´ Abdelmalek Essaa ˆ di Universite ´ ´es Ecole Nationale des Sciences Applique ´touan de Te
´catronique Me 2e`me Ann´ ee CI
Cours de M´ etrologie, Capteurs & Acquisition des Donn´ ees Technologie des Capteurs
2011/2012
M. Sanbi
Table de mati` ere 1 Introduction 2 D´ efinitions 2.1 Mesurande . . . . . . . . . . . 2.2 Chaˆıne de mesure . . . . . . . 2.3 Types de grandeur physique . ´ ements de m´etrologie . . . . 2.4 El´ 2.5 Les types d’erreurs classiques 2.6 Classification des signaux . . .
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4 Classification des capteurs 4.1 Capteurs passifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Capteurs actifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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5 Choix d’un capteur 5.1 Les contraintes de fonctionnement . . . . . . . . . . . . 5.2 Les caract´eristiques m´etrologiques . . . . . . . . . . . . 5.2.1 L’´etendue d’´echelle, la sensibilit´e, d´ecalage de 0 5.2.2 La pr´ecision d’un capteur . . . . . . . . . . . . 5.2.3 le temps de r´eponse, la rapidit´e . . . . . . . . . 5.2.4 La finesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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6 Diff´ erentes familles de capteurs 6.1 Capteurs `a effet pi´ezo´electrique 6.1.1 Effet pi´ezo´electrique . . 6.1.2 Capteur de force . . . . 6.1.3 Capteur de pression . . . 6.1.4 Capteur d’acc´el´eration . 6.1.5 R´ecepteur a` ultrason . . 6.2 Capteurs `a effet de Hall . . . . 6.2.1 Effet de Hall . . . . . .
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´ 3 Etude des capteurs 3.1 Principe . . . . . . . . . . . . 3.2 L’´el´ement sensible du capteur 3.3 Le transducteur . . . . . . . . 3.3.1 Quelques transducteurs 3.3.2 Quelques transducteurs 3.4 La partie traitement . . . . . 3.5 Le signal ´emis . . . . . . . . .
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. . . . . . . . . . . . actifs passifs . . . . . . . .
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6.2.2 Capteur de champ magn´etique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2.3 Autres applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capteurs a` effet photo´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.1 L’effet photo´electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.2 Les photo-r´esitances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.3.3 Les photo-diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Capteurs `a r´esistance variable par d´eformation . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1 Capteurs potentiom´etriques de d´eplacement . . . . . . . . . . . 6.4.1.a Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.1.b Utilisations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2 Capteurs a` jauges d’extensom`etres . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2.a Principe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.4.2.b Fonctionnement d’une jauge simple . . . . . . . 6.4.2.c Conditionneur de signal (pont de Wheatstone) . Capteurs `a temp´erature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.1 Capteurs a` temp´erature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.2 Thermistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.3 Thermistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.5.3.a Les capteurs a` sortie I2C ( 2 fils ) DS1621 . . . 6.5.3.b Les capteurs 1 Wire ou i-button ( 1 fil ) DS1820
7 Conclusion
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Chaˆınes de mesure & ´es Acquisition des donne Partie I
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1
Introduction
Les nouvelles exigences impos´ees aux syst`emes industriels dans leur fonctionnement et dans la qualit´e de leur production, n´ecessitent une strat´egie tr`es ´elabor´ee dans la maˆıtrise de ces installations. Toute la difficult´e est de poss´eder des informations pertinentes et fiables qui permettent de g´en´erer une action correctrice efficace. Les capteurs sont ces pourvoyeurs d’information. Le d´eveloppement des capacit´es de traitement de l’information permet le contrˆole et l’automatisation de syst`emes de plus en plus complexes. Les possibilit´es de calcul des parties commandes ne semblent limit´ees que par la quantit´e et la qualit´e des donn´ees qui leur sont fournies. La premi`ere condition pour qu’un syst`eme soit gouvernable est qu’il soit observable. Ce sont, `a d´efaut d’ˆetre l’homme, les capteurs qui observent le syst`eme automatis´e. Les capteurs sont les premiers ´el´ements rencontr´es dans une chaˆıne de mesure. Ils transforment les grandeurs physiques ou chimiques d’un processus ou d’une installation en signaux ´electriques au d´epart presque toujours analogiques. Cette transformation doit ˆetre le reflet aussi parfait que possible de ces grandeurs. Cet objectif n’est atteint que si l’on maˆıtrise en permanence la r´eponse des capteurs qui peut ˆetre affect´ee par des d´efauts produits par les parasites qui se superposent au signaux, par les conditions d’utilisation, par le processus lui-mˆeme et par le milieu qui l’entoure. Nous abordons dans ce chapitre quelques-uns des principes qui permettent de mettre correctement en œuvre les capteurs. Les bases de Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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ces principes reposent sur l’´etalonnage, l’´evaluation des incertitudes, le calcul des temps de r´eponse et le conditionnement. Notre propos vise surtout a` donner au lecteur un guide assez g´en´eral, certains calculs et de nombreux probl`emes d’instrumentation ou de traitement du signal ne sont que cit´es, le lecteur trouvera dans la suite de cet ouvrage les d´eveloppements n´ecessaires. On replace donc le capteur dans le sch´ema de tout syst`eme automatis´e :
Au fur et `a mesure que les parties commandes ont augment´e leur puissance de calcul et n´ecessit´e un flux d’informations de plus en plus grand, les capteurs se sont diversifi´es, se sont perfectionn´es, se sont miniaturis´es. Ils sont devenus tr`es fiables, au point qu’on en oublie leur existence et leur importance dans la chaˆıne de l’information. Dans le milieu industriel, le mot capteur est souvent r´eserv´e a` des appareils compacts. Pour des appareils plus encombrants on parlera de transmetteurs, ou pour des appareils sp´ecialis´es dans des mesures physico-chimiques, on parlera d’analyseurs industriels. On peut classer les capteurs en deux grandes familles en fonction de la nature de l’information ´emise : - les capteurs TOR: ce sont des capteurs ´emettant un signal binaire 0 ou 1 (vrai ou faux) en fonction de la position de la valeur de la grandeur mesur´ee par rapport a` une consigne. Ils sont utilis´es dans les automatismes s´equentiels. - les capteurs analogiques ou continus: ces capteurs ´emettent un signal analogique ou num´erique. Une fonction g´en´eralement lin´eaire lie le signal ´emit `a la grandeur mesur´ee.
2 2.1
D´ efinitions Mesurande
C’est la grandeur physique que l’on souhaite connaˆıtre.
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2.2
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Chaˆıne de mesure
Pour obtenir une image d’une grandeur physique, on fait appel a` une chaˆıne de mesure qui peut faire intervenir plusieurs ph´enom`enes diff´erents. Par exemple, la mesure d’un d´ebit peut se faire en plusieurs ´etapes : - transformation du d´ebit en une pression diff´erentielle, - transformation de la pression diff´erentielle en la d´eformation m´ecanique d’une membrane, - transformation de la d´eformation m´ecanique en une grandeur ´electrique (`a l’aide d’un pi´ezo´electrique) via un circuit ´electronique associ´e. L’ensemble de ces ´etapes constitue la chaˆıne de mesure.
Figure 1: Constitution d’une chaˆıne de mesure classique. De mani`ere classique la sortie d’une chaˆıne de mesure est du type ´electrique. Si la chaˆıne de mesure fait intervenir plusieurs transducteurs, on appelle corps d’´epreuve celui en contact direct avec le mesurande. Le dernier transducteur est associ´e a` un conditionneur qui fournit la grandeur ´electrique de sortie de mani`ere exploitable. Le choix de ce conditionneur est une ´etape importante dans le cadre de la chaˆıne de mesure car, associ´e au capteur, il d´etermine la nature finale du signal ´electrique et va influencer les performances de la mesure. La structure de base d’une chaˆıne de mesure comprend au minimum quatre ´etages : • Un capteur sensible aux variations d’une grandeur physique et qui, `a partir de ces variations, d´elivre un signal ´electrique. • Un conditionneur de signal dont le rˆole principal est l’amplification du signal d´elivr´e par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l’unit´e de num´erisation; cet ´etage peut parfois int´egrer un filtre qui r´eduit les perturbations pr´esentes sur le signal. • Une unit´e de num´erisation qui va ´echantillonner le signal a` intervalles r´eguliers et affecter un nombre (image de la tension) a` chaque point d’´echantillonnage. • L’unit´e de traitement informatique peut exploiter les mesures qui sont maintenant une suite de nombres (enregistrement, affichage de courbes, traitements Math´ematiques, transmissions des donn´ees ...).
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De nos jours, compte tenu des possibilit´es offertes par l’´electronique et l’informatique, les capteurs d´elivrent un signal ´electrique et la quasi-totalit´e des chaˆınes de mesure sont des chaˆınes ´electroniques et informatiques. Certains capteurs, par exemple le thermom`etre DALLAS DS1621, d´elivrent directement un mot binaire, image de la temp´erature, en leur sortie. Ils int`egrent, dans un seul boˆıtier (DIL 08) le capteur + le circuit de mise en forme + le CAN.
2.3
Types de grandeur physique
On peut classer les grandeurs physiques en 6 familles, chaque capteur s’associant a` l’une de ces 6 familles : • M´ ecanique : d´eplacement, force, masse, d´ebit etc... • Thermique : temp´erature, capacit´e thermique, flux thermique etc... ´ • Electrique : courant, tension, charge, imp´edance, di´electrique etc... • Magn´ etique : champ magn´etique, perm´eabilit´e, moment magn´etique etc... • Radiatif : lumi`ere visible, rayons X, micro-ondes etc... • Bio-chimique : humidit´e, gaz, sucre, hormone etc...
2.4
´ ements de m´ El´ etrologie
Le mesurage : C’est l’ensemble des op´erations ayant pour but de d´eterminer une valeur d’une grandeur.
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La mesure (x) : C’est l’´evaluation d’une grandeur par comparaison avec une autre grandeur de mˆeme nature prise pour unit´e. Exemple : 2 m`etres, 400 grammes, 6 secondes. La grandeur (X) : Param`etre qui doit ˆetre contrˆol´e lors de l’´elaboration d’un produit ou de son transfert. Exemple : pression, temp´erature, niveau. On effectue des mesures pour connaˆıtre la valeur instantan´ee et l’´evolution de certaines grandeurs. Renseignements sur l’´etat et l’´evolution d’un ph´enom`ene physique, chimique, industriel. L’incertitude (dx) : Le r´esultat de la mesure x d’une grandeur X n’est pas compl`etement d´efini par un seul nombre. Il faut au moins la caract´eriser par un couple (x, dx) et une unit´e de mesure. dx est l’incertitude sur x. Les incertitudes proviennent des diff´erentes erreurs li´ees a` la mesure. Ainsi, on a : x-dx < X < x+dx Exemple : 3 cm ±10%, ou 3 cm ± 3 mm. Erreur absolue (e) : R´esultat d’un mesurage moins la valeur vraie du mesurande. Une erreur absolue s’exprime dans l’unit´e de la mesure. e=x-X Exemple : Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance. Erreur relative (er ) : Rapport de l’erreur de mesure `a une valeur vraie de mesurande. Une erreur relative s’exprime g´en´eralement en pourcentage de la grandeur mesur´ee. er = e/X ; er% = 100 er Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la distance r´eelle).
2.5
Les types d’erreurs classiques
2.6
Classification des signaux
Un signal est dit analogique si l’amplitude de la grandeur physique le repr´esentant peut prendre une infinit´e de valeurs dans un intervalle donn´e. • Signal continu : C’est un signal qui varie ’lentement’ dans le temps : temp´erature, d´ebit, niveau. Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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• Forme : C’est la forme de ce signal qui est importante : pression cardiaque, chromatographie, impact. • Fr´ equentiel : C’est le spectre fr´equentiel qui transporte l’information d´esir´ee : analyse vocale, sonar, spectrographie. Un signal est dit num´erique si l’amplitude de la grandeur physique le repr´esentant ne peut prendre qu’un nombre fini de valeurs. En g´en´eral ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. • Tout ou rien (TOR) : Il informe sur l’´etat bivalent d’un syst`eme. Exemple : une vanne ouverte ou ferm´ee. • Train d’impulsion : Chaque impulsion est l’image d’un changement d’´etat. Exemple : un codeur incr´emental donne un nombre fini et connu d’impulsion par tour.
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´ • Echantillonnage : C’est l’image num´erique d’un signal analogique. Exemple : temp´erature, d´ebit, niveau, son (pression)...
´ Etude des capteurs
3 3.1
Principe
Tout capteur assure plusieurs fonctions : - il dimensionne la grandeur a` mesurer : c’est sa fonction principale. Un capteur est d’abord un appareil de mesure. - il convertit la mesure en un signal qui peut ˆetre exploit´e par la technologie du moment. Ce fut tout d’abord le pneumatique, puis l’´electronique analogique et maintenant l’´electronique num´erique. - il ´emet un signal standard image de la grandeur `a mesurer. Le principe g´en´eral d’un capteur peut-ˆetre repr´esent´e par le sch´ema fonctionnel suivant:
3.2
L’´ el´ ement sensible du capteur
La plupart du temps la grandeur `a mesurer n’est pas convertible directement en un signal ´electrique exploitable. L’´el´ement de mesure ou ´el´ement sensible convertit la grandeur `a mesurer Gm en une grandeur interm´ediaire Gi facilement traduisible en signal ´electrique. La loi qui lie la grandeur interm´ediaire `a la grandeur `a mesurer doit ˆetre parfaitement connue. Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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C’est l’´el´ement qui va permettre sous l’effet du mesurande d’en d´elivrer une image exploitable (signal ´electrique par exemple). On parle aussi de transducteur, la grandeur physique d’entr´ee (le mesurande) ´etant transform´ee en une autre grandeur physique de sortie ou en un signal ´electrique. G´en´eralement, on obtient une grandeur de sortie du type ´electrique. Elle peut ˆetre soit : - une charge, - une tension, - un courant,
Figure 2: Principe d’un capteur.
- une imp´edance ( R, L, C). La grandeur interm´ediaire est souvent une d´eformation ou une force. Exemple : mesure de la pression : Cet ´el´ement caract´erise le capteur. Le concepteur d’un
capteur doit chercher le principe physique, physico-chimique (ou autre) qui permet, `a partir de la grandeur a` mesurer, d’obtenir une grandeur que l’on sait exploiter.
3.3
Le transducteur
Il assure la conversion de la grandeur interm´ediaire en une grandeur ´electrique, g´en´eralement une tension ou une fr´equence. Le transducteur, ou encore appel´e capteur primaire, peut se comporter: - comme un g´en´erateur, il s’agit d’un capteur actif, Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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- comme une imp´edance, on parlera de capteur passif. Il est alors associ´e a` un circuit ´electrique permettant de mesurer cette imp´edance. 3.3.1
Quelques transducteurs actifs
Certaines grandeurs a` mesurer, ou grandeurs interm´ediaires peuvent ˆetre traduites directement en signal ´electrique. Ces transducteurs utilisent un principe physique convertissant directement la forme d’´energie de la grandeur a` mesurer ou interm´ediaire en ´energie ´electrique. Les principes les plus utilis´es sont : - l’effet thermo´electrique pour la mesure de temp´erature par thermocouple; - l’effet pi´ezo´electrique utilis´e sur les capteurs utilisant les ultrasons : mesure de niveau, de d´ebit. - l’effet photo´electrique : largement utilis´e sur les capteurs `a principe optique; - l’induction ´electro-magn´etisme : les dynamos tachym´etriques - l’effet Hall : mesure d’un d´eplacement. 3.3.2
Quelques transducteurs passifs
Les variations de la grandeur `a mesurer ou de la grandeur interm´ediaire modifient un ou plusieurs param`etres d’une r´esistance, d’une capacit´e ou d’une inductance. . variation de r´ esistance Ce peut-ˆetre dˆ u `a une d´eformation d’un fil calibr´e : les jauges de contraintes. Ce principe est largement utilis´e chaque fois qu’il est possible de convertir la grandeur a` mesurer en une force. On applique cette force sur un corps aux caract´eristiques m´ecaniques parfaitement connues: c’est le corps d’´epreuve. Les d´eformations du corps d’´epreuve sont d´etect´ees par la variation de r´esistance des jauges de contraintes qui lui sont associ´ees. Mesure de pression, de masse, de densit´e, de viscosit´e, de d´ebit... Ce peut-ˆetre le fait d’une modification de temp´erature agissant sur l’ensemble des param`etres de la r´esistance (sonde de temp´erature Pt100). Les r´esistances variables sont largement utilis´ees sur les analyseurs industriels, les capteurs physico-chimiques, les d´ebitm`etres... . variation de capacit´ e Elle peut-ˆetre due `a une modification des caract´eristiques du di´electrique d’un condensateur : utilis´ee dans la mesure de niveau. Elle peut provenir d’un d´eplacement des armatures d’un condensateur associ´e a` l’´el´ement de mesure : mesure de pression.
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. variation inductance Le d´eplacement de l’´el´ement sensible modifie la position du noyau ferromagn´etique d’une bobine. Son inductance par cons´equent varie. Ces d´etecteurs sont associ´es : - a` un pont de mesure pont de Wheatstone d´es´equilibr´e pour une r´esistance variable pont d’imp´edance pour une capacit´e ou une inductance variable - a` un oscillateur dont la fr´equence est fix´ee par la r´esonance d’un circuit RLC. Le d´etecteur est un condensateur variable ou une inductance variable, ces variations entraˆınent une modification de la fr´equence de l’oscillateur.
3.4
La partie traitement
Le signal ´emis par le transducteur est de faible puissance, il peut difficilement ˆetre transf´er´e tel quel. Si on connaˆıt la fonction de transfert liant le signal du transducteur a` la grandeur a` mesurer, celle-ci est rarement lin´eaire, elle est sensible a` des grandeurs perturbatrices appel´ees grandeurs d’influence (g´en´eralement la temp´erature de l’ensemble ´el´ement sensibletransducteur). Le signal ´emis par le capteur doit varier lin´eairement avec la grandeur `a mesurer. Des circuits ´electroniques amplifient, lin´earisent et corrigent le signal du transducteur. Avec les microprocesseurs et microcontrˆoleurs, on peut envisager tout traitement n´ecessaire pour obtenir les performances du capteur pr´evues par le cahier des charges. La strat´egie actuelle est de convertir le plus tˆot possible le signal ´electrique du transducteur en un signal num´erique et d’effectuer le maximum de traitement par programme. La structure de la partie traitement des capteurs num´eriques peut ˆetre repr´esent´ee par le sch´ema :
L’utilisation de microprocesseurs a permis de donner de nouvelles fonctionnalit´es au capteur qui est devenu ”intelligent”. Il est capable de faire :
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- de l’auto-contrˆole, de l’auto-diagnostic par surveillance du capteur et traitement statistique, - de l’auto-calibrage pour pr´evenir les d´erives et maintenir les performances, - de communiquer num´eriquement sur la ligne de transmission analogique.
3.5
Le signal ´ emis
Le signal ´emis est en g´en´eral, un signal analogique en courant (4 - 20mA) ou en tension (1-5volts). L’alimentation en ´energie ´electrique du capteur est faite par la ligne de communication. Les signaux num´eriques sont en plein d´eveloppement, le capteur ´etant de plus en plus souvent reli´e a` un r´eseau de terrain. Le d´eveloppement de ces r´eseaux a ´et´e frein´e par trois probl`emes qui se solutionnent progressivement : • l’alimentation en ´energie de toute une batterie de capteurs mont´es sur une seule ligne de communication, • la quantit´e d’informations a` transmettre dans des d´elais raisonnables compatibles avec la commande des proc´ed´es, • la fermeture des protocoles de communications : chaque constructeur prot´egeait son mat´eriel pour garder un monopole sur son r´eseau.
4
Classification des capteurs
On classifie les capteurs en deux grandes familles en fonction de la caract´eristique ´electrique de la grandeur de sortie. Cette classification influe sur le conditionneur qui lui est associ´e.
4.1
Capteurs passifs
Le capteur se comporte en sortie comme un dipˆole passif qui peut ˆetre r´esistif, capacitif ou inductif. Le tableau ci-dessous r´esume, en fonction du mesurande, les effets utilis´es pour r´ealiser la mesure.
4.2
Capteurs actifs
Dans ce cas, la sortie du capteur est ´equivalente `a un g´en´erateur. C’est un dipˆole actif qui peut ˆetre du type courant, tension ou charge. Les principes physiques mis en jeu sont pr´esent´es ci-dessous.
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Choix d’un capteur
On est conduit a` se documenter sur les caract´eristiques d’un capteur quand il faut faire un choix. Il est ´evident que la nature de la grandeur `a mesurer limite l’´eventail des capteurs utilisables. Une autre ´evidence est le prix du capteur qui sera un ´el´ement souvent d´eterminant (les prix vont de quelques centaines de francs a` plusieurs dizaines de milliers de francs). Les crit`eres d´eterminants vont ˆetre les contraintes de fonctionnement impos´ees par le syst`eme sur lequel on fera la mesure et les caract´eristiques m´etrologiques impos´ees par le cahier des charges de la mesure.
5.1
Les contraintes de fonctionnement
Le capteur choisit doit fonctionner en permanence et pendant une longue p´eriode sans n´ecessiter une maintenance importante, dans l’environnement du syst`eme `a contrˆoler. Il peut ˆetre mis au contact de fluide corrosif. Il sera peut-ˆetre soumis `a des pressions, a` des temp´eratures extrˆemes, a` des vibrations. Il pourra subir une ambiance peu favorable : forte humidit´e, risque d’explosion... L’utilisateur qui doit faire une mesure sur un syst`eme, doit non seulement choisir un capteur adapt´e au probl`eme pos´e, mais il doit se pr´eoccuper de tous les probl`emes li´es a` l’installation de cet appareil, de sa fiabilit´e dans le temps, de la maintenance. Il n’est pas possible d’approfondir ces questions ici, chaque type de capteur est un cas particulier, chaque syst`eme a ses propres contraintes. Le constructeur donne les diff´erentes Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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limites d’utilisation de son appareil.
5.2
Les caract´ eristiques m´ etrologiques
C’est un des aspects les plus importants des capteurs, sur lequel l’utilisateur n’est pas toujours suffisamment sensibilis´e. Ces caract´eristiques m´etrologiques sont celles d’un appareil de mesure. 5.2.1
L’´ etendue d’´ echelle, la sensibilit´ e, d´ ecalage de 0
Ces crit`eres sont li´es au calibrage du capteur. L’´etendue d’´echelle est la diff´erence entre les valeurs minimale et maximale de la grandeur mesur´ee quand la sortie du capteur passe de 0% `a 100% de sa valeur maxima. Elle peut-ˆetre r´eglable ou fixe. Si elle est r´eglable, il faut choisir un appareil que l’on pourra r´egler aux valeurs donn´ees par le cahier des charges. Le constructeur donne les ´echelles minima et maxima. La sortie du capteur a` 0%, ne correspond pas forc´ement a` une valeur 0 de la grandeur mesur´ee, c’est ce qu’on appelle le d´ecalage de 0. La sensibilit´e d’un appareil de mesure est d´efinie autour d’une valeur m de la grandeur ∆s ∆s : variation de la sortie ; ∆m : variation de la mesure mesur´ee par le rapport: S = ∆m Un capteur est th´eoriquement lin´eaire, S est d´etermin´e par l’´etendue d’´echelle. Exemple: capteur de temp´erature:
5.2.2
La pr´ ecision d’un capteur
La pr´ecision d’un capteur caract´erise la qualit´e de la mesure effectu´ee par l’appareil. L’erreur de pr´ecision d´elimite l’intervalle autour de la valeur mesur´ee dans lequel on a de fortes chances de trouver la valeur vraie de la grandeur mesur´ee. Exemple: erreur de pr´ecision de ±1% sur l’´etendue de mesure d’un manom`etre (´etendue de mesure: 0 100kPa) valeur lue: 30kPa intervalle de pr´ecision: [29 31] L’impr´ecision est due `a deux types d’erreurs: - les erreurs syst´ematiques sont toujours pr´esentes et constantes `a chaque op´eration de mesurage. Elles peuvent ˆetre corrig´ees par un r´eglage du capteur,
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- les erreurs al´eatoires sont impr´evisibles et apparaissent al´eatoirement. Elles sont minimis´ees par une correction de l’action des grandeurs d’influence. Le constructeur d´efinit la pr´ecision de son capteur, c’est une caract´eristique importante souvent li´ee au prix du capteur. 5.2.3
le temps de r´ eponse, la rapidit´ e
Ce crit`ere permet d’appr´ecier les performances dynamiques du capteur. Celui-ci se comporte comme un filtre passe bas. Le temps de r´eponse Tr (ε%) permet de qualifier la rapidit´e du capteur. Tr est compos´e d’un temps de retard a` la mont´ee q et d’un temps de mont´ee Tm. C’est un ´el´ement important `a prendre en compte lorsque l’on doit mesurer une grandeur
ayant des vitesses de variation tr`es rapides. Le temps de r´eponse d’un capteur install´e d´epend aussi des accessoires de l’installation, de la situation du point de mesure.... Exemple: sonde de temp´erature mont´ee dans un doigt de gant Le temps de r´eponse du point de mesure est d´etermin´e par le capteur, mais aussi par le doigt de gant, la situation du point de mesure (si la sonde est situ´ee dans un point mort sans mouvement du fluide dont on veut mesurer la temp´erature). 5.2.4
La finesse
Le capteur pr´el`eve une certaine quantit´e d’´energie (ou en fournit) au syst`eme sur lequel on fait la mesure. La finesse est une sp´ecification qui permet d’´evaluer l’influence du capteur sur la grandeur `a mesurer. Elle d´epend non seulement du capteur mais aussi du syst`eme sur lequel on fait la mesure. Exemple : une sonde de temp´erature Pt100 est travers´ee par un courant entraˆınant une dissipation d’´energie qui peut provoquer un ´echauffement du milieu sur lequel on fait la mesure.
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6 6.1 6.1.1
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Diff´ erentes familles de capteurs Capteurs ` a effet pi´ ezo´ electrique Effet pi´ ezo´ electrique
Une force appliqu´ee a` une lame de quartz induit une d´eformation qui donne naissance `a une tension ´electrique.
6.1.2
Capteur de force
La tension VS de sortie sera proportionnelle `a la force F : VS = k.(F+F) = 2k.F avec k constante.
6.1.3
Capteur de pression
D´efinition : Lorsqu’un corps (gaz, liquide ou solide ) exerce une force F sur une paroi S (surface); on peut d´efinir la pression P exerc´ee par ce corps avec la relation cidessous On
rappelle que 1 kg = 9,81 N. Unit´es : 1 bar = 105 Pa = 100 000 N / m2 ' 10 000 kg / m2 ' 1 kg / cm2.
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Le capteur de force est ins´er´e dans la paroi d’une enceinte o` u r`egne une pression P. Une face du capteur est soumise a` la force F (pression P) et l’autre face est soumise a` la force F0 (pression ext´erieure P0 ).
Il s’agit ici d’un capteur de pression qui mesure la somme de la pression ext´erieure P0 et de la pression de l’enceinte P. 6.1.4
Capteur d’acc´ el´ eration
6.1.5
R´ ecepteur ` a ultrason
La r´eception d’un son engendre une variation de pression a` la surface du r´ecepteur. Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore. Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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6.2 6.2.1
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Capteurs ` a effet de Hall Effet de Hall
Un barreau de semi-conducteur soumis a` un champ magn´etique uniforme B et travers´e par un courant I, est le si`ege d’une force ´electromotrice sur deux de ses faces.
La tension de Hall UH est d´efinie par la relation ci-dessous :
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au champ I magn´etique B : UH = k.B avec k constante ´egale a` R.H. . e 6.2.2
Capteur de champ magn´ etique
La structure typique d’un capteur de champ magn´etique est la suivante :
La sensibilit´e de ce capteur pourra ˆetre ajust´ee en agissant sur I et sur A. Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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6.2.3
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Autres applications
I Capteur de proximit´ e:
I Mesure de l’intensit´e d’un courant ´electrique sans ”ouvrir ” le circuit
Le courant I cr´ee un champ magn´etique proportionnel a` ce courant : B =
µ 1 . . 2π r
Le capteur donne une tension US = k.B = k 0 .I avec k et k’ constantes. C’est le principe des pinces amp`erem´etriques (mesure de forts courants de 1000A et plus). Avantages : plus de d´et´erioration des amp`erem`etres ”classiques”; pas de danger car le fil reste isol´e (pas besoin d’ouvrir le circuit); rapidit´e d’intervention.
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6.3 6.3.1
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Capteurs ` a effet photo´ electrique L’effet photo´ electrique
Un semi-conducteur est un mat´eriau pauvre en porteurs de charges ´electriques (isolant). Lorsqu’un photon d’´energie suffisante excite un atome du mat´eriau, celui-ci lib`ere plus facilement un ´electron qui participera a` la conduction. 6.3.2
Les photo-r´ esitances
6.3.3
Les photo-diodes
Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut ˆetre soumise a` un ´eclairement lumineux.
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6.4
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Capteurs ` a r´ esistance variable par d´ eformation
6.4.1 6.4.1.a
Capteurs potentiom´ etriques de d´ eplacement Principe
Pour mesurer la position d’un objet, il suffit de le relier m´ecaniquement au curseur C d’un potentiom`etre (sch´ema ci-dessous). Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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On applique une tension continue E entre les extr´emit´es A et B du potentiom`etre. La tension U en sortie aura l’expression suivante : U = E.
xR = x.E R
La tension U en sortie est donc proportionnelle a` la position x du curseur. I Avantages : - simplicit´e d’utilisation longueur l, - faible coˆ ut. I Inconv´ enient : - usure m´ecanique (utilisation d´econseill´ee dans les asservissements tr`es dynamiques). 6.4.1.b
Utilisations
# Mesures de d´eplacements rectilignes (potentiom`etre rectiligne)., # Mesures d’angles de rotations (potentiom`etre rotatif mono-tour ou multi-tour)., # Mesure de d´ebit de fluide : Le d´ebit du fluide exerce une force sur un clapet reli´e au curseur d’un potentiom`etre. La tension en sortie du potentiom`etre augmente avec la vitesse d’´ecoulement.
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6.4.2 6.4.2.a
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Capteurs ` a jauges d’extensom` etres Principe
La r´esistance d’un conducteur est donn´ee par la relation : R = ρ.
l S
La d´eformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraˆınant une variation de la r´esistance R. La relation g´en´erale pour les jauges est 6.4.2.b
∆R ∆l =K o` u K est le facteur de jauge. R0 l0
Fonctionnement d’une jauge simple
# Corps au repos (pas d’allongement):
# Corps au repos (pas d’allongement):
Remarque : Dans le cas d’une contraction, la r´esistance de la jauge serait R0 -∆R. 6.4.2.c
Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)
La jauge ´etant un composant purement r´esistif, il faut l’associer a` un circuit ´electrique pour obtenir une tension image de la d´eformation. Le circuit souvent utilis´e est appel´e ”pont de Wheatstone”. Il est ici constitu´e d’un g´en´erateur de tension associ´e `a 4 r´esistances dont une
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est la jauge (sch´ema ci-dessous) : La tension de sortie v du pont a l’expression suivante :
En g´en´eral, la variation ∆R est petite devant R0 ; la relation se simplifie alors pour devenir ∆R v '= E . 4R0 Remarque : On peut am´eliorer la sensibilit´e et la lin´earit´e du dispositif en utilisant un pont a` 2 r´esistances et 2 jauges sym´etriques R0 + ∆R et R0 - ∆R. Il est mˆeme possible d’utiliser un pont a` 4 jauges sym´etriques pour avoir une parfaite lin´earit´e.
6.5 6.5.1
Capteurs ` a temp´ erature Capteurs ` a temp´ erature
On constate que si la temp´erature T2 est diff´erente de T1 alors il apparaˆıt une tension U aux bornes des deux fils soumis a` la temp´erature T1. Le ph´enom`ene inverse est aussi vrai : si Cours (Partie I ) Technologie des Capteurs
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on applique une tension, alors il y aura un ´echauffement ou un refroidissement au point de liaison des deux conducteurs ( modules a` effet Peltier ). Application : Mesure des hautes temp´eratures ( 900 → 1300◦ C ). 6.5.2
Thermistance
Une thermistance est un composant dont la r´esistance varie en fonction de la temp´erature. En premi`ere approximation, la relation entre r´esistance et temp´erature est la suivante :
6.5.3
Thermistance
On trouve actuellement sur le march´e, des capteurs de temp´erature a` sortie num´erique directe de type s´erie. Il s’agit notamment des capteurs DALLAS qui sont class´es en deux cat´egories : 6.5.3.a
Les capteurs ` a sortie I2C ( 2 fils ) DS1621
Ce capteur DS1621 peut mesurer une temp´erature variant de -55◦ C `a 125◦ C avec une pr´ecision de 0,5◦ C.
Pour transmettre la mesure ( 9 bits ), il utilise la norme I2C qui consiste a` transmettre en s´erie les bits de mesure sur la ligne SDA en synchronisation avec la ligne SCL ( horloge ).
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Le DS1621 poss`ede aussi d’autres fonctions : - Il est adressable physiquement sur 3 bits (A0, A1 et A2), ce qui permet d’en utiliser 8 sur la mˆeme ligne SDA-SCL. - Il poss`ede une fonction thermostat qui permet de commander un chauffage (temp´eratures TH et TL) par l’interm´ediaire de la ligne TOUT mˆeme lorsque le capteur est d´econnect´e du mat´eriel informatique. 6.5.3.b
Les capteurs 1 Wire ou i-button ( 1 fil ) DS1820
Ce capteur DS1820 peut mesurer une temp´erature variant de -55◦ C a` 125◦ C avec une pr´ecision maximale de 0,125◦ C. Pour transmettre la mesure ( r´esolution r´eglable de 9 a` 12 bits ), il utilise la norme i-button qui consiste `a transmettre en s´erie sur un seul fil, le r´esultat de la mesure. La ligne VD peut ˆetre connect´ee a` la masse GND et la ligne DQ supportera `a la fois l’alimentation et la transmission des donn´ees, d’o` u l’appellation 1 Wire. Il suffit donc de deux fils (DQ et GND) pour alimenter et communiquer avec ce capteur.
Le DS1621 poss`ede aussi d’autres fonctions : - Il est dot´e d’une adresse (num´ero de s´erie) affect´ee en usine et d´efinitive. Elle est cod´ee sur 8 octets ce qui permet d’utiliser, en th´eorie, un tr`es grand nombre de DS1820 sur la mˆeme ligne. - Une alarme de temp´erature peut ˆetre param´etr´ee et la consultation de celle-ci se fait par lecture d’une zone m´emoire (adresse - donn´ee).
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Conclusion
Il n’est pas rare, dans l’industrie, de rencontrer des proc´ed´es ayant des dizaines de points de mesure. L’exploitant s’en remet aux informations donn´ees par les capteurs, pour suivre l’´evolution de son proc´ed´e. Il est tr`es exigeant et remet souvent en cause la fiabilit´e des capteurs. ` mesure que les capteurs se multiplient, ils doivent ˆetre plus fiables, la confiance dans A l’information ´emise doit ˆetre de plus en plus grande. La technicit´e des capteurs fait appel a` de multiples domaines de la connaissance scientifique et technique : m´ecanique, ´electronique, informatique, m´etrologie...., ce qui fait la complexit´e du travail du technicien. Le constructeur doit en permanence suivre l’´evolution des techniques et am´eliorer les performances de ses capteurs, mettre au point de nouveaux appareils. L’utilisateur doit choisir un capteur en fonction de contraintes m´etrologiques et de fonctionnement. Il doit l’installer judicieusement pour avoir une information pertinente, il pr´evoit son entretien pour un fonctionnement sur plusieurs ann´ees. Il faudrait plusieurs centaines de pages pour cerner pr´ecis´ement la probl´ematique des capteurs. Ce petit tour d’horizon n’a pour seule ambition que de sensibiliser le lecteur sur l’´etendue de la tˆache.
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