Cours - Les capteurs - F2School

1 EJeanZay-ThiersPage1/16 CPGEPTSI/PT-SciencesIndustriellesdel'Ing eJeanZay 21rueJeanZay 63300 Thiers Acad miedeClermont-FerrandComp tencesvis es:A3-13 Caract riseruncapteur(grandeurphysiqueobserv eetutilisable,transducteur).D2-02 Asso cierunprincip ephysique l'acquisitiondelagrandeurmesur e(enlienaveclecoursdephysique).D2-04 Quali erlescaract ristiquesd'entr e-sortied' erlechoixetlescaract ristiquesd'uncapteuroud'unappareildemesu revis- -visdelagrandeurphysique eJeanZay-ThiersPage2/16 CPGEPT-S2 ILescapteursCoursTabledesmati res1 Intro ' 'entr ristiquesg n ' -Tempsder p tecteursdep deursdep l rom 'e eJeanZay-ThiersPage3/16 CPGEPT-S2 ILescapteursCours1 Intro (industrie,recherchescienti que,services, ),onab esoindecontr lerdenombreuxparam tresphysiques(temp rature,force,p osition,vitesse,luminosit.)

2 Lecapteurestl' l mentindisp ensable 'informationparlescapteursFigure1 Lescapteursdanslachained' nitionUncapteurestunorganedepr l vementd'informationqui lab ore partird'unegrandeurphy-sique,uneautregra ndeurphysiquedenaturedi rente(tr ssouvent lectrique).Cettegrandeurrepr sentativedelagrandeurpr lev eestutilisable des nitionCapteurCapteurGrandeurphysique temp rature pression lectrique logique(TOR) analogique num 'uncapteurDefa onsimple,uncapteurp eut tred nicommeuntransducteurconvertissantunegra ndeurphysique(mesurande)enunsignal lectrique(mesure).Cettetransformationp eut tredirectedansquelquescassimples,maisenr alit ,latechnologiedescapteursfaitsouventapp el plusieursconver-sionsdeph nom nephysiqueavantd' eJeanZay-ThiersPage4/16 CPGEPT-S2 ILescapteursCoursAinsi,lastructured'unca pteurr p onddemani reg n raleausch maci-dessous.

3 Corpsd' preuveMesurandeTransducteurTransmetteurM esureE etphysiquemesurableSignalimageFigure2 Structured'uncapteurC'estun l mentm caniquequir agits lectivement lagrandeur nitionCorpsd' preuveIltraduitlesr actionsducorpsd' preuveenunegrandeur nitionTransducteurIlr aliselamiseenforme,l'ampli cation,le ltrage,lamise niveaudusignaldesortiep oursatransmission eut treincorp or nitionTransmetteur2 Classi 'entr eLesprincipalesgrandeursphysiques mesurersont(listenonexhaustive): lapr senced'unob jet,sap osition,sond placementlin aire/angulaire,savitesselin aire/angu-laire,sonacc l ration ; laforce,lecouple,lapression ; latemp rature,l'humidit ,laluminosit ,lavitesseduvent ; led bit,leniveau, 'uncapteurp eutvarierde3fa onsdi rentes,etd livredoncuneinformationdetyp eanalogique,logique(toutourien=TOR)ounum lectriqued livr eensortieparcetyp edecapteurestenrelationdirecte(leplussou ventprop ortionnelle) lagrandeurphysique oncontinueaucoursdutempsetp oss deunein nit devaleursp ossiblesdansunintervalledonn.

4 EJeanZay-ThiersPage5/16 CPGEPT-S2 ILescapteursCoursFigure3 (TOR)Cescapteursg n rentuneinformation lectriquedetyp ebinaire(vraioufaux,0ou1)quicarac-t riseleph nom ne d tded riqueCetyp edecapteurd livreensortieuneinformation lectrique caract renum rique,c'est- -direnep ouvantprendrequ'unnombrelimit 'informationd livr eparcescapteursestunco denum Capteurnum riqueExemple:Co deurabsoludep ositionangulaire 4096p ositions/tour000010001111 = 143corresp ond 143 3604096= 12,6 eJeanZay-ThiersPage6/16 CPGEPT-S2 ILescapteursCoursPluslenombredebitsestim p ortant,pluslesignalnum riquelorsqueleco deasubiuneconversionparall le s riep our ,maistransp ortel'informationd'unevaleurnum rique(ex:USB,RS232,busCAN,etc.)

5 Ondedistinguerlescapteursrep osesurl'e etmisen uvrep ourg n dancedontlavaleurvarieaveclagrandeurphys ique ;ilfautdoncint greruncapteurpassifdansuncircuitavecunea limentation. Capteursr sistifs:Rvarieaveclagrandeurphysique: mesuredetemp ratureparr sistance ldeplatine(sondePt100),thermistance(CTN, CTP) ; mesured'e ortparjaugedecontrainte ; mesured'intensit lumineuseparphotor sistance( ). Capteursinductifs:Lvarieaveclagrandeurph ysique: mesureded placementparinductancevariable(Transform ateurDi rentielLin aireLVDT); mesured'e ortparcapteurmagn to- lastique. Capteurscapacitifs:Cvarieaveclagrandeurp hysique: mesureded placementetdep osition:l'ob jetdontonveutmesurerled placementsed placeavecunearmatureducondensateur mesuredeniveau:lapr sencedeliquidemo di elavaleurdelacapacit.

6 Etsphysiquesasso ci sLagrandeurd'entr eousesvariationsg n redirectementune nergie(tension,courant,charge lectrique).Cette nergie tantg n ralementfaible,lescapteursn cessitenttoutdem mel'utilisationd'ampli cateurs. capteurs e etphoto lectriqueouphotovolta que:bas ssurlalib rationdecharges lectriquesdanslamati resousl'in uenced'unrayonnementlumineux,ouplusg n ralementd'uneonde lectromagn :mesuredelumi re(capteurCCD,photo dio de). capteurs e etthermo lectriques:bas ssurlacr ationd'unetension lajonctiondedeuxmat riauxsoumis unedi rencedetemp :mesuredetemp rature(ther-mo couple). capteurs e etpi zo lectrique:l'applicationd'unecontraintem canique certainsmat -riauxditspi zo lectriques(lequartzparexemple)entra nel'apparitiond'unetensionentreleursface sopp os :mesured'e ort,d'acc l ration(acc l rom tre).

7 Capteur e etd'induction lectromagn tique:Lavariationdu uxd'inductionmagn -tiquedansuncircuit lectriqueinduitunetension lectriqueauxb :d tectiondepassaged'unob jetm tallique(d tecteurinductif,capteurd'ABSp ourautomobile). eJeanZay-ThiersPage7/16 CPGEPT-S2 ILescapteursCours Capteur E etHall:Unchampmagn tiqueBetuncourant lectriqueIcr entdansunmat riausemi-conducteurunetensionprop ortionnelle Bet :mesuredecourant(pinceamp rem trique).3 Caract ristiquesg n rales tenduedemesure:ils'agitdelaplagedevaleur sp ossiblesdumesurandem:EM=mmax mmin. Sensibilit :elletraduitlacapacit ducapteur d tecterlaplusp etitevariationp ossibledumesurande,etestlap entedelacaract ristiqueentr ourra trepr 'estunecaract ristiqueimp ortantep ourl'exploitationetl'interpr tationdesmesures.

8 R solution:plusp nedetraitementdelamesureintro duisentdeserreurs:bruit,d calage,r f rence,lin arit ..L'erreurglobaledemesurenep eut trequ'estim nedemesurep ermetder duireleserreursetdoncl'incertitudesurler : Fid lit :uncapteurest d lesisesvaleursnechangentpasaucoursdutemp s(mesuresrepro ductibles Justesse:uncapteurestjustesisesvaleursne changentpasquandonlescompare desvaleurs talon,ou desvaleursdonn espard'autrescapteursnormalis s. Pr cision:eller unitlajustesseetla d lit .variationdelagrandeurd'entr e. Lin arit :lalin arit impliquequelarelationentregrandeurphysiq ue mesureretgrandeur lectriqueestlin aire( quationd'unedroite). talonnageL' talonnagep ermetd'a justeretded terminer,sousformegraphiqueoualg brique,larelationentrelemesurandeetlagra ndeur ssouventl' talonnagen'estvalablequep ouruneseulesituationd' 'utilisationLescontraintesm caniques,thermiquesou lectriquesauxquellesuncapteurestsoumisen tra nent,lorsqueleursniveauxd passentdesseuilsd nis,unemo di cationdescaract 'uncertainseuil,l' talonnagen' 'unautreplusgrandlecapteurrisqued' tred eJeanZay-ThiersPage8 -Tempsder p onseLarapidit estlasp ci cationd'uncapteurquip ermetd'appr cierdequellefa senceducapteurp eutp erturb erleph nom nephysiquemesur.)

9 La nesseestunesp ci- cationquip ermetd'estimerl'in uencedelapr nesseestd'autantplusgrandequel'in t desolutionstechnologiques, nom nephysiquep ouvantdonnernaissance ci esauxmesurespluscourantes:p osition,vitesse,acc l ration,e ort,temp tecteursdep ositionLad tectiondelap ositionestsouventr alis eparuncapteurTOR ;lestechnologiessanscontactssontplusrobu stesdanslesenvironnementsindustrielsetle sd tecteurs ultrasonstendent remplacerlesd canique ndecourseSortieparcommutationd' 'informationestr cup r esurun contactsec quiestc bl soitdirectementdansunsch madecommande,soitreli uneentr ed' Exemplesdecapteursm caniquesde eJeanZay-ThiersPage9 inductif,capacitifSortieparcommutationd' untransistor(blo qu ousatur ).

10 L'informationcorresp ond unniveaudetensionr cup r eensortiedetransistor,quiestinterpr t ecomme tantun0ouun1parl'entr ed' lsou3 Exemplesdecapteursinductifs( gauche)etcapacitifs( droite)Deparleurprincip edefonctionnement,lescapteursinductifsne p euventd tectersanscontactquedesob jetm 'appliquepasauxcapteurscapacitifs,quison tenrevanchel g 'untransistor(blo qu ousatur ).Commeaveclesbarragesphoto lec-triques,l' metteuretler cepteursontface- ultrasonsLatechnologieultrasonp ermetdes'a ranchirp ourl'ob jet d tecter,dutyp edemat riau,desacouleur,desaformeainsiquedescon ditionsd' tecteurultrasonest PlugandPlay ,pasder glage,pasd'apprentissage,pasd'a eJeanZay-ThiersPage10/16 CPGEPT-S2 ILescapteursCoursFigure9 Exemplesdecapteursdeproximit deursdep ositionLavaleurdelap ositionestmesur eparunco deurabsoluouincr deurincr mentalUndisqueimprim solidairedel'axeestasso ci uned tectionoptiquequid livreeng n Princip edefonctionnementd'unco deurincr mentaldep ositionangulaireLem mefonctionnementestp ossiblep ouruncapteurlin aire(onn'aalorsplusundisque,maisuner gle).