Le rôle du capteur dans les systèmes de mesure
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MECA2755 Automatisation Industrielle Le rôle du capteur dans les systèmes de mesure H. BUYSE 2004 - Université catholique de Louvain Le rôle du capteur dans les systèmes de mesure Grandeur Physique Signal capteur nature Traitement de signal processus actionneur Energie 2 2004 - Université catholique de Louvain Influence des progrès de l ’électronique Le capteur ou transducteur de mesure est un dispositif destiné à modifier le support physique d'informations. On s'intéressera particulièrement aux capteurs convertissant une grandeur physique quelconque en grandeur électrique. Les progrès de l'électronique ⇒ évolution considérable dans l'acquisition et le traitement de mesures ainsi que dans les dispositifs de commande et de contrôle. Dispositifs semiconducteurs discrets, puis circuits intégrés à l'échelle d'intégration croissante ⇒ généralisation de l'électronique suivant des techniques analogiques et des méthodes digitales (ensembles logiques câblés ou programmés). Microprocesseur, microcontrôleurs ou processeurs de signaux ont révolutionné les possibilités de traitement décentralisé de l'information. L'utilisation de ces méthodes pour la mesure ou la régulation d'une grandeur physique quelconque implique une transformation de cette dernière en grandeur électrique (tension, courant, impédance) 3 2004 - Université catholique de Louvain Transmission de signaux électriques Transmission par conducteurs Ligne bifilaire de conducteurs côte à côte Ligne torsadée (paire téléphonique) Ligne coaxiale Ligne torsadée blindée Transmission par rayonnement électromagnétique Transmission à grande distance (onde porteuse à haute fréquence modulée) Transmission à courte distance (capteurs sur pièces mobiles, applications médicales) Transmission par fibres optiques Fibres à saut d ’indice Fibres à gradient d ’indice 4 2004 - Université catholique de Louvain Le capteur dans la chaîne de mesure Amplification Modulation Conv. A ⇒ D Emission Affichage Démodulation Conv. D ⇒ A Détection La grandeur à mesurer, g, appartenant au milieu M est convertie en grandeur électrique f par le capteur. Cette grandeur subit un premier traitement, après quoi elle est transmise, un second traitement lui est ensuite appliqué pour mise en forme finale. 5 2004 - Université catholique de Louvain Capteurs actifs II Les capteurs actifs produisent un signal de sortie électrique par conversion de l'énergie fournie par la grandeur d'entrée ou ses variations. Ce type de capteur peut se schématiser sous forme d'un quadripôle hybride possédant un accès "physique" et un accès électrique Malgré leur caractère actif, ces capteurs sont souvent associés à des amplificateurs électroniques, la puissance prélevée à la mesure, affectée du rendement de conversion, étant en général insuffisante pour assurer le fonctionnement de la chaîne de mesure. Exemples : 6 Capteurs thermoélectriques Capteurs piézoélectriques Capteurs électrodynamiques Capteurs photovoltaïques... 2004 - Université catholique de Louvain Capteurs actifs II Le thermocouple utilise l'effet Seebeck pour la production d'une force électromotrice fonction de la différence de température entre une sonde et une jonction de référence. La sensibilité des thermocouples, exprimée sous forme de pouvoir thermoélectrique, se limite à quelques dizaines de microvolts par degré centigrade. Les capteurs piézoélectriques utilisent les propriétés de certains cristaux, de céramiques ferroélectriques ou de matériaux polymères dans lesquels apparaît une polarisation électrique sous l'effet de contraintes. Ce sont des transducteurs de force ou de pression, caractérisés par une très faible déformation et une fréquence propre élevée, ces capteurs n'ont par contre pas de réponse en régime continu. Les capteurs électrodynamiques sont des dispositifs convertisseurs d'énergie utilisant le couplage électromécanique par l'effet du champ magnétique ou du champ électrique, ce sont essentiellement des capteurs de vitesse. Les convertisseurs photovoltaïques sont des capteurs actifs transformant une grandeur lumineuse (plus précisément l'éclairement de la cellule) en courant, ils doivent être distingués des capteurs photoélectriques classiques dont le fonctionnement est tributaire d'une alimentation électrique 7 2004 - Université catholique de Louvain Capteurs passifs Une puissance électrique doit être fournie aux capteurs passifs pour assurer leur fonctionnement, soit par un accès auxiliaire, soit par l'accès de sortie électrique. Tous les transducteurs à impédance variable font partie de cette catégorie. Résistance variable Inductance variable Capacité variable 8 potentiomètre rotatif ou linéaire jauges "de contrainte" thermistances photorésistance R = R(g) L = L(g) transformateur différentiel linéaire capteurs magnétoélastiques C = C(g) 2004 - Université catholique de Louvain Capteurs à résistance variable Les potentiomètres rotatifs ou linéaires permettent de transformer en variation de résistance un déplacement angulaire ou linéaire. On distinguera les potentiomètres bobinés, dont la résolution est limitée à la résistance d'une spire et les potentiomètres à piste conductrice dont la variation de résistance est en principe continue Les jauges de contrainte permettent de transformer une microdéformation (allongement relatif de 10-6 à 10-3) en variation de résistance. Celle-ci est due non seulement aux variations dimensionnelles de la jauge mais aussi à l'influence directe des déformations sur la résistivité du matériau (effet piézorésistif). Les thermistances métalliques et notamment les thermistances Pt permettent des mesures très précises de la température tandis que les thermistances à semiconducteurs présentent une sensibilité élevée. Le rayonnement électromagnétique dans le domaine des longueurs d'ondes visibles ou proches du visible peut également modifier la valeur d'une résistance constituée de matériau semiconducteur ou photorésistance. La lumière peut aussi modifier les caractéristiques de dispositifs semiconducteurs à jonction(s) tels la photodiode ou le phototransistor. 9 2004 - Université catholique de Louvain Capteurs à réactance variable Certains transducteurs font appel aux variations d'inductance propre ou mutuelle dues au déplacement d'un noyau magnétique (transformateur différentiel linéaire, inductance à noyau plongeur), ou au mouvement relatif de circuits couplés magnétiquement (synchros ou resolvers), il s'agit de capteurs de position linéaire ou angulaire. Les variations de propriétés du matériau constituant le circuit magnétique d'une inductance ou d'une inductance mutuelle peuvent également être utilisées. Il s'agit par exemple des capteurs de force faisant appel à l'influence de la contrainte mécanique sur la perméabilité d'un matériau ferromagnétique (magnétoélasticité ou magnétostriction). Il existe également des capteurs capacitifs sous forme de condensateurs dont la capacité peut être modifiée par déplacement relatif de leurs armatures ou par changement de propriétés (permittivité, angle de pertes) du milieu diélectrique. 10 2004 - Université catholique de Louvain Structure interne d ’un capteur La sonde est un dispositif de transmission de la grandeur physique mesurée. Le corps d'épreuve est un transducteur où la grandeur physique primaire est transformée en une autre grandeur à laquelle le transducteur électrique est sensible. Le capteur peut comprendre un amplificateur de cette dernière grandeur (par exemple un amplificateur mécanique à levier). Certains capteurs contiennent une boucle de régulation interne comprenant un amplificateur d'asservissement ainsi qu'un actionneur ou effecteur transformant la grandeur électrique de sortie de l'amplificateur en grandeur physique. 11 2004 - Université catholique de Louvain Capteur de pression à balance de forces 12 2004 - Université catholique de Louvain Caractéristique d ’un capteur I La caractéristique statique d'étalonnage du capteur est la relation en régime établi entre la grandeur mesurée g et la grandeur de sortie du capteur f. Le relevé de cette caractéristique nécessite un appareil de mesure de la grandeur g plus précis que le capteur à étalonner. Lorsque cette caractéristique est une fonction continue, sa linéarité est considérée comme une qualité bien qu'une relation entrée-sortie de type logarithmique soit avantageuse pour des mesures où la grandeur d'entrée possède un large domaine de variation (exemple : mesures acoustiques). 13 2004 - Université catholique de Louvain Caractéristique d ’un capteur II La sensibilité s d'un capteur en un point P de sa caractéristique est définie comme la dérivée partielle de la grandeur de sortie par rapport à la grandeur d'entrée au point considéré. Pour un capteur à caractéristique linéaire, la sensibilité est constante. Certains capteurs ont une caractéristique discontinue, comme les capteurs digitaux mais aussi des capteurs simples comme un potentiomètre à résistance bobinée pour lequel la résistance varie de manière discontinue lorsque le déplacement angulaire du curseur le met en contact avec une nouvelle spire. Le pouvoir de résolution ou résolution du capteur est alors la plus petite variation de la grandeur d'entrée qui entraîne certainement une modification de la sortie du capteur. L'étendue de mesure d'un capteur est le domaine de variation de la grandeur mesurée dans lequel le capteur assure la conversion de cette grandeur suivant ses spécifications. Ce domaine est limité par l'apparition d'un défaut de précision ou de monotonicité de sa caractéristique ou par des phénomènes irréversibles (en ce compris la destruction du capteur). 14 2004 - Université catholique de Louvain Erreurs d ’un capteur Le défaut de linéarité est défini comme l'écart maximum entre la caractéristique réelle f = f(g) et une caractéristique linéaire idéale. L'hystérésis correspond à l'écart maximum entre les grandeurs de sortie relevées à g croissant et à g décroissant. Le décalage de zéro est la valeur de la grandeur de sortie pour une valeur nulle de g. La sensibilité aux grandeurs d'influence est définie comme la dérivée partielle de la sortie du capteur par rapport à des grandeurs qui l'affectent de manière parasite. La température est une grandeur d'influence qui affecte souvent le fonctionnement de capteurs destinés à mesurer une autre grandeur physique. Le coefficient de température du décalage de zéro indique comment cette dernière grandeur évolue en fonction de la température. De même, la température peut influencer la sensibilité du capteur au mesurande suivant un coefficient de température de la sensibilité. 15 2004 - Université catholique de Louvain Caractéristiques dynamiques d ’un capteur Réponse indicielle Réponse en fréquence 16 2004 - Université catholique de Louvain Capteur à signal de sortie modulé Modulation d ’amplitude Des capteurs fournissent une grandeur électrique de sortie sinusoïdale modulée en amplitude par la grandeur physique d'entrée. C'est le cas du transformateur différentiel utilisé comme capteur de position linéaire. 17 Modulation de fréquence Des capteurs fournissent une grandeur électrique de sortie modulée en fréquence en fonction de la grandeur d'entrée. C'est le cas des capteurs dans lesquels un organe mécanique voit sa fréquence de résonance modifée par une force ou une pression . 2004 - Université catholique de Louvain Capteurs à sortie digitale Les capteurs numériques ont comme grandeur de sortie un ensemble: sortie parallèle ou une séquence: sortie série de signaux binaires. Sortie parallèle Les capteurs numériques sont appréciés à cause de la relative insensibilité de leurs signaux de sortie visà-vis des parasites et à cause de leur compatibilité avec l'instrumentation digitale Sortie série 18 2004 - Université catholique de Louvain
