1. Cours « Capteurs »
septembre 2010
Raoul Herzog
raoul.herzog@heig-vd.ch
bureau C01a
tél : 024 557 61 93
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2. Objectifs du cours de capteurs
1) Connaître quelques principes physiques de différents capteurs) q q p p p y q p
2) Connaître quelques principes du conditionnement du signal
3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents3) Connaître les caractéristiques et les limitations de différents
capteurs
point de vue utilisateur :
• bon choix du capteur pour une application concrètep p pp
• savoir utiliser un capteur
i t d dé lpoint de vue développeur :
• concevoir et développer un capteur
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3. Différents aspects dans les capteurs
principes physiques
i éexploités
diti t d i lconditionnement du signal
transport de l‘information
bus de capteurs
technologie, produits
point de vue utilisateur
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point de vue utilisateur
choix du capteur
4. motivation (1)
Une voiture moderne comprend une centaine de capteurs !
Capteurs liés au
- moteur et système de traction,
- au confort,
- à l‘environnement,
- et surtout à la sécurité
Quelle: BMW AG
Objectif des constructeurs d‘automobiles : zéro accidents
Eviter tout accident, même si le conducteur est inattentif et/ou pétulant.
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5. capteurs pour la sécurité des voitures
• reconnaissance de piétonsp
• distance entre les voitures sur l‘auto-
route
capteur de pression des pneuscapteur de pression des pneus
transmission sans fil
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6. motivation (2)
Il n‘y a plus de constructeur d‘automobile suisse, mais ...
La Suisse est très forte dans le domaine des capteurs.
(exemples d‘entreprises suisses : Posic, LEM, Vibromètre, Sensirion,
Baumer, Kistler, ...)
L d iLes capteurs : un domaine
• de haute technologie
• de multi-technologie
physique, chimie, matériaux, mécanique, électronique, traitement dup y q , , , q , q ,
signal, « intelligence », techniques de miniaturisation, ...
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7. motivation (3)
Les capteurs : un domaine innovateur
d di i d i l• du conditionnement du signal
au capteur « intelligent »
• p. ex. numérisation dans le capteur
• p. ex. compensation des dérives thermiquesp p q
• p. ex. autocalibration
• p ex transmission sans fil• p. ex. transmission sans fil
miniaturisation sur le chip :p
MEMS
micro electromechanical systems
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micro electromechanical systems
8. classification des mesurandes
• mécaniqueq
déplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, ...
• électrique• électrique
courant, charge, impédance, ...
th i• thermique
température, flux thermique, ...
• magnétique
champ magnétique, perméabilité, ...
• radiation
lumière visible rayons X radioactivitélumière visible, rayons X, radioactivité, ...
• bio / chimique
h idi é dé i d h è i
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humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux
9. Généralités : capteurs et chaînes d‘acquisition
mesurande élément sensible
(transducteur)
Conditionneur
traitement des
signaux
signal
typ. grandeur
non-électrique
(transducteur) signaux
électrique
exploitable
grandeurs d‘influence
(perturbations)
Idéalement, le signal de sortie du capteur devrait être une image fidèle du
mesurande, mais ...
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,
10. problèmesproblèmes ...
• le signal fourni par le capteur dépend
aussi des grandeurs d‘influences (p ex dérives thermiquesaussi des grandeurs d influences (p. ex. dérives thermiques,
bruit de mesure, etc.).
• une variation du mesurande provoque une variation retardée du signal
de sortie (temps de réponse fini).
• le fait d‘introduire un organe de mesure peut déjà changer
l‘environnement, et le mesurande.
Le but réaliste consiste à avoir une image du mesurande
i fidèl ibl ( i i fidèl é i !)
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aussi fidèle que possible (mieux : aussi fidèle que nécessaire !)
11. grandeurs d‘influence, exemples
• température ambiante
• pression, accélération, vibrations
• humidité
• champs magnétiquesp g q
• tension d‘alimentation
• lumière ambiante• lumière ambiante
Possibilités pour réduire l‘effet nocif des grandeurs d‘influence :
bli d i l t• blindage, isolement
• stabiliser les grandeurs d‘influence à des valeurs connues, et
é l létalonner le capteur
• compenser les grandeurs d‘influence (p.ex. montage différentiel)
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12. exemple « micro-capteur intelligent »
capacité miniaturisée avec un diélectrique en polymère hydrophile
technologie CMOSg
changement d‘humidité changement de capacité signal utile
avec compensation des grandeurs d‘influence (température)avec compensation des grandeurs d influence (température)
et calibration automatique
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13. Courbe d‘étalonnage statique, cas idéal
réponse du capteur
)(mFs
nécessite une mesure de référence
mesurande
nécessite une mesure de référence
du mesurande !
sensibilité du capteur en régime statique:
m
s
S
(pente locale)
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im
m
14. linéarité
réponse du capteurp p
(droite de régression)
mesurande m
La linéarité s‘exprime en %, c‘est l‘erreur relative maximale
entre la droite de régression et la caractéristique réelle.
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entre la droite de régression et la caractéristique réelle.
15. définition : résolution, étendue de la mesure
L é l ti d‘ t t l l tit i ti d dLa résolution d‘un capteur est la plus petite variation du mesurande
que le capteur est capable de décéler (à ne pas confondre avec la
é i i )précision).
étendue de la mesure :
• zône nominale
= plage nominale du mesurande (fonctionnement normal)
• zône de non-détérioration
hors specs, ne fonctionne plus, mais pas de destructionp , p , p
„absolute maximum ratings“
• zône de non-destruction
modification permanente des caractéristiques !
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16. rapidité d‘un capteur
• bande passante
fréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dBfréquence de coupure où la sensibilité a diminué de -3dB
• temps de réponse
saut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteursaut du mesurande : le temps nécessaire pour que le signal du capteur
arrive dans une fourchette de 5% de la valeur finale
bande passante et temps de réponse sont liés.
pour un système linéaire :
f
T
2
3
3rép
cf2
p
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20. Choix du capteur
• nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ?
• performances (résolution précision plage de mesure ) ?performances (résolution, précision, plage de mesure, ...) ?
• caractéristiques d‘environnement, grandeurs d‘influence ?
• encombrement ?
• prix ?p
• fiabilité (MTBF : Mean Time Between Failures) ?
1
1
MTBF
1 N
: taux de défaillance
t
1 déf
pop
N
N
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p p
21. « courbe de baignoire »
: taux de défaillance
défaillances
prématurées
usure
viellissement
prématurées
défaillances aléatoires
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temps (vie du produit)
22. éléments fonctionnels d‘un capteur
énergie d‘excitation énergie d‘alimentation
mesurande
signal
tili bl
modification
signal électrique
élément
mesurande
transducteur conditionneur
utilisablede l‘élément sensible signal électrique
sensible
grandeurs d‘influence
(perturbations)
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26. exemples d‘éléments sensibles
• polymère qui change ses propriétés électriques en fonction de
l‘h idi é bil‘humidité ambiante
• jauge de contrainte
• fil chaud pour mesurer la vitesse d‘un écoulement de fluide
• bilame, thermistance
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27. Capteurs (transducteurs) passifs
• capteurs résistifs
• capteurs inductifs
• capteurs capacitifs
Capteurs (transducteurs) actifs
• capteurs piézoélectriques
t t h ét i• capteurs tachymétriques
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28. Capteurs résistifs
• capteurs potentiométriques
d dé l t li é i / l imesure du déplacement linéaire / angulaire
• jauges de déformation / contrainte
mesure de déformation, force / effort, couple, pression
• capteurs thermiques
mesure de température et de débit
• capteur d‘humiditécapteur d humidité
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29. rappel : structure de la matière
Influence du nombre d’électrons contenus dans la couche de valence
Couche 4 5 6 7 8 él t1 2 3 él t Couche
de
valence ?
4, 5, 6, 7 ou 8 électrons1, 2 ou 3 électrons
4 électrons
(quelques cas)
Les électrons
Capture des
électrons libres
Dopage
?
non
Les électrons
libres sautent
d’un atome à
l’autre
I l t
Semi-
oui
C d t
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Isolant
Semi
conducteurs
Conducteur
35. Effet piézorésistif (à ne pas confondre avec piézoélectrique)
dVd
V
dV
C
d
V
C : constante de Bridgman
C = typ. 1.13 ... 1.15 pour des jauges métalliquesyp p j g q
C = typ. 100 pour les jauges à semiconducteur
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36. facteur de gauge (sensibilité relative)
A
l
R
A
Les 3 paramètres l, , et A changent simultanément, et les effets se rajoutentp , , g , j
Après linéarisation, on trouve :
l
ld
C
R
Rd
))21(21(
lR
))((
déformation
h l ifchangement relatif
de la résistance
facteur de jauge
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38. Jauge de contrainte collée sur une
structure mécaniquestructure mécanique
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39. jauge de contrainte collée sur une structure
mécanique (p.ex. barre de traction)
permet aussi de mesurer des forces
corps d‘épreuve
: mesurande primaire
loi de Hook :
A : section du corps d‘épreuveA : section du corps d épreuve
E : module de Young
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mesurande secondaire
40. caractéristique déformation / contrainte
]2]=[Pa]
t
[N/m2
rupture
zône à déformation plastique
ainte
zône à déformation plastique
irréversible
contra
zône élastique
loi de Hook
déformation = L / L
loi de Hook
2% max
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déformation L / L
41. Grandeurs d‘influence
• température
influence sur résistivité & différence dans les coefficients de dilatation
jauges à semiconducteurs sont très sensibles à la température
autoéchauffement courant de mesure typ. limité à ~20 mA pour
jauges métalliques.jauges éta ques.
• tension thermoélectrique à la jonction de 2 métaux différents
(élé t th l )(élément thermocouple)
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42. différentes configurations en pont de Wheatstone
buts :
• augmenter la sensibilité• augmenter la sensibilité
• augmenter la linéarité
• compenser les dérives thermiques• compenser les dérives thermiques
)1(0 xR p. ex.
F
)1(0 xR
)1(0 xR
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43. caractéristiques typiques des gauges
métallique semiconducteur
plage de mesure 10-7 ... 0.04 10-9 ... 0.003
facteur de gauge 1.8 ... 2.35 50 ... 200
résistance 120, 350, ..., 5‘000 1‘000, ..., 5‘000
tolérance de la résistance 0.1% ... 0.2% 1% ... 2%
taille, mm 0.4 ... 150 1 ... 5
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standard : 3 ... 6
44. capteurs de force piézorésistifs basés sur semi-
d tconducteurs
F > 0
capteur miniature de force, circuit intégré SMD
incorpore un pont de Wheatstone
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46. capteur de force 6 axes basé sur jauges de contrainte
mesure les forces Fx, Fy, Fz, et les couples Tx, Ty, Tz
applications p.ex. en robotique
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47. capteur de force pour mesurer la force de retenue de
la ceinture de sécurité
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50. autre application : accéléromètre
élément sensible = masse sismique + gauge de force
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51. modélisation d‘un capteur d‘accélération
boîtier
mesure indirecte de l‘accélération
m
masse sismique
par la déformation de l‘élément de support
de la masse sismique
m
q
k d
buts :
t l bande passante d t !
accél :
• trouver la bande passante du capteur !
• comment dimensionner les éléments sensibles pour que le capteur
mesurande
délivre un signal de sortie qui reproduit le plus fidèlement possible
l‘allure du mesurande ?
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53. sondes en platine
• fil de platine (état de pureté : 99.999 %) enroulé sur un support
précis, mais très cher
• déposition film mince de platine, ~1 m d‘épaisseur sur support
réponse rapide, moins cher
R(T) = R0 (1+ T) : comportement linéaire0
PT100, PT1000PT100, PT1000
précision typique : 0.1% ... 1%
: typ 0 385 % / °C: typ. 0.385 % / °C
comparaison : une résistance de précision a un coefficient de
températ re de 50 ppm 50 * 10-6 (80 moins q ‘ ne sonde de PT)
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température de 50 ppm = 50 * 10-6 (80 x moins qu‘une sonde de PT)
54. plage de mesure
sonde platine : typ. de -200°C ... 650°C, voire plus
pour les très hautes températures, on utilise plutôt le tungsten
symboles IEC normalisés :
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55. thermistances à semiconducteur
comportement nonlinéaire, souvent de type exponentiel
• PTC (= positive temperature coefficient)
• NTC (= negative temperature coefficient)
• CTR (= critical temperature resistance)CTR ( critical temperature resistance)
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