un courant I, voit l’apparition, dans la direction perpendiculaire au courant et à l’induction, d’une différence de potentiel qui a pour expression : KH est fonction du matériau, et ϴ est l’angle entre I et B. 15 4. Caractéristiques générales des capteurs Capteurs actifs : Dans ce cas, la sortie du capteur est équivalente à un générateur. C’est un dipôle actif qui peut être du type courant, tension ou charge. Les principes physiques mis en jeu sont présentés ci-dessous. Mesurande Température Flux optique Effet utilisé Thermoélectricité (thermocouple) Photoémission Grandeur de Sortie Tension Courent, Charge Force, Pression, accélération. Piézoélectricité Charge Position Vitesse Tension Tension Effet Hall Induction électromagnétique 16 4. Caractéristiques générales des capteurs Capteurs passifs : le capteur se comporte en sortie comme un dipôle passif qui peut être résistif capacitif ou inductif. Mesurande Grandeur de Sortie Température Très basse température Résistivité Cte diélectrique Flux optique Déformation Position Résistivité Résistivité Perméabilité Résistivité Humidité Résistivité Matériaux Platine, nickel, cuivre, semi-conducteurs Verre Semi-conducteurs Alliages nickel Alliages ferromagnétiques Magnétorésistances : Bismuth, antimoine d’indium Chlorure de lithium 17 4. Caractéristiques générales des capteurs Etendue de mesure (measurement range) : L’étendue de mesure, encore appelée parfois intervalle de mesure représente quant à elle le module de la différence entre les Portées Limites Supérieure, soit PLS (URL : Upper Range Limit) et Inférieure soit PLI (LRL : Lower Range Limit) de l’échelle. C’est un des premiers réglages auquel est confronté le métrologue. Zone nominale (nominal zone) : elle garantie un fonctionnement correcte du capteur sans modification de ses caractéristiques. Zone de non détérioration: limite sans dans la quelle les caractéristiques du capteur sont modifiées d’une manière réversible. Zone de non destruction: elle définie les limites garantissant la non destruction du capteur mais les caractéristiques du capteur peuvent changer d’une manière irréversible. Dans ce cas il faut refaire le 18 calibrage du capteur. 4. Caractéristiques générales des capteurs Résolution : Elle correspond à la plus petite variation du mesurande que le capteur est susceptible de déceler. Lorsque l'appareil de mesure est un appareil numérique, on définit la résolution par la formule suivante : résolution étenduede la mesure nombre de po int de mesure Environnement de mesure: Ce terme regroupe l'ensemble des grandeurs physiques ou chimiques dont l'influence sur les éléments de la chaîne est susceptible d'en modifier les performances. Ex: températures, vibrations, perturbations électromagnétiques. 19 4. Caractéristiques générales des capteurs Grandeur d’influence: Grandeurs parasites auxquelles peut être sensible la réponse du capteur. Solutions: Minimiser les influences Protéger le capteur Stabiliser les grandeurs d’influence à une valeur connue. Compenser l’influence des grandeurs parasites. 20 4. Caractéristiques générales des capteurs Sensibilité: Elle détermine l’évolution de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d’entrée en un point donné. C’est la pente de la tangente à la courbe issue de la caractéristique du capteur. d grandeur de mesure S d mesurande po int considéré Classe de précision : Classe d’un appareil de mesure correspond à la valeur en % du rapport entre la plus grande erreur possible sur l'étendue de mesure. plus grande erreur possible classe 100 étendue de mesure 21 4. Caractéristiques générales des capteurs Finesse : C’est la qualité d’un capteur à ne pas venir modifier par sa présence la grandeur à mesurer. Cela permet d’évaluer l’influence du capteur sur la mesure. On la définit non seulement vis à vis du capteur mais aussi vis à vis de l’environnement d’utilisation du capteur. 22 4. Caractéristiques générales des capteurs Temps de réponse à ɛ : c’est la duré minimale d’attente, après l’application d’un échelon à l’entrée, pour que l’écart relatif de la sortie par rapport à sa valeur finale demeure toujours inférieure à ɛ. Il existe le temps de réponse à la monté et le temps de réponse à la descente. Pour ɛ=10%. 23 4. Caractéristiques générales des capteurs Caractéristiques dynamiques Bande passante: À 3 dB par exemple, c’est la bande de fréquence dans la quelle l’amplitude du signal de sortie sera conforme aux spécifications du constructeur. 24 4. Caractéristiques générales des capteurs Mesure et « précision » Étalonnage: L'étalonnage vise à donner la correspondance entre la valeur lue (en général, une différence de potentiel) et le mesurande (par exemple, une déformation). Nous nous intéresserons ici aux étalonnages expérimentaux, très souvent rendu nécessaires du fait de la complexité à modéliser une chaîne d'acquisition complète, et du nombre de grandeurs à connaître si la modélisation est réalisée. Cet étalonnage peut être réalisé au niveau du capteur ou de la chaîne de mesure complète. Avant étalonnage, il est important d'identifier les grandeurs d'influence et d'en tenir compte dans le cadre d'un étalonnage multi-variables, ou plus simplement de réaliser l'étalonnage dans les conditions d'usage du capteur. En particulier, le temps est un paramètre primordial, la sensibilité d'un capteur étant souvent lié à sa fréquence d'excitation. 25 4. Caractéristiques générales des capteurs La Figure ci-dessous montre un exemple d’étalonnage. On observe sur ce graphique plusieurs éléments importants. Tout d'abord, les points de mesure paraissent « raisonnablement dispersés ». Pour quantifier cette dispersion, il est nécessaire de se donner une courbe de référence (courbe d'étalonnage), obtenue par lissage des valeurs précédentes. Cette opération s'effectue correctement si la forme fonction de lissage choisie est correcte (droite, polynôme…, passage par zéro…). Un défaut de forme dans la fonction de lissage entraîne automatiquement une erreur systématique sur les valeurs mesurées ultérieures. L'écart moyen entre les points et la courbe devient alors une dispersion au sens de la mesure. Enfin, la pente en tout point de la courbe d'étalonnage correspond à la sensibilité du système de mesure. 26 4. Caractéristiques générales des capteurs courbe d'étalonnage y = 0,7713x2 - 0,1596x + 0,2491 R² = 0,9901 Valeurs mesurées K(x1)=(dy/dx) x=x1 Poly. (Valeurs mesurées) x1 27 4. Caractéristiques générales des capteurs Erreurs: Si on dispose de N mesures pour un mesurande on définie : La valeur moyenne (mean value) : La variance (variance) : m 1 N Var 1 N 1 L’écart type (standard deviation) : N m i i 1 m m N 2 i i 1 Var 28 4. Caractéristiques générales des capteurs Erreurs: Fidélité : aptitude d'un instrument de mesure à donner des indications très voisines lors de l'application répétée du même mesurande dans les mêmes conditions de mesure. (Var faible) Justesse : aptitude d'un instrument de mesure à donner des indications exemptes d'erreur systématique (la valeur moyenne est proche de la valeur vraie). Précision : aptitude d’un instrument de mesure à donner une indication très proche de la valeur vraie de la grandeur. Un appareil précis est à la fois fidèle et juste. Fidélité Justesse Précision 29 4. Caractéristiques générales des capteurs Ecart de linéarité: C’est l’écart maximal entre la courbe caractéristique réelle et la caractéristique linéarisée (droite) du capteur. Elle est exprimée en pourcentage de l’étendue de mesure. La droite des moindres carrés. sortie a entrée b a 1 N N x y xy 1 N i i i 1 N xi2 x 2 xy x2 i 1 b y ax max elinéarisé y x ylinéarisé x 100 ymax 30 4. Caractéristiques générales des capteurs Erreurs: Hystérésis Certains capteurs ne retournent pas la même valeur de sortie, pour une même valeur du mesurande, selon la façon où cette valeur est obtenue (cycle croissant ou décroissant). L'hystérésis est la différence maximale entre ces deux valeurs de sortie. Unité : Unité du mesurande ou % de l'E.M. max hyst e y % bas en haut yhaut en bas ymax Grandeur de sortie 100 Mesurande 31 5. Conditionneurs Conditionneur: son rôle est de rendre exploitable la mesure issue du capteur. On effectue une adaptation de la source du signal à la chaîne de mesure, suivant le type du capteur. Capteurs à sortie analogiques. Capteurs à sortie numériques. Capteurs à sortie TOR (tout ou rien). Capteurs actifs. Capteurs passifs. 32 5. Conditionneurs Capteurs actifs: Capteur source de tension: Exemple de capteur actif : thermocouples, capteur CCD, microphone, ... Ils se comportent comme une source de Tension: Z e(t) - Z Zc + Vm e(t) Vm Vm Utilisation d’un ampli Op Modèle du capteur source de tension R1 Z + Z + e(t) Vm Ad e(t) R2 Zc Vm(1+R1/R2) Zc Vm - AdVm Utilisation d’un ampli différentiel (d’instrumentation) 33 5. Conditionneurs Capteur source de courant: it Z im Zc Z si Z c Z alors im it vm R it im - i(t) Z im Zc i(t) Modèle d’un capteur source de Courant R + Z Vm Convertisseur courant-tension 34 5. Conditionneurs Capteur source de charge: Le capteur en tant que générateur présente une impédance interne capacitive. C’est le cas d’un cristal piézo-électrique. Il faut faire attention dans le cas où l’on vient brancher une impédance équivalente résistive à ses bornes. Cette résistance peut engendrer une décharge trop rapide de la capacité empêchant toute mesure. Cr + Zc c - q(t) Vm=q(t) + + cp Modèle d’un capteur source de charge - q(t) C cp Vm=-q(t)/Cr Amplificateur de charge 35 5. Conditionneurs Capteurs passifs: Ils se comportent comme une impédance. Exemple : thermistance, photorésistance, potentiomètre, jauge d’extensiométrie appelée aussi jauge de contrainte. Montage potentiométrique: Résistance: On utilise un simple pont diviseur alimenté par une source de tension continue Ve. En négligent Rs et en supposons Rc très grande. Rm vm E vm et Rm ne sont pas proportionnelles . R R 1 m Appareil de mesure R1 Rs Rm Rm R1 Rm Rm0 Rm E Vm Si Rm Rc vm E vm vm0 vm R1Rm R1 Rm0 2 Sensibilit é max Rm0 R1 vm E Rm 4R1 36 5. Conditionneurs Cas d’une alimentation en courant: Si on néglige l’impédance interne de la source. vm I e Rm is Rm vm Impédance complexe: On utilise un simple pont diviseur alimenté par une source de tension sinusoïdale e(t). R1 Si Pour une source de courant : R1 Z m vm et Z m R1 is (t) Zm vm e(t) Zm Vm vm ie t Z m 37
