Capteurs
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GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs mercredi 7 février 2001 Philippe Mabilleau ing. 2 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Types de capteurs • Capteurs de position • Capteurs de force • Capteurs de température Philippe Mabilleau ing. 3 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs de position • Ces capteurs traduisent la position d'un objet – sur un axe de rotation – sur un axe linéaire • Position angulaire • Position linéaire Philippe Mabilleau ing. 4 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs de position absolue • Position donnée par rapport à une référence 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 Philippe Mabilleau ing. 5 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs de position relative • Mesure du déplacement par rapport aux positions antérieures • Référence absolue non disponible • Grandeur mesurée – vitesse – accélération – déplacement par comptage Philippe Mabilleau ing. 6 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Technologie des capteurs • Capteurs analogiques – position absolue • Capteurs numériques – position absolue et relative – déplacements Philippe Mabilleau ing. 7 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs analogiques • La position est mesurée à l'aide d'une grandeur analogique – potentiométriques (résistance) – capacitifs et inductifs – de niveau (liquide) Philippe Mabilleau ing. 8 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs numériques • Position ou déplacement • Directement encodé sous forme numérique • Capteurs mécaniques • Capteurs optiques Philippe Mabilleau ing. 9 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs potentiométriques • Bonne précision si démultipliés • Valeur analogique généralement convertie en tension • Coût élevé • Résistance au déplacement non négligeable • Bruit de contact potentiel entre le curseur et la piste Philippe Mabilleau ing. 10 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs potentiométriques • • • • • Linéaire ou angulaire Simple ou multitours Position absolue Valeur angulaire limitée en amplitude Utilisation de potentiomètres avec deux pistes sans fin de course • Conversion linéaire de la résistance en tension pour être présentée à un convertisseur analogique à numérique Philippe Mabilleau ing. 11 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Potentiomètres sans fin R1 angle R1 R2 Philippe Mabilleau ing. R2 angle 12 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Conversion de la résistance 0- 1 K -15V R R (−10 v) V=− 1kΩ 1K -10 V 0- 10 V + Philippe Mabilleau ing. 13 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs capacitifs • Exploitation de la variation de capacité d'un condensateur • Pour un condensateur plan A C = Kε 0 d avec ε0 = 8.85 pF/m – Variation de la distance d – Variation de l'aire A – Variation de la constante diélectrique K Philippe Mabilleau ing. 14 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs inductifs • Variation de l'inductance ou de l'inductance mutuelle • LVDT So u r c e a c • linear variable differential transformer • L'amplitude de la tension différentielle de sortie varie linéairement avec la position du noyau • La phase de cette même tension change au passage au centre L1 L3 Philippe Mabilleau ing. L2 So r t i e 15 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Utilisation d'un LVDT LVDT D R S our c e a c C D R Philippe Mabilleau ing. So r t i e d c 16 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Utilisation d'un LVDT Détecteur phase LVDT Oscillateur Philippe Mabilleau ing. Filtre et red. 17 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Caractéristiques des LVDT • • • • Course linéaire de ±1 mm à ±25 cm Linéarité typique de ±0.25% Transfert statique en mV/mm Caractéristiques dynamiques fonctions de l'électronique d'interface Philippe Mabilleau ing. 18 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs 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 Philippe Mabilleau ing. 19 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs numériques • À encodage directe – code Gray • Par comptage – déplacements relatifs – codage incrémental – détection du sens de déplacement Philippe Mabilleau ing. 20 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Code Gray • Le code Gray est un code à distance minimale qui permet d'éviter les états intermédiaires erronés • Un seul bit change d ’une position à l'autre • Il peut être utilisé avec des capteurs optiques ou à balais mécaniques, pour des positions angulaires ou linéaires Philippe Mabilleau ing. 21 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Code Gray 4 bits Philippe Mabilleau ing. 22 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Capteurs mécaniques à balais • Lecture numérique simple • Usure élevée, sensible à l'environnement • Utilisation d'interrupteurs magnétiques et d'un compteur – « compte-tours » • Dispositifs de pointage Philippe Mabilleau ing. 23 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs 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) Philippe Mabilleau ing. 24 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Codeur incrémental • Détection du mouvement relatif et de sa direction • Linéaire ou angulaire • Règle imprimée • Roue dentée • Surface striée Capteur 1 Capteur 2 n+1/2 demi-périodes Philippe Mabilleau ing. 25 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Sens du déplacement X Y P XS Philippe Mabilleau ing. 26 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Détecteur X D Q D Q C C P D Q Y D Q D Q C C X- C S CLK Philippe Mabilleau ing. 27 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Détecteur simplifié X D Q S C Y X Y=P S Philippe Mabilleau ing. P 28 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Mesures de forces • La mesure des forces ou contraintes est très utilisée car elle permet la mesure indirecte des pressions, débits, accélération et poids • La mesure des contraintes utilise la relation qui existe entre contrainte et déformation Philippe Mabilleau ing. 29 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Différents types de contraintes A • Étirement • Compression • La contrainte est exprimée en N/m2 • La déformation est exprimée en m/m ou en µm/m Philippe Mabilleau ing. ∆l F F l A ∆l F F l F A ∆l Déformation = l Contrainte = 30 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Torsion F Torsion = A ∆x F A l ∆x Déformation = l Philippe Mabilleau ing. F 31 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Contrainte et déformation Déformation Rupture Saturation Contrainte F A E= = Déformatio n ∆l l Zone de déformation élastique E module d'élasticité d'Young en N/m2 Philippe Mabilleau ing. Contrainte 32 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Jauge de contrainte • Une jauge de contrainte est un dispositif conducteur dont la résistance va varier suite à sa déformation sous une contrainte • Sous l'effet de la contrainte la longueur de la jauge va augmenter et sa section va diminuer; ce qui va modifier sa résistance l0 R0 = ρ Philippe Mabilleau ing. A0 33 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Variation de la résistance l 0 A 0 = (l 0 + ∆l )( A0 − ∆A) l 0 + ∆l R=ρ A0 − ∆A l0 ∆l R = ρ 1 + 2 A0 l0 • Exemple: – R0 = 120 Ω – contrainte de 1000 µm/m – ∆R = 0.24 Ω Philippe Mabilleau ing. 34 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Construction Substrat isolant Direction sensible Direction non-sensible Pad d'interconnexion Philippe Mabilleau ing. Conducteur 35 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Jauges métalliques • La relation entre la contrainte et la variation de résistance d'une jauge permet de définir son coefficient ∆R R GF = ∆l l • Pour les jauges métalliques usuelles GF est voisin de 2; il peut aller jusqu'à 10 pour certains alliages ou le carbone Philippe Mabilleau ing. 36 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Résistance d ’une jauge • La valeur nominale de la résistance d'une jauge (en l'absence de contrainte) peut être de 60, 120, 240, 350, 500 ou 1000 Ω; la valeur la plus commune est 120 Ω Philippe Mabilleau ing. 37 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Utilisation d'une jauge • Un pont est utilisé pour mesurer la variation de résistance • Une jauge inactive est utilisée dans la seconde branche du pont pour compenser les effets des variations de température RA Det + Vs Philippe Mabilleau ing. D F RD F 38 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Variations au détecteur ∆R 1 R =R + R A RD RA ∆ V = VS − RD + R1 RA + R2 ∆R ∆l VS R V S ∆R VS ∆V = − ≈− = − GF ∆R l 4 1+ 4 R 4 R Philippe Mabilleau ing. 39 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Jauges à semi-conducteur • Construites à partir de semiconducteurs (généralement le silicium) • Coefficients beaucoup plus élevés que les jauges métalliques • du à l'effet de la contrainte sur la mobilité des porteurs 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) Philippe Mabilleau ing. 40 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs 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 Philippe Mabilleau ing. 41 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Manomètres • Différents types – à diaphragme et LVDT (type Bourdon) – à semi-conducteur (jauges de contrainte) – jauge Pirani (dissipation thermique d ’un filament, faible pression) – Jauge à ionisation (faibles pressions) • Débitmètres – manomètre différentiel Philippe Mabilleau ing. 42 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs 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 Philippe Mabilleau ing. 43 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Résistance métallique • Résistivité des métaux croissante avec la température • Résistance métallique croissante avec la température • Variation non linéaire • approximation par une variation linéaire sur une plage limitée R(T ) = R (T0 )(1 + α 0 ∆T ) • par une variation quadratique sur une plage R(T ) = R (T0 )(1 + α 1 ∆T + α 2 ( ∆T )2 ) plus large Philippe Mabilleau ing. 44 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Exemples de variations Philippe Mabilleau ing. 45 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Détecteur à résistance (RTD) - + + Philippe Mabilleau ing. Vs Utilisation d ’un pont avec lignes de compensation Li gne s de c om pe ns a t i o n 46 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Thermistor • Résistance à semi-conducteur • Diminue avec la température d ’une façon 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 Philippe Mabilleau ing. 47 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Résistance d ’un thermistor Philippe Mabilleau ing. 48 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Facteur de dissipation • Dissipation de puissance par le courant traversant la résistance de mesure – élévation de température • Réduction l ’incidence du phénomène sur la mesure – limitation du courant dans la résistance – prise en compte de l'erreur de lecture due au réchauffement Philippe Mabilleau ing. 49 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Prise en compte • Facteur de dissipation • Spécifications des RTD et des thermistors – facteur de dissipation, PD (en W/ºC) , qui est la puissance requise pour augmenter la température du composant de 1 ºC P ∆T = PD Philippe Mabilleau ing. • P = puissance dissipée dans la résistance pour la mesure • ∆T = élévation de la température résultante 50 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Effet thermo-électrique • Force électromotrice résultant de la différence de température entre 2 jonctions 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 des jonctions de référence Philippe Mabilleau ing. 51 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Thermocouple métal A TR métal A T1 Force électromotrice T2 métal C TM métal B métal C TR métal B Philippe Mabilleau ing. 52 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Utilisation d ’un thermocouple • Plage des températures qui peuvent être mesurées très vaste – plage de 500 à 1500 °C – depuis -200 °C jusqu'à 1482 °C • Dépend de la nature des jonctions métalliques – jonctions métalliques standards Philippe Mabilleau ing. 53 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Types standards de jonctions Type Matériaux J Fer-constantan T Cuivre-constantan -200 à 371 C K Chromel-alumel -190 à 1260 oC E Chromel-constantan -100 à 1260 C S 90% platine + 10% rhodium-platine 87% platine + 13% rhodium-platine 0 à 1482 oC R Philippe Mabilleau ing. Plage de températures -190 à 760 oC o o 0 à 1482 oC 54 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Exemples de variations Philippe Mabilleau ing. 55 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Autres capteurs • Bilames métalliques • détection d'un seuil de température • Thermomètres à gaz ou à pression de vapeur 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 pour thermocouple Philippe Mabilleau ing. 56 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Exemple d ’application • Plage de température à mesurer de 500 à 600 °F avec une résolution de ±1 °F • La plage de températures est de 260 à 315.6 °C • Un thermocouple de type J (fer-constantan) est utilisé avec une jonction de référence à 25 °C ±0.5 °C • Les tables donnent pour un thermocouple de type J – à 260 °C, V T25 = 12.84 mV – à 315.6 °C, VT25 = 15.90 mV Philippe Mabilleau ing. 57 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Conditionnement du signal • La tension VADC présentée au convertisseur varie de 0 à 5 V • La tension de sortie du thermocouple est considérée linéaire sur la plage utilisée • Le circuit de conditionnement doit réaliser la conversion suivante: VADC = m VT25 + V0 • Les paramètres m et V0 peuvent être déterminés à l'aide des équations suivantes: 0 = m (0.01284) + V0 5 = m (0.01590) + V0 • Ce qui fait: m = 1634 et V0 = -21 V Philippe Mabilleau ing. 58 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Calcul du circuit • Un gain de 1634 risque d'être source d'instabilités si réalisé avec un seul étage • Un amplificateur différentiel avec un gain de -100 va être utilisé comme premier étage suivi d'un sommateur V1 = -100 VT25 VADC = 16.34 V1 - 21 VADC = 16.34 (V1 - 1.29) Philippe Mabilleau ing. 59 GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs Circuit de conditionnement 1K 2.88K +5V 1K 100K 163.4K TREF Fer - T 10K Constantan 1K + + Philippe Mabilleau ing. Va d c
