Capteurs et conditionneurs

Jean-Marie De Conto

IUT1 Grenoble Mesures Physiques

Chane dacquisition (1h)

Chane dacquisition Fonctions de base Grandeurs caractristiques: tendue, prcision,

rsolution, rapidit - Etalonnage Contraintes environnementales

Tempratures, CEM

Caractristiques mtrologiques de la chane Incertitude, gain, dcalage de zro Erreur de gain et de linarit, drive thermique Bande passante et fonction de rponse Les calculs derreurs ne font pas partie de ce cours

Un exemple de chane: capteur, conditionneur et la suite

Capteurs: zoologie (2h) Etendue de mesure et sensibilit Capteurs gnrateur de fem

Schma de Thvenin Thermocouple Exemple compensation de soudure froide

Capteur gnrant un courant Norton Photodiode

Capteur gnrant une charge Quartz pizolectrique, dynamomtre

Capteur capacitif A permittivit variable A antenne

Capteurs rsistifs Rsistances mtalliques Thermistances Jauges dextensiomtrie Prcautions demploi

Capteurs inductifs variation dinductance (noyau mobile) A variation dinductance mutuelle Transformateur diffrentiel Capteur torodal

Capteurs pour milieux perturbs Capteurs effet HALL Mesures HF

Conditionneurs et CEM

Conditionneurs de capteurs passifs

Montage potentiomtrique et mesure des rsistances ou impdances complexes

Ponts (applications identiques)

Oscillateurs

Forme et spectre du signal en sortie de conditionneur

Conditionneurs de signal

Adaptation source/chane

Linarisation

Amplification

Rjection du mode commun

Amplificateur disolement

Dtection

Prambule

Allez voir les catalogues et les sites internet des fournisseurs

Consultez les notes dapplications (application notes)

The use of English is highly recommended

La chane dacquisition

Extraction de linformation: capteur - Physique

Conversion en signal utile: conditionneur- Electronique

Traitement analogique du signal: filtrage et amplification (dinstrumentation)

Slection Multiplexage

Numrisation, traitement et exploitation

Grandeurs caractristiques: vocabulaire, notions intuitives

Grandeur mesurer: mesurande m

Valeur obtenue: mesure M Etendue de mesure (EM) Incertitude

Voir cours de mtrologie

Erreur de prcision de la chane Peut sestimer grce

ltalonnage de la chane

Rsolution Ex: convertisseur A/N 12bits Ex: bruit de fond Nombre de valeurs

distinctes associables au mesurande dans ltendue de mesure

prsC

CCCTTex

mmEM

o

ooo

m 1

600100700: minmax

minmax

minmax mm

mp

min

minmax

M

MM

Mm

Prcautions pralables

Rapidit Bande passante Temps de rponse Connatre la frquence maximum Fmax du signal mesurer Attention galement au dphasage, au temps de propagation

Echantillonnage Condition de Nyquist (ncessaire mais trs insuffisante):

Fe>2Fmax Soit FN=Fe/2. Une composante F1=FN + F1> FN donne une

composante FN - F1 (repliement de spectre, par battement) Ex: un parasite 50 Hz donne une composante 1 Hz, si lon

chantillonne 49 Hz Il peut tre judicieux de filtrer AVANT chantillonnage! De manire gnrale, tout appareil de mesure, ainsi que tout

calculateur peut donner lieu des artefacts Comprendre ce que lon mesure. Ex: terminaison 50 ohms en

HF. Pourquoi?

Repliement de spectre et filtrage

Environnement Drives diverses

Drive en temprature

Compatibilit ElectroMagntique (CEM) Parasites divers et varis

Bruit de fond Amplificateur diffrentiel: forte rjection du mode commun Problme de la rjection du mode srie (perturbation diffrentielle)

Par couplage galvanique effet dun conducteur commun- (surtensions, problmes de masse)

Par couplage magntique effet de linduction magntique locale - (blindage par mu-mtal)

Par couplage lectrique effet dun champ lectrique parasite- (blindage, cage de Faraday)

Par couplage lectromagntique (claquage, radio, par exemple) Dans tous les cas: circuits de masse, blindages etc Protections diverses des circuits dentre et des cbles La CEM protge non seulement les mesures, mais les appareils!

Respecter le domaine dutilisation du capteur (performances et non destruction)

Caractristiques mtrologiques de la chane. Du dj vu?

La chane quasi parfaite, nominale, linaire Gn: gain du dispositif y0n: dcalage de zro

(offset)

Gain et offset ne sont pas nominaux Dpendent du point de

fonctionnement Dpendent de la

temprature (surtout loffset)

Erreur commise Incertitude

nnn yxGy 0

0)( yxGy

maxmax y

y

yy

y

on

0yGxy

A revoir

Erreur de gain offset constant

Erreur de linarit

Droite de rgression Dfinition de lerreur de

linarit cart maximal entre la

mesure et la droite de rgression, ramen la pleine chelle

nG

G

y

yyGxy

max

max0

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20

C

y = 2,9284 + 2,0002x R= 0,99996

C

max

max,)(

y

y LL

Nota: linarit obligatoire???

Linarisation: courbe dtalonnage

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

0 50 100 150 200

Volts

Vo

lts

Position (centiemes)

entree filsortie fil

mesures du 23/05/2000fil 20um laser/fil/ecran:30cm/1m

Drives thermiques

Erreur sur le gain seul

Erreur sur le zro seul

Ex: mV.oC-1

Ex: oC-1 de ltendue de mesure

maxmax

max,

maxmax

maxmax)1(

TG

G

y

y

xGy

xGyxGyTGG

Gn

TG

n

Gn

max0

maxmaxmax

maxmax

max

0

maxmax00

1

)1(

TdT

dy

yT

dT

dT

yy

y

dT

dy

TyTyy

zz

z

zon

Temps de rponse, bande passante

Bande passante prs en rgime sinusodal

mesurer

En sortie de chane

Gain dynamique

Phase

Pour un systme passe bas classique

Frquence haute Fh

Bande passante prs

)(

/)(

)sin()(

)sin()(

F

XYFG

tYty

tXtx

fix

Y

Y

G

GFG

Y

Y

G

G

G

GFG

h

)0(

)0()(

)0()0(

)0()(

Systmes du premier et du second ordre rappels (?)

Systme linaires

Systmes rgis par une quation diffrentielle du type ( coefficients constants rels)

)()()()()()(

)()(2121

22

11tststete

tste

tste

)()()()(

)()()(

2

2

tetCsdt

tdsB

dt

tsdA

tetBsdt

tdsA

Rsolution

Premier ordre Frquence de coupure

)()()()(

)()()(

2

2

tetCsdt

tdsB

dt

tsdA

tetBsdt

tdsA

)(

tj

tj

Ses

Eee

A

B

EBpA

BE

BAj

B

BjA

ESe

EB

AB

E

BjA

ESESeBjA

c

j

c

j

/1

/1

/1

/1

1

/1)(

2

2222

Fonction de transfert

w/wc

Gain: 3dB/octave

Second ordre

C

B

A

C

EC

BAC

E

CjBA

ES

CBpAp

E

CjBA

ESe

ESeCjBA

c

cc

j

j

2

41

/1

)(

2

22

2

2

22222

2

22

2

Amortissement de 0.1 1

w/wc

GAIN

Circuits du premier ordre

pas doscillations

Gain ?

2

2

11

/1

1

/1

)(

2

20

2

0

cHc

H

cH

c

FFF

F

FFG

G

FF

GFG

Circuit du second ordre

cH

c

H

cc

FF

F

F

G

G

FFFF

GFG

2

2

0

2222

0

21

/4/1

)(

Oscillations

Temps de rponse prs

Exemple: pour un circuit du premier ordre de constante de temps

)(

/1)(

t

t

e

eYty

Nota: hystrsis

Peut concerner la mesure (champ magntique par exemple)

Peut concerner le capteur (dformation par exemple)

Hystrsis dun lectro-aimant

Etalonnage

Direct ou absolu, via un ETALON Indirect ou par comparaison

partir dun capteur suppos connu

Etalonnage multiple Ex: cas dune hystrsis RAZ du capteur m=M=0 Courbe M=f(m) pour m croissant puis

dcroissant. Prise en compte des aspects bande passante Amplitude de m constante et frquence

variablemesures M diffrentes Frquence fixe et amplitude variable idem

Capteurs: zoologie (2h) Etendue de mesure et sensibilit Capteurs gnrateur de fem

Schma de Thvenin Thermocouple Exemple compensation de soudure froide

Capteur gnrant un courant Norton Photodiode

Capteur gnrant une charge Quartz pizolectrique, dynamomtre

Capteur capacitif A permittivit variable A antenne

Capteurs rsistifs Rsistances mtalliques Thermistances Jauges dextensiomtrie Prcautions demploi

Capteurs inductifs variation dinductance (noyau mobile) A variation dinductance mutuelle Transformateur diffrentiel Capteur torodal

Capteurs pour milieux perturbs Capteurs effet HALL

Thermocouples: lois physiques

Effet Peltier: la jonction de deux conducteurs A et B diffrents mais mme temprature apparat une fem

Effet Thomson: entre deux points M et N temprature diffrente au sein dun mme mtal homogne apparat une fem

Thermocouple: effet Seebeck = Peltier+thomson

Thermocouples: gnrent une fem

Deux conducteurs diffrents, dont au moins un est un alliage, mis en contact

http://www.iut-lannion.fr/LEMEN/MPDOC/NTPF2/SERIE1/therrath.htm#effet%20thermo

Thermocouple Lois compensation de soudure froide

Lois des tempratures successives

Lois des mtaux successifs

Lois des mtaux intermdiaires: prolongateur

Compensation de soudure froide On compense la

temprature ambiante Electriquement Avec une sonde de

temprature locale+logiciel

A

B

T1 =

T2

A

B

T1 +

T3

C

C

T3 +

T3

A

B

T3 T2

Pour tout savoir: consultez le catalogue!

Les plus: le prix, pas de pices mobiles, grande gamme, assez rapide, bonne rptabilit

Les moins: faible sensibilit (50V/oC environ). Basse fem et donc sensible au bruit. Sensibilit limite environ au demi degr

Non linaires mais la courbe est connue

Compensables facilement

Capteurs gnrant un courant: photodiode

Hamamatsu

Silicon Photodiode Silicon PIN Photodiode Silicon Photodiode Array With Preamp / Cooler Silicon APD - Avalanche APD Modules X-ray Detector Two-color Detector

Silicon Photodiode: Featuring high sensitivity and low dark current, these photodiodes are specifically designed for precision photometry in a wide range of fields. PIN Photodiodes: Deliver a wide bandwidth with a low bias, making them ideal for high-speed photometry as well as optical communications.

Diode PIN, avalanche???

Photodiode (HP)

dd SIIII 00

I0: Courant inverse

: puissance incidente

Montages de base

Augmenter Rm (base): rduit le bruit mais aussi la rapidit

C2 compense Cp1 (R1Cp1=R2C2) Montage rapide

Le courant dentre et la drive thermique doivent rester faibles pour le second montage.

(rapide)

)(classique

r

rm

IRRv

IR

RRv

210

1

20 1

Montages photovoltaques

A rponse linaire

Mesure de Icc

Logarithmique Mesure de Vco en circuit ouvert

(log) V

(linaire)

co

1

20

0

1R

Rv

IRv ccm

Applications/exemples

Mesure de rayons X ou bta

Convertisseur lumire frquence

http://www.sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/si-photodiode/applications.php

Montage photovoltaque

Gnrateur de charges:

Effet pizolectrique du quartz, de cramiques ou de polymres.

Effet pyrolectrique (sulfate de triglycine.soit!)

Mtallisation des faces du capteurfabrication dun condensateur

(Norton)

(Thvenin)

dt

dQi

C

Qe

Exemple: dynamomtre quartz

Q=dF

d=2.13*10-12 C/N pour le quartz (coupe X)

2pF sous 1 V!!

Cest un rsonateur du second ordre

fn: frquence de rsonnance f : frquence dutilisation Q: facteur de qualit (10-40) ab: acclration fn gain 1

Un filtrage passe bas est envisageable pour viter la bosse

Remarques diverses

Ici: Modle haute impdance avec convertisseur de charge EXTERNE, ou basse impdance avec convertsseur de chrge INTERNE (ncessite une alim externe)

Beware the cost

Achat dun coupleur=achat des accessoires: cbles etc!!

Capteurs capacitifs

Capacit dun condensateur plan

Cylindrique Modification de la

permittivit Temprature Hygromtrie Niveau de liquide isolant

Modification de la gomtrie Pression (microphone) Pression de fluide

membrane Dformation de solide

(jauge extensomtrique)

120

0

/ln2

rr

LC

e

SC

r

r

Figure 8.7 p114 capteurs

Exemple de capteur de pression avec conversion par variation de capacit (Doc. VEGA).

Capteurs rsistifs

Rsistances mtalliques Ex: platine (-

200+1000oC)

Thermistances Agglomrs doxydes

mtalliques

Jauges dextensomtrie Mtalliques (K=2..4) A semi-conducteurs

(K=+-50..+-200)

320 1)( CTBTATRTR

00

11exp)(

TTBRTR

L

LK

R

R

Sous ampoule de verre

Protection

Inertie thermique: dizaines de secondes plusieurs minute

En couche mince

Thermistances

Non linaires

Drive au cours du temps

Effet thermique (Joule) local

Du rseau simple la haute technologie

Capteurs inductifs : un peu de magntisme pour commencer. Notion de reluctance.

R: reluctance du circuit

ldH

SBN

NI

SBN

I

NSBL

NSBLI

NIldH

HHB r

22

0

00

0

00

0

2

0

0

2

0

0

0

00

S

l

S

l

S

l

S

lR

R

N

ll

SNL

BllB

lB

lldH

rm

mm

m

mm

Application: capteur entrefer variable

0

20

00

2

0

02

00

0

00

0

0

0

2

21

21

21

22)(

l

xSNL

l

xSN

l

x

SNL

l

x

S

l

S

xl

S

xl

S

lxR m

Amliorations

Circuits variation oppose (push pull)

Linarise la fonction prcdente (annule les termes dordre 2 en x)

Bobine noyau plongeur

L0: self air Lf: self avec noyau Section (~constante)

de la bobine

Correction de linarit par montage push-pull

frf

f

fff

lsl

NL

llsl

NL

lFLLkLLL

2

2

0

2

2

00

00

)(

)(2

Transformateur, transformateur disolement, transformateur dintensit

Le transformateur: un peu de magntisme

Utilisation en haute tension

Application non-capteur: transmission de puissance

Plateforme 250 kV

Alimentation 250 kV/10 mA=2.5kW

Transfo disolement 220V-220V plusieurs kW

secteur

Le transformateur disolement comme capteur

Mesure de position du noyau

Aliment en alternatif (sinusodal)

Electronique aval requise (cf conditionneurs) Fonctionnement en diffrentiel

La sortie signal du conditionneur est proportionnelle la diffrence de la tension des deux secondaires.

Fonctionnement en diffrentiel sur somme La sortie signal du conditionneur est proportionnelle la

diffrence de la tension des deux secondaires, rapporte leur somme.

Les plus excellente fiabilit : c'est le capteur de dplacement de choix de

l'aviation civile rsiste des environnements trs svres (tempratures

extrmes, vide ,hautes pressions) capteur sans contacts encombrement rduit cot relativement faible excellente rsolution (de l'ordre de 0.1m)

les moins complexit du conditionnement plusieurs capteurs l'un ct de l'autre peuvent se perturber

mutuellement s'ils sont aliments la mme frquence prcision moyenne fabrication dlicate

Et comme capteur dintensit n1.i1 = n2.i2 + n1.i10 La prcision sur la mesure de i1 est

dautant meilleure que le courant magntisant i10 est faible.

La diminution du courant magntisant est obtenue par: une faible rsistance de lenroulement

secondaire un excellent couplage magntique de

lenroulement secondaire (qualit du bobinage)

lemploi dun circuit magntique trs forte permabilit

Si secondaire ouvert n1.i1 = n1.i10. flux trs important, pertes considrables dans le circuit magntique et destruction

tension importante et dangereuse aux bornes du secondaire

Mesures en continu: capteur effet HALL

Exemple: Mesure de forme dimpulsion

dans un acclrateur (Bergoz)

Pourquoi 50 ohms?

Disjoncteur diffrentiel

Protection des personnes

4

3

7

8

2 1

5

6

Effet Hall: thorie

Un champ magntique appliqu sur un conducteur ou un semi-conducteur cre une diffrence de potentiel entre les bords du conducteur

Un peu de thorie

Tension et champ lectrique

Rsistance

Courant Proportionnel Ex

Proportionnel q, n, et el

Facteur de proportionalit: mobilit

elqnEI

AqnelE

L

LelE

R

VI

el

LR

LEV

x

xx

x

l

e L

I

n: densit lectronique (electrons/m3), q charge de llectron

Vitesse des porteurs

En 1 s, les charges parcourent L=v

Volume: elL=elv

l

e L

I

x

x

Ev

qnelvelectronsqN

dt

dQI

elqnEI

sec1

sec)/(

Force de laplace

Le champ magntique cre une force transverse

Les lectrons saccumulent sur une des faces et crent un champ transverse Ey

A lquilibre

l

e L

I

B

BEqqvBFBvqF x

F

lBElEV

BEEqEBEq

xyHall

xyyx

En dfinitive

Courant

Tension Hall

Constante de Hall

En fait, cause des phonons:

qnK

Be

I

qnV

qen

IlEelqnEI

h

hall

xx

1

1

qnKh

1

8

3

Exemples

Exemples: gaussmtres

Gaussmtres, suite

De quelques centimes de gauss quelques teslas.

Sondes axiales ou radiales

Calibration avec chambre de zro

Zone active: de 1 quelques mm2

Linarit au %

Pour des mesures de prcision ou absolues: sondes NMR ou RMN

Application: mesure de courant continu, non interceptive

Un circuit magntique constitu de ferrite permet de canaliser le flux cre par le conducteur parcouru par le courant I . Un gnrateur de courant constant fournit le courant Io. Une tension Vh proportionnelle au courant Io et l'induction produite par le courant I apparait . Cette tension est amplifie pour fournir un courant i dans les N spires du bobinage secondaire, de faon produire un flux oppos celui cre par I.

A l'quilibre: B = 0 et I = N * i

Pyromtrie optique

Analyse du rayonnement thermique

Dfinition: Le corps noir est un objet idal qui absorbe lintgralit des rayonnements reus. Il rayonne selon la loi du corps noir, qui se base sur le thermodynamique statistique

Grandeur importante: la luminance en Wm-2sr-1m-1

Rappel: loi de Stefan

)1exp( bTaL

428

4

1067.5

KWm

TE

Energie rayonne

Emissivit gale au coefficient

dabsorption

Anmomtre fil: vitesse des fluides

Echange thermique entre une thermistance et un fluide

Bas sur la conduction

Bas sur un quilibre

Reli la vitesse du fluide

Formule empirique de King

Reli au nombre de Nusselt Nu

Ash p554

eJ

fe

J

PP

TTkSP

ITRP

)(

)( 2

uND

k

vbak

Jauge Pirani: mesure de la rsistance

Complments: mesures en haute frquence

Que mesure ton haute frquence?

Haute frquence, a veut dire quoi

Pourquoi termine ton les cbles coaxiaux par 50 ohms?

Y a-t-il des circuits spcifiques la HF?

Le problme Longueurs donde dans le vide

30 MHz: 10m France-Inter: 3m 300 MHz: 1m 2.45 GHz (four microonde): ~10 cm

Consquence Si la longueur des connexions devient comparable ou infrieure la

longueur donde, les temps de propagations ne peuvent tre ngligs Une variation de tension un bout de cble ne se transmet pas

instantanment lautre bout Propagation de cette variation: onde incidente Il se passe la mme chose dans lautre sens: onde rflchie Onde incidente+onde rflchie = onde stationnaire

On ne sait plus ce que lon mesure Un conducteur nest plus quipotentiel La notion de tension perd du sens

Ondes progressives et stationnaires

OS = onde incidente + onde rflchie

Modlisation: quation des tlgraphistes

Ligne bifilaire (coax, paire torsade)

On suppose la ligne sans pertes

R=0

G=0 (rsistance infinie entre fils) dt

vC

dt

vCGv

dx

i

dt

iL

dt

iLRi

dx

v

escane

L et C: inductance et capacit liniques

En rgime sinusodal (harmonique)

V est la somme dune onde incidente et dune onde rflchie

tj

tj

exII

exVV

dt

vC

dx

i

dt

iL

dx

v

)(

)(

VLCdx

V

VjCdx

I

IjLdx

V

2

2

2

x

r

x

i eKeKV

LCjLC

22

En bout de ligne

x=0 sur la charge

Et le courant?

ri KKV 0

x

r

x

i eKeKV

ri

x

r

x

i

KKL

jI

eKeKL

j

dx

V

L

j

dx

V

jLIIjL

dx

V

0

1

Sur la charge, en x=0

riri

ri

ri

KKL

CKK

L

LCI

LCj

KKL

jI

KKV

0

0

0

ricc KKZIC

LZ 0

0

0

0

rriric

ri

ric

KKKKKZZ

KK

KKZ

I

VZ

Conclusion

La ligne bifilaire est caractrise par son impdance caractristique

Si lon termine la ligne par Zc, on na pas donde rflchie

On a adaptation On sera adapt si toute ligne est

termine par Zc Souvent Zc=50 ohms Si la charge est 0 ou infini (court

circuit ou circuit ouvert) on a 100% de rflexion

Nous nous sommes limits aux lignes sans pertes

C

LZc

Exemple de montageet a vaut pour les capteurs HF

synthtiseur

circuit

Frquencemtre

T magique

ou SPLITTER

Chaque liaison voit 50 ohms

Les appareils ont une impdance dentre de 50 ohms

Bilan trs simplifi

x

r

x

i eKeKV

xrxic eKeKj

ZI

Application: tension et courant le long dune ligne (1)

Circuit ouvert en bout

A /4, limpdance vue est un court-circuit

A /2, limpdance vue est un circuit ouvert

)cos(

20

0

0

0

0

xVV

VKK

I

KKVri

ri

Application: tension et courant le long dune ligne (2)

Court circuit en bout

A /4, limpdance vue est un circuit ouvert

A /2, limpdance vue est un court circuit

)sin(

20

0

0

0

0

xII

IZKK

IZ

KKc

ric

ri

Bilan

Principes des capteurs (inductifs, capacitifs, effet Hall, rsistifs, thermiques, optiques)

Nous avons vu le principe de la chane de mesure Linarit (ou non) Drives (thermiques) Calibration

Le capteur prlve une nergie infime Le capteur est sensible aux parasites, aux drives etc Il est indispensable de bien comprendre le principe de la

mesure Il est indispensable de considrer tout ce qui intervient dans la

mesure Impdances internes des gnrateurs Impdance dentre des appareils de mesures Capacits parasites dont celles dentres des appareils Pas da priori

Conditionneurs

Conditionneurs de capteurs passifs Montage potentiomtrique et mesure des rsistances

ou impdances complexes Ponts (applications identiques) Oscillateurs Forme et spectre du signal en sortie de conditionneur

Conditionneurs de signal Adaptation source/chane Linarisation Amplification

Rjection du mode commun Amplificateur disolement

Dtection

Ash page 54

Cinq types de conditionnement

Qualits dun conditionneur

Sensibilit: Dpend du choix des impdances du conditionneur (Zk)

c

mccdtcap

c

mcdt

ccap

Z

v

m

ZSSS

Z

vS

m

ZS

Figure c ash p54

Linarit - linarisation

Ex: capteur rsistif (Rc) + conditionneur (rsistances Rk, k=1..N)

La tension mesure est souhaite la plus linaire possible

Ex: Montage potentiomtrique

k

k

k

mc

c

ms

m

kcsm

m

R

R

v

m

R

R

ve

dm

dv

RRFev ),(

Aussi constant que possible

dm

dRR

dm

dRR

RR

eS

RR

Re

R

v

RR

Re

R

v

RR

Rev c

c

c

s

c

sc

m

c

cs

m

c

csm

112

12

1

1

211

1

Deux capteurs identiques fonctionnant en opposition

Compensation des grandeurs dinfluence

Ex: drive thermique

Exemple: une seule des rsistances est soumise la grandeur dinfluence et est choisie gale Rc (cas de lexemple prcdent)

0

),(

k

k

k

mc

c

ms

m

kcsm

g

R

R

v

g

R

R

ve

dg

dv

RRFev

voulu

k

m

c

m

R

v

R

v

Le montage potentiomtrique en gnral

Attention aux grandeurs qui interviennent

Rsistance gnrateur et entre appareil

Capacits parasites (dont entre appareil)

Figure ash p57

cd

cs

cs

csdsc

dcsm

RR

RRR

Re

RRRRRRR

RRev

111 )()(

Inconvnient: sensible aux parasites et aux drives du gnrateur

Petit prambule

2

21

1

B

AB

B

A

B

A

B

A

BB

A

BB

A

BB

A

B

A

Linarisation du montage potentiomtrique

1. Fonctionnement en petits signaux

2. Alimentation par une source de courant (ex: TD sur thermistance)

201

10

01

0

0

cs

sm

cs

csm

cc

RRR

RRv

RRR

Rev

RR

sensibilit

Sensibilit maximum pour 01 cs RRR

00

4 c

smm

R

evv

ivv mm 0

Linarisation du montage potentiomtrique (2)

3. Montage push-pull: R1 et R2 sont deux capteurs qui varient en sens inverse (TD1)

R1

R2 vm

Cas dune grandeur dinfluence:

Le push pull entrane une compensation

La sensibilit varie

00

4 c

smm

R

evv

Et si le capteur nest pas purement rsistif?

Trois cas

1. X1=0

2. X1 de mme signe que Xc

3. X1 et Xc de signes opposs

1. Montage simple

111 jXRZ

jXRZ ccc

cs

mmc ZR

evvZR

101

Z1

Zc

es

Second cas

X1 et Xc de mme signe Ex: deux inductances Deux capteurs

noyaux mobile mont en push pull.

Linarisation Possibilit de

compensation des grandeurs dinfluence

Z1

Zc

es

Cas dimpdances capacitives

Le principe est le mme mais.

Problme: les capacits parasites

Bis repetita: le capteur fournissant une nergie infime, la capacit du capteur est infime

Travailler en diffrentiel via un pont, par exemple, et mesurer une VARIATION de capacit

Troisime cas: parties imaginaires de signes opposs

Le circuit devient un circuit rsonnant

Possibilit dauto-oscillation

r

LkIv

LCf rm

20

2

00

12

Une impdance complexe cest quoi?

En haute frquence, il ny a pas de rsistance, de capacit ou dinductance pure

Il y a toujours, notamment, une capacit parasite

On peut MODELISER une capacit ou une inductance

Figure ash page 83

Les ponts de mesure: objectifs

Annuler la tension rsiduelle

la tension mesure nest pas nulle pour m=0

La composante permanente est grande par rapport ses variations

Rsoudre le problme des capacits parasites: mesures diffrentielles

Fournir des moyens de compenser les grandeurs dinfluence.

Compenser les drives dalimentation

Le principe de base du pont Mesure dune tension

de dsquilibre On nglige leffet des

impdances dentre des appareils de mesure

Une des impdances est le capteurs

Les autres servent quilibrer, linariser ou compenser les grandeurs dinfluence

V

Vg Vd

Vmes Z2

Z3

Z4

Z1

dgmes

d

g

VVV

ZZ

ZVV

ZZ

ZVV

43

3

21

1

324143

3

21

1 00 ZZZZZZ

Z

ZZ

ZVmes

Cas de rsistances pures: Pont de Wheastone

Divers types de ponts

Mesures capacitives

Pont de Sauty (capacit air)

Pont de Nernst

Divers types de ponts

Mesures inductives

Pont de Maxwell

Pont de Hay

Exemple dj vu: capteurs rsistifs

Montage 4 fils

Exemple: mesure dune rsistance en platine pour mesure de temprature

Mesure assez grossire

Inadapt pour de petites variations de temprature, donc de rsistance

La solution: montage en pont (dsquilibr)

Montage 4 fils

Pont de Wheastone dsquilibr (courant ou tension)

Principe du pont De une quatre rsistances peuvent varier

am ERRRR

RRRRv

))(( 4321

4132

am I

RRRR

RRRRv

4321

4132

RRR

RRi

02

0

toujourspas mais 44

21

1

0

0

0

aam

E

R

RE

R

RR

Rv

toujourspas mais 44

41

1

0

aam

IR

I

R

RRv

Cas de deux rsistances variables

Exemple: jauges extensomtriques Deux dformations gales et de signe oppos (push pull) Elimination de la variation de la rsistance des fils de liaison Rl qui

est commune et disparat dans la diffrence-

202

101

043

RRR

RRR

RRR

4

21

1

0

210

12 am

E

R

RRR

RRv

4

21

1

0

2112

am

I

R

RRRRv

Possibilit de compenser. Exemple:

202

am

E

R

RvRRR

Montage 3 fils

limination de la rsistance des fils de liaison

l

l

RRR

RR

2

1

4

21

1

0

210

12 am

E

R

RRR

RRv

40

am

E

R

Rv

Enfin: Systme quatre rsistances variables

Exemple: capteur de pression constitu de 4 jauges extensomtriques montes en pont sur un diaphragme

104

103

02

01

RRR

RRR

RRR

RRR

am

am

IRv

ou

ER

Rv

0

Push pull + compensation dune grandeur dinfluence

Linarisation du pont

am

am

a

ER

Rv

EvIRRIR

R

EI

0

00

0

2

)(

2

am

aadroit

aampli

agauche

ER

Rv

R

ERRE

RI

R

ERRv

R

EI

0

00

0

2

)(2

1

)(

Conditionneur du capteur source de courant

Convertisseur courant-tension ampli-op. Circuit idalis (de principe)

Objectif: Faire R leve

Cot Bruit Encombrement Montage en T

iRv + -

R

i

3

212

3

21 11

R

RiRR

R

RRiv

Inconvnient: Offset et bruit de fond accrus en sortie

Ampli

Courant polarisation

Conditionneur du capteur source de charge

Cas simplifi Le condensateur accumule la charge

Cas rel il faut assurer la circulation du courant de polarisationrsistance Les cbles de liaison ont une influence considrable

HF: v est divis par Ccable BF: v est divis par Rcable Ne pas modifier les cbles!

C

Qv

Cp

iiZv

0

0 Q)(I nintgratio

haut passe

RCp

RCp

C

pQv

1

)(0

Oscillateurs

Convertir le signal utile en frquence Meilleure immunit aux parasites Numrisation aise (comptage) Tltransmission possible

Oscillateur Clapp et quartz pizolectrique

Modulation de frquence

Capteur mont sur un circuit RLC

LCf

12 00

mkff 0Modulation de frquence par le mesurande

Modulation damplitude

Cas o le mesurande varie priodiquement

)cos()cos(2

1)cos()cos( bababa es ~

ttkmv

ttkmvtmm

tkmv

mgmgmes

mgmes

m

gmes

)(cos)(cos2

1

)cos()cos()cos(

)cos(

0

0

0

Composantes spectrales fg+fm et fg-fm

Suppression de porteuse

Modulation damplitude et dtection synchrone

Cas o le mesurande est continu

Supression de la composante HF par filtrage passe bas

Obtention dun niveau continu

)2cos(cos2)cos(

)cos(

t

kmAXv

tAY

tkmv

gmesg

gmes

es ~

Tltransmission

Un vieux transparent

am ERRRR

RRRRv

))(( 4321

4132

RRR

RRi

02

0

toujourspas mais 44

21

1

0

0

0

aam

E

R

RE

R

RR

Rv

Conditionnement de signal : linarisation

Rsoud le problme prcdent

0

0

21

1

4

c

cc

csm

R

RR

REv

ref

s

c

cc

cs

ref

m

ml

ref

lmmml

ref

lm

ref

yx

E

Eb

R

RR

RE

E

bv

avv

E

vvbavbvavv

E

vv

E

VVv

21

21

1

41

0

0

0

0

s

ref

sref

E

Eb

EE

2

nelproportion

Autre procd

Linarise le pont de Wheastone

Supprime les fluctuations de lalimentation du pont grce un diviseur

0

0

0 210

21

1

4 c

cl

c

cc

csm

R

Rv

R

RR

REv

Amplification

Quatre signaux de mesures

Lamplificateur utiliser: amplificateur diffrentiel

Tension de mode commun

Tension diffrentielle

2

2

2

2

1

21

12

dmc

dmc

mc

d

vvv

vvv

vvv

vvv

Principe de lamplificateur diffrentiel

Amplificateur: non parfaitement symtrique

Tension diffrentielle dentre

Tension de mode commun dentre

2

12

12

120

iimci

iidi

ii

vvv

vvv

vGvGv

Bilan

Tension de sortie

Gain diffrentiel

Gain de mode commun

Taux de rjection du mode commun (Common Mode Rejection Ratio) en dB

Ex: CMRR=105100 dB

GG

GG

G

G

GGG

GGG

vGGvGG

v

mc

dr

mc

d

mcidi

2

1

2

20

Le CMRR dcrot avec la frquence, mais aussi selon les liaisons avec la source de signal

Les impdances dentre de lamplificateur

Entre bornes dentre: impdance dentre diffrentielle Zid

Entre borne et masse de lamplificateur: impdance de mode commun Zmc

Grande rsistance, capacit faible: frquence de coupure BASSE

Sources de dsquibre entre voies (1)

Dsquilibre srie: limpdance des cbles de liaison introduit une diffrence sur la tension diffrentielle aux bornes de lampli

2,1

11

2

22

2

ZZ

vZZ

Zv

vZZ

Zv

mc

mc

mci

mc

mci

mcmc

dmcmc

ddi vZ

Zvv

Z

ZZvv

21

Taux de rjection associ

Le dsquilibre srie entrane une rduction du taux de rjection

quilibrer les voies

rmceff

mceff

ddmcrmc

ddmcir

did

Z

Z

vvGvZ

ZvGvvGv

11

1110

Sources de dsquibre entre voies (2)

Dsquilibre parallle: effet des capacits parasites entres conducteurs et masse

Si la capacit parasite est prdominante par rapport celle dentre

Effet de diviseur, galement

22

11

1

1

jCZ

jCZ

mc

mc

111

11

222

22

vZZ

Zv

vZZ

Zv

mc

mci

mc

mci

Consquences et solutions

Dans le cas de voies damene quilibres, on trouve

Bilan quilibrer les impdances

Porter le blindage damene au potentiel de mode commun par un anneau de garde

mcddi vCCRjvv

RZZ

)( 21

21

Compatibilit ElectroMagntique ou CEM

Les 6 modes de couplages

Masse et terre

Cblage des masses

Blindage magntique

Blindage lectromagntique

Pass et prsent

Rgles des annes 70 Basse frquences

Masses connectes en toile

Isolation galvanique une des extrmits

Effet: rduction des parasites de mode commun

Rgles des annes 2000 Hautes frquences

Les couplages par rayonnement, influence etc deviennent prdominants

Prise en compte des aspects HF et inductifs

Conception soumises des rgles svres, en amont.

Maillage des masses. Equipotentialit

1] Effet dun courant circulant dans un conducteur

Impdance dun conducteur: toujours non nulle

Critique pour les circuits bas niveau ou rapides

Couplage dit par impdance commune

Remde: abaisser limpdance commune et/ou les courants parasites

2] DDP variable entre un conducteur et la masse la plus proche

Li la capacit masse/conducteur

Couplage dit capacitif carte chssis ou par effet de main

Remde: rduire les capacits

(comment???) Avoir un chssis

quipotentiel avec la masse

3] Effet dun courant variable dans un conducteur sur un autre conducteur

Diaphonie inductive

Le champ magntique induit une ddp dans le conducteur

Remde Rduire les

inductances mutuelles

Rduire le di/dt

4] DDP variable entre un conducteur et un conducteur voisin

Couplage par diaphonie capacitive

La ddp entrane un champ lectrique qui gnre un courant

Remde Rduire la capacit

mutuelle Rduire le dU/dt du

circuit coupable

Charoy 1 p 18

5] Champ lectrique variable sur un conducteur

Couplage dit champ cble

Remde Rduire leffet

dantenne du cble victime

Blindage lectromagntique (cage de Faraday)

6] Champ magntique variable dans une boucle

Une variation de flux cre une ddp

Remde: rduire la surface de

la boucle

blindage

Mode commun et mode diffrentiel

Faible couplage des perturbations en mode diffrentiel

Fort couplage des perturbations sur le mode commun: cest LE problme de la CEM

Se propage sur tous les conducteurs et revient par la masse

Masse = quipotentielle + poubelle de mode commun

Un cble pollu pollue TOUS les autres

Fig 1.12 et 1.13

Une autre

Trois remdes pour le MC

Exemple de la disymtrie dimpdance

Remdes en HF Maillage des masses

Filtres rfrencs la masse mcanique

Ferrites sur les cbles

Couplage par impdance commune: quelques ordres de grandeurs

Ddp entre les bornes dune piste de circuit imprim de 5cmx0.3mm, sous 1A? 83 mV!

Effet de peau, par rapport au cuivre, soit 1cm 50 Hz!

Application: 100 MHz, une plaque de cuivre est 4 fois plus rsistante quen continu (4m/carr)

Une plaque de 17 m a la mme rsistance quune plaque paisse (lpaisseur ne joue pas)

MHzrr fm

66)(

)/(/// carreLeLSLR

Un autre exemple: conducteur destin assurer lquipotentialit

Un conducteur de 10 m ne peut assurer lquipotentialit au-del de 1 MHz, soit 300m Problme dinductance

Un conducteur ne doit pas dpasser /30 pour assurer lquipotentialit HF

Ex: =1m 300 MHz3cm

Pour rduire une perturbation dun facteur 5: 6mm!

Rgle de base: L/d

Quelques remdes plusieurs problmes

Couplage capacitif carte/chssis

Diaphonie

Mode diffrentiel

Ex: un seul cble 0V dans une nappe

Dernier exemple: diaphonie de mode commun

Pire cas: deux cbles voisins avec des conducteurs de retour loigns (effet de boucle)

Solution: Supprimer les boucles par anneau de garde

Le problme des masses

La terre? Destine couler dans le sol des charges

extrieures au systme Protection des personnes (il faut surtout une

EQUIPOTENTIELLE) Evacuation des courants de fuite par les conducteurs

de terre Rfrence de potentiel (ex: remplissage de krosne) Evacuation de mode commun externe (ex:

surtensions limites par crteur, parafoudre). Ouvrages HT: abaisser la rsistance de terre Effet sur une antenne (terre=ristance de pertes) Terre crypto : illusoireblindage Terre fonctionnelle (tlgraphe)

Exemple

En CEM, ce qui importe, cest la masse

Objectif: avoir un systme aussi quipotentiel que possible et protgeant de tout parasite

Trois exemples de boucles

Solution

Le mythe des masses relies en toile

ce que jai appris

Et quil ne faut pas faire

Solution: maillage

Une liaison supplmentaire: rduction des surfaces de boucle+meilleure quipotentialit.

Une liaison supplmentaire pour amliorer lquipotentialit des masses

Blindage lectromagntique

Ex: protection contre leffet dun claquage

cage de Faraday.

Maille du grillage

Blindage magntique

Utilisation dun blindage trs forte permabilit (mu-mtal)

Exemple: protection dun photomultiplicateur

B=H: pour H donn, tout le champ se trouve pig dans le mu-mtal

analogue une conductivit

Petit bmol: lev pour H petit

Intressant pour les champs faibles

A terme: B limit 1 ou deux teslas, et alors devient faible et le blindage est nul

DeE r /

Cblages et masses

Dois je raccorder le blindage gauche, droite, ou aux deux bouts, ou nulle part?

cran capteur

Nulle part: sans intrt (rduit cependant la diaphonie capacitive en mode diffrentielsoit) Tuyau ouvert aux deux extrmits

A droite (cran): limite la diaphonie entre cbles, en BF, mais ne protge pas du mode commun

cran capteur

Vmc

Connexion bilatrale

Trs bonne protection contre le mode commun HF (bote ferme)

cran capteur

La rgle: on ne connecte dun ct que si, simultanment:

Les signaux sont en BF (quelques kHz)

Les signaux sont bas niveau

Sil peut exister en BF une tension de mode commun entre extrmits du cble suprieure au niveau de bruit tolrable * CMRR

La transmission se fait en tension et pas en courant

Lcran est directement sur les conducteurs signaux (ce nest pas un autre)

En rsum: consultez un ouvrage de CEM et comprenez le.

Exemples rares-: capteurs analogiques (tte de lecture, microphone, capteur dacclration, jauge de contrainte, thermocouple, PT100, capteur de proximit)

Le montage idal

Le cas habituel Le bout de cble

peut se comporter comme une antenne

Le circuit RC sert amortir la rsonnance /4 du cble

Figure 7.36 p 390

Figure 7.37 p 391

Un cas compliqu (thermocouple haute temprature)

Doit on amplifier la source?

Le mode commun, toujours le mode commun

Conclusion

Ayez le rflexe CEM!

Pensez que la CEM est incontournable

Consultez les ouvrages spcialiss

Pensez y avant, pas aprs

Oubliez les a priori issus du continu

Merci de votre attention