Cours sur l’électronique de conditionnement du capteur

1 TS3 : conditionnement du signal du capteur 1 Cours sur l lectronique de conditionnement du capteur Novembre 2006 Patrick TS3 : conditionnement du signal du capteur 2 1 G n ralit s sur les cha nes d 3 Introduction ..3 Structure d une cha ne d acquisition .. 4 Param tres de dimensionnement d une cha ne d acquisition .. 4 Etendue de mesure .. 4 Sensibilit .. 5 Pr cision .. 5 Hyst r sis .. 5 Rapidit .. 6 2 conditionnement actif .. 6 Le capteur est une source de 6 Le capteur est une source de charge .. 6 3 conditionnement des capteurs 7 Polarisation des capteurs par une tension .. 8 Montage potentiom trique .. 8 Montage en pont de Wheastone avec un l ment sensible .. 9 Montage en pont deux l ments sensibles .. 9 Montage en pont complet ..10 Polarisation des capteurs par un courant ..10 Circuit quart de Circuit demi Circuit pont Lin arisation et Correction des d rives thermiques.

2 11 Compensation avec des Compensation avec un 4 Amplificateur d instrumentation ..14 Importance de la r jection de mode Amplificateur diff Importance du d s quilibre des imp dances de Amplificateur id Prise en compte du Trmc de l Prise en compte de la pr cision des r Amplificateur d instrumentation ..21 Amplificateur d instrumentation deux AOP ..21 Amplificateur d instrumentation trois AOP ..23 5 Exemple de circuit int gr de conditionnement ..26 Source d erreur des capteurs ..26 Solutions mises en uvre dans le TS3 : conditionnement du signal du capteur 3 1 G n ralit s sur les cha nes d acquisition Introduction Consid rons titre d exemple la cha ne d acquisition repr sent e la Figure 1. 1. Il s agit du synoptique d une injection lectronique que l on trouve sur les automobiles essence. Dans ces syst mes, il s agit de commander les injecteurs qui d livrent l essence dans les cylindres et de commander l allumage des bougies qui g n rent l tincelle d inflammation du m lange air essence.

3 Les commandes des injecteurs et de l tincelle doivent tre faites pour que la combustion de l essence soit optimale. De nombreux capteurs permettent de consommer le moins d essence, de g n rer le minimum de pollution en assurant un bon confort de conduite. Les capteurs sont de plusieurs types : capteur de position des pistons dans les cylindres, capteur de temp rature, capteur d oxyg ne dans l chappement pour conna tre la pollution du moteur, capteur de courant. Figure 1. 1 : r gulation de l injection d une automobile L information d livr e par les capteurs est principalement analogique. La mesure des grandeurs est rendue difficile car le milieu est fortement parasit par le fonctionnement de l allumage qui g n re une tr s forte tension (> 10 kV). La partie lectronique analogique qui traite le signal de sortie des capteurs et qui est souvent plac proximit des capteurs porte le nom d tage de conditionnement du signal.

4 L tage de conditionnement du signal des capteurs un r le tr s important. Il converti en tension la grandeur de sortie du capteur , adapte l imp dance pour le capteur et limite l amplification en mode commun. Il doit tre optimis pour liminer les bruits lectromagn tiques. Le signal analogique est converti en signal num rique l int rieur du module lectronique de commande. Cette num risation a pour but de conserver en m moire certaines valeurs mais aussi de rendre plus facile les multiples op rations r aliser sur le signal (amplification, d rivation, int gration). Ces op rations sont r alis es par des micro processeurs ou des DSP. TS3 : conditionnement du signal du capteur 4 Structure d une cha ne d acquisition La suite des phases de traitement des signaux dans une cha ne d acquisition suit le synoptique de la Figure 1. 2. La cha ne d acquisition de donn es convertie le signal analogique de sortie du capteur en signal num rique et apr s traitement du signal num rique d livre un signal analogique.

5 Figure 1. 2 : phases de traitement de l information Le filtre analogique limite la bande passante du capteur et vite ainsi la d t rioration du rapport signal bruit. L tage d chantillonnage et de maintien pr l ve un chantillon du signal et le maintien constant pendant la phase de conversion. La conversion analogique num rique (CAN) traduit le signal analogique maintenu constant en grandeur num rique quantifi e sur n bits. Apr s traitement num rique, le signal est converti en analogique par un convertisseur num rique analogique (CNA). Cette op ration n est pas obligatoire puisqu il existe des actionneurs qui peuvent admettre un signal num rique. Le filtrage de sortie r duit les effets de modification du signal suite la num risation. Param tres de dimensionnement d une cha ne d acquisition Nous rappelons les diff rentes caract ristiques n cessaires prendre en compte lors de la conception de dispositifs d instrumentation.

6 Etendue de mesure TS3 : conditionnement du signal du capteur 5 C est la diff rence alg brique entre les valeurs extr mes pouvant tre prises par la grandeur mesurer, pour laquelle les indications d un capteur ne doivent pas tre entach es d une erreur sup rieure la valeur maximale tol r e. La Figure pr sente la caract ristique typique d un capteur lin aire. Figure : tendue de mesure d un capteur La limitation de la caract ristique vers le bas est due au bruit de la mesure. La r solution du capteur d finit la plus petite variation que le capteur sera en mesure d identifier. La limitation vers le haut de la caract ristique est li e la destruction possible du capteur . Cette caract ristique est donn e pour une mesure mais elle doit tre stable dans le temps et non affect e de d rives. La d rive exprime la lente variation du signal de sortie en fonction du temps. Sensibilit La sensibilit s exprime par le quotient de la variation de la grandeur de sortie la variation correspondante de la grandeur mesur e.

7 Pr cision C est la qualit qui caract rise l aptitude d un capteur donner des indications proches de la valeur vraie de la grandeur mesur grandeur mesur e M ne pourra tre donn e qu avec une certaine incertitude M. La pr cison sera d autant meilleure que l incertitude sera faible. MMMMM + L erreur de pr cision est donn e par : minmaxMMM = La pr cision de la cha ne de mesure est d autant meilleure que est faible. La pr cision d pend de la variation d offset et de gain en fonction de la temp rature des capteurs et des amplificateurs. On d signe par r solution la plus petite variation de l entr e se traduisant par un changement en sortie : r solution =MMM minmax Hyst r sis TS3 : conditionnement du signal du capteur 6 La r versibilit caract rise l aptitude d un capteur fournir la m me indication lorsqu on atteint une m me valeur de la grandeur mesur e par variation croissante et continue ou par variation d croissante et continue de la grandeur.

8 En cas de diff rences, on parle d erreur d hyst r sis, qu on exprime aussi en pourcentage de l tendue de mesure. Rapidit La chaine d acuisition est rapide quand elle est m me de suivre les volution de la grandeur d entr e. On doit conna tre la plage de variation de fr quence du mesurande. Par exemple, la variation de temp rature sera un ph nom ne assez lent comparer par l acquisition d une tension. Pour respecter la condition de Nyquist, l chantillonnage doit respecter la condition suivante : . 2 conditionnement actif Le capteur est une source de courant L tage de conditionnement est constitu par un convertisseur courant tension. Le courant de sortie du capteur est convertie en courant par l AOP de la Figure 1. 4. La tension en sortie du capteur tant faible (AOP parfait), il en r sulte qu aucun courant ne circule dans les l ments en paral le du g n rateur de courant. Figure 1. 4 : conditionnement d un capteur d livrant un courant Le capteur est une source de charge Comme dans le cas de l tage de conditionnement capteur quivalent une source de courant, l influence de l imp dance en parall le du g n rateur de courant est rendue n gligeable par un AOP imposant une tension quasi nulle sur son entr e.

9 La r sistance du montage de la Figure 1. 4 est remplac par une capacit . Les charges d livr es par le capteur apparasaisant sous forme de courant i sont transf r es dans la capacit C de la contre r action de l AOP. Le montage est dit convertisseur charge tension et son sch ma de principe est repr sent sur la Figure 1. 5. TS3 : conditionnement du signal du capteur 7 Figure 1. 5 : convertisseur charge tension Les charges q d livr es par le capteur sont traduites en tension. CqtCiVsdtdVsCi = = = 3 conditionnement des capteurs passifs On associe la variation d imp dance du capteur une source de tension ou une source de courant et la grandeur exploit e est la tension de sortie. Les jauges de d formation, dites jauges de contrainte , sont des r sistances m talliques ou semi-conductrices qui traduisent en variation de r sistance une contrainte m canique. Les variations relatives de r sistance R et de longueur L d une jauge sont li es par la relation : LdLKRdR== K est le facteur de jauge proche de 2 pour les jauges m talliques et de 40 200 pour les jauges semi-conducteurs au silicium.

10 Les ponts de mesure sont utilis s dans les applications suivantes : capteur de couple ou de pression. La grandeur physique mesur e engendre une variation de la r sistance d un ou de plusieurs l ments du pont de Wheastone. Une mesure de la tension diff rentielle aux bornes du pont d livre une tension proportionnelle la grandeur physique mesurer. la quantit de carburant inject e dans un moteur thermique d pend de la masse de l air et du d bit de l air (d bit massique). Le d bit massique est d termin par un montage en pont de Wheastone. Un l ment de ce pont est chauff et son refroidissement par l air aspir est proportionnel au d bit massique. Une mesure de la tension diff rentielle aux bornes du pont d livre une information sur le d bit massique. capteur magn tique. Avec des magn tor sistances, la r sistance est d pendante du champ magn tique appliqu . TS3 : conditionnement du signal du capteur 8 Polarisation des capteurs par une tension Le montage le plus simple est le montage potentiom trique.