LES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS - …

1 LES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS CHAPITRE 2 1. GENERALITES: Si l'on s'int resse aux ph nom nes physiques mis en jeux dans les CAPTEURS , on peut classer ces derniers en deux cat gories. CAPTEURS actifs CAPTEURS passifs CAPTEURS actifs : Fonctionnant en g n rateur, un capteur actif est g n ralement fond dans son principe sur effet physique qui assure la conversion en nergie lectrique de la forme d' nergie la grandeur physique pr lever, nergie thermique, m canique ou de rayonnement. Les effets physiques les plus rencontr s en instrumentation sont : Effet thermo lectrique : Un circuit form de deux conducteurs de nature chimique diff rente, dont les jonctions sont des temp ratures T1 et T2, est le si ge d'une force lectromotrice d'origine thermique e(T1,T2). Effet pi zo- lectrique : L'application d'une contrainte m canique certains mat riaux dits pi zo- lectriques (le quartz par exemple) entra ne l'apparition d'une d formation et d'une m me charge lectrique de signe diff rent sur les faces oppos es.

2 Effet d'induction lectromagn tique : La variation du flux d'induction magn tique dans un circuit lectrique induit une tension lectrique (d tection de passage d'un objet m tallique). Effet photo- lectrique : La lib ration de charges lectriques dans la mati re sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus g n ralement d'une onde lectromagn tique. Effet Hall : Un champ magn tique B et un courant lectrique I cr ent dans le mat riau une diff rence de potentiel UH. Effet photovolta que : Des lectrons et des trous sont lib r s au voisinage d'une jonction PN illumin e, leur d placement modifie la tension ses bornes. 1-2- CAPTEURS passifs : Il s'agit g n ralement d'imp dance dont l'un des param tres d terminants est sensible la grandeur mesur e. La variation d'imp dance r sulte : Chapitre 2 Les diff rents TYPES de CAPTEURS Grandeur physique mesur e Effet utilis Grandeur de sortie Temp rature Thermo lectricit Tension Flux de rayonnement optique Photo mission Courant Effet photovolta que Tension Effet photo- lectrique Tension Force Pi zo- lectricit Charge lectrique Pression Acc l ration Induction lectromagn tique Tension Vitesse Position (Aimant) Effet Hall Tension Courant Tableau 1 : Grandeurs d entr e et de sortie et effet utilis pour les CAPTEURS actifs 11 12 Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de fonctionnement d'un grand nombre de capteur de position, potentiom tre, inductance noyaux mobile, condensateur armature mobile.

3 Soit d'une d formation r sultant de force ou de grandeur s'y ramenant, pression acc l ration (Armature de condensateur soumise une diff rence de pression, jauge d'extensom tre li e une structure d formable). 2. CAPTEURS A EFFET PIEZOELECTRIQUE: 2-1- L effet pi zo lectrique: 2-2- Capteur de force: Cours de : CAPTEURS et actionneurs en instrumentation Grandeur mesur e Caract ristique lectrique sensible Type de mat riau utilis Temp rature R sistivit M taux : platine, nickel, cuivre .. Tr s basse temp rature Constante di lectrique Verre Flux de rayonnement optique R sistivit Semi-conducteur D formation R sistivit Alliage de Nickel, silicium dop Perm abilit magn tique Alliage ferromagn tique Position (aimant) R sistivit Mat riaux magn to r sistants : bismuth, antimoine d'indium Humidit R sistivit Chlorure de lithium Une force appliqu e une lame de quartz induit une d formation qui donne naissance une tension lectrique.

4 La tension VS de sortie sera proportionnelle la force F : VS = k.(F+F) = avec k constante. Ampli Mise en forme VS M tal V U Tableau 2 : Type de mat riau utilis et caract ristique lectrique des CAPTEURS passifs Fig. 1 : L effet pi zo lectrique Fig. 2 : Principe d un capteur de force 2-3- Capteur de pression: D finition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force F sur une paroi S (surface); on peut d finir la pression P exerc e par ce corps avec la relation ci- dessous : Sachant que : Le capteur de force est ins r dans la paroi d'une enceinte o r gne une pression P. Une face du capteur est soumise la force F (pression P) et l'autre face est soumise la force F0 (pression ext rieure P0). On a F = ; F0 = et uS = k.(F+F0) ( capteur de force, k = constante ).

5 Donc uS = ( P + P0 ) = k' ( P + P0 ) uS = k' ( P + P0 ) . Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression ext rieure P0 et de la pression de l'enceinte P. 2-4- Capteur d acc l ration: 2-5- Capteur ultrason: La r ception d'un son engendre une variation de pression la surface du r cepteur. Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore. 3. CAPTEURS A EFFET HALL: 3-1- L effet Hall: Chapitre 2 L'augmentation de vitesse V du v hicule donne une acc l ration a qui induit une force F exerc e par la masse sur le capteur. On a donc : F = mais uS = et donc uS = Un barreau de semi-conducteur soumis un champ magn tique uniforme B et travers par un courant I, est le si ge d'une force lectromotrice UH sur deux de ses faces.

6 La tension de Hall UH est d finie par la relation ci-contre : F Fo Enceinte la pression P Capteur de force de surface S Ampli Us Masse m suspendue F V Capteur de Force Tension Us en sortie 13 Fig. 3 : Principe d un capteur de pression Fig. 4 : Principe d un capteur d acc l ration B B B I I V e UH Fig. 5 : L effet Hall RH : constante de Hall (d pend du semi-conducteur) I : intensit de la source de courant (A) B : intensit du champ magn tique (T) e : paisseur du barreau de silicium. Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au champ magn tique B : UH = avec k constante gale 3-2- Capteur de champ magn tique: La sensibilit de ce capteur pourra tre ajust e en agissant sur I et sur A. 3-3- Autres applications: Capteur de proximit : Mesure de l'intensit d'un courant lectrique sans "ouvrir " le circuit: 4.

7 CAPTEURS A EFFET PHOTOELECTRIQUE: 4-1- L effet photo lectrique: Un semi-conducteur est un mat riau pauvre en porteurs de charges lectriques (isolant). Lorsqu'un photon d' nergie suffisante excite un atome du mat riau, celui-ci lib re plus facilement un lectron qui participera la conduction. Cours de : CAPTEURS et actionneurs en instrumentation G n rateur de courant I Capteur HALL Ampli Us= UH Us Capteur de champ magn tique N S Aimant Le capteur d tecte l'approche de l'aimant plac au pr alable sur un objet. Conducteur parcouru par un courant I Tore de m tal de perm abilit Entrefer Capteur de champ magn tique Le courant I cr e un champ magn tique proportionnel ce courant : Le capteur donne une tension US = = k'.I avec k et k' constantes. C'est le principe des pinces amp rem triques (mesure de forts courants de 1000A et plus).

8 14 Fig. 6 : Principe d un capteur de champ magn tique Fig. 8 : Mesure de courant en boucle ferm e Fig. 7 : Capteur de proximit 4-2- Les photor sistances: Une photor sistance est une r sistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle re oit. Exemple: Obscurit : R0 = 20 M (0 lux) Lumi re naturelle : R1 = 100 k (500 lux) Lumi re intense : R2 = 100 (10000 lux). Caract ristique lumi re/tension: Avantages : Bonne sensibilit Faible co t et robustesse. Inconv nients : Temps de r ponse lev Bande passante troite Sensible la chaleur. Utilisation : D tection des changements obscurit -lumi re ( clairage public). 4-3- Les photodiodes: Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut tre soumise un clairement lumineux. Courbe : Le graphe I = f(U) pour une photodiode d pend de l' clairement en (Lux) de la jonction PN.

9 On constate que lorsque la diode est clair e, elle peut se comporter en g n rateur (I = 0, U= 0,7V pour 1000lux). On a donc affaire une photopile (effet photovolta que). Chapitre 2 108107 102 0 E (Lux) R ( ) 10-2 102103 Obscurit (diode normale) Eclairement moyen (500 lux) Eclairement fort (10000 lux) Photodiode I=f(U) 0,5 0 0,5 1 43210 15 Fig. 9 : Caract ristique courant/tension d une photodiode en fonction de l clairement Avantages : Bonne sensibilit Faible temps de r ponse (bande passante lev e). Inconv nients : Co t plus lev qu'une photor sistance N cessite un circuit de polarisation pr cis Utilisations : Transmission de donn es 6 Roue codeuse 5.

10 CAPTEURS A RESISTANCE VARIABLE PAR DEFORMATION : 5-1- CAPTEURS potentiom triques de d placement: Principe: Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier m caniquement au curseur C d'un potentiom tre (sch ma ci-dessous). On applique une tension continue E entre les extr mit s A et B du potentiom tre. La tension U en sortie aura l'expression suivante : La tension U en sortie est donc proportionnelle la position x du curseur. Cours de : CAPTEURS et actionneurs en instrumentation Emetteur (diode IR) R cepteur (photodiode) Rayon lumineux ou fibre optique T l commande IR Transmission de donn es par fibre optique D tection de passage Emetteur diode IR R cepteur Photodiode Mesures d'angle et de vitesse Comptage d'impulsions (souris de PC) R Position 1 Position x (0<x<1) C C E U (1-x).