capteurs et instrumentations · un capteur à effet hall est basé sur ce fonctionnement....

Capteurs et instrumentations

Cours S2 GEIIIUT Angoulême 2018-2019

• Chapitre II

Capteurs de Température, capteurs de position et capteurs de lumière.

Capteurs de température


GénéralitésLes capteurs de température sont utilisés dans de nombreuses

industries.

-chimie

-Alimentation

-analyse et optimisation de fonctionnement

-gestion des bains de peinture, traitement des métaux....

Les capteurs de température sont classés en deux catégories

principales:

les capteurs a contact : échange de chaleur entre le milieu et

le capteur jusqu'à établissement de l'équilibre thermique

Pyromètres optiques (sans contact) : basés sur la relation

entre la température d'un corps et son rayonnement optique(infra-rouge ou visible)


Généralités

Capteurs de température à contact

Thermomètres à résistance et à thermistance

Le fonctionnement des thermomètres à résistance et

thermistances est basé sur le même phénomène physique ;

l'influence de la température sur la résistance électrique d'un

conducteur. La mesure d'une température est donc ramenée à

la mesure d'une résistance. Comme la caractéristique

résistance/température est de nature différente pour un métal

et un agglomérat d'oxydes métalliques, deux cas sont

distingués. On parlera de thermomètre à résistance d'une partet de thermistance d'autre part.

Thermomètres à résistance et à thermistance

Thermomètres à résistanceLe conducteur est un élément métallique. On peut établir une relation

bijective entre la résistance R et la température 𝑇 et ainsi mesurer 𝑇en mesurant R.

Cette relation est de la forme :

𝑅 𝑇 = 𝑅0(1 + 𝑎𝑇 + 𝑏𝑇2 + 𝑐𝑇3)avec 𝑇 la température en °C, 𝑅0 la résistance à 0 °C, a, b et c des

coefficients positifs, spécifiques au métal.


Thermomètres à résistance


Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-

à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température

élevée, de l'ordre de 150 bars et 1000 °C.

La composition d'une thermistance peut-être, par exemple : Fe2O3

(oxyde ferrique) ; MgAl2O4 (aluminate de magnésium) ; Zn2TiO4

(titane de zinc).

Thermomètres à thermistance

La résistance électrique d'une

thermistance est très sensible à

l'action de la température. Il existe

deux types de thermistance, les CTN à

coefficient de température négatif, et

les CTP à coefficient de température

positif. La loi de variation est de laforme :


Thermomètres à thermistance


Thermocouples


Capteurs a semi-conducteurCes capteurs sont les plus employés actuellement

pour une gamme de température usuelle. On trouve

dans le même boîtier l’élément sensible constitué

d’une diode Zener et une amplification en tension. On

dispose en sortie d’une tension qui peut

atteindre10mV/ °C et une précision inférieure à 1%.On

détecte la variation de température par mesure de lavariation du courant traversant la diode en inverse.

Capteurs de température sans contact

La pyrométrie optique est une méthode de mesure de la

température basée sur la relation entre la température d'un

corps et le rayonnement optique (infrarouge ou visible) que ce

corps émet. Détermination de la température sans contact avec

l'objet.

Applications :

-mesure de température élevée (>2000°C);

-mesures à de grande distance

-environnement très agressif

-Localisation des points chauds

-Pièce en mouvement

Généralités


Tout corps émet spontanément et en permanence un rayonnement

électromagnétique dont le spectre continu à une répartition énergétique

fonction de la température. Les lois de cette émission sont établies pour le

corps idéal, le corps noir.

Le corps noir : caractérisé par une absorption totale de tout rayonnement

incident

Principe physique

avec :

•h : constante de Planck;

•c : vitesse de la lumière;•k : constante de Boltzmann;

Capteurs de position


Généralités

Les capteurs de positions sont les capteurs les plus répandus

dans les automatismes. Ils sont utilisés pour détecter:

•la position précise d'un objet

•la présence d'un objet

•le niveau d'un fluide

•l'épaisseur d'une pièce

•l'angle de rotation d'un arbre


D'utilisation limitée, les capteurs pneumatiques sont habituellement associés

à des détecteurs électriques. Appelés généralement "capteurs à fuites", ils

sont utilisés surtout pour détecter des pièces à faible distance, sans contact

et donc sans usure. L'orifice A est relié à la distribution pneumatique tandis

que l'orifice B est associé à un capteur électrique. En absence de pièce, l'air

sous pression s'évacue et aucune pression résiduelle ne revient par B. En

présence de pièce, une pression résiduelle revient par B actionnant un micro

rupteur.

Les capteurs pneumatiques

Caractéristiques

•précision de la détection

•Choix en fonction de la distance à

détecter, de la pression maximale et

minimale et de l'encombrement•Indice de protection


Les capteurs mécaniques

En perte de vitesse, les capteurs mécaniques à contact sont les seuls

encore largement utilisés. L'action mécanique sur la partie mobile du

capteur permet d'établir ou d'interrompre un contact électrique.

caractéristiques principales de ces

capteurs :

•Pouvoir de coupure et type de contact (3)

•Taux moyen de bon fonctionnement

•Encombrement

•Indice de protection

•Type de palpeur (2)


Les capteurs résistifs

Essentiellement utilisés pour mesurer des déplacements ou des rotations.

Ils utilisent le principe du montage potentiométrique permettant d'obtenir

une relation directe entre déplacement et tension.

Caractéristiques

•Longueur ou angle de la course

•Résistance totale

•Linéarité

•Force de déplacement

•Durée de vie•Répétabilité


Les capteurs Inductifs

Les capteurs inductifs sont parmi les plus utilisés sur les

systèmes automatisés. Plusieurs types de capteurs

cohabitent mais ils reposent tous sur un phénomène

magnétique.

Les détecteurs inductifs

Capteur à effet Hall

Les capteurs Inductifs

Ces capteurs se composent d'un oscillateur ayant pour fonction de générer

un champ magnétique de fréquence 100 à 600Hz selon les modèles.

Lorsqu'une pièce métallique pénètre dans ce champs, elle est le siège de

courants induits circulaires qui se développent à sa périphérie. Ces courants

constituent une surcharge pour le système oscillateur et entraînent de ce

fait une réduction de l’amplitude des oscillations au fur et à mesure de

l’approche de l’objet métallique, jusqu’à blocage complet. La détection est

effective lorsque la réduction de l’amplitude des oscillations est suffisante

pour provoquer un changement d’état de la sortie du détecteur.

Les détecteurs inductifs

Capteurs de positionLes capteurs Inductifs

Capteur à effet HallLorsqu'un matériau semi-conducteur est parcouru par un courant Ich et soumisnormalement aux grandes faces à un champ d'induction magnétique B, onconstate, entre les deux faces parallèles à la direction du courant, l'existence d'unetension appelée tension de Hall (Vh).L'amplitude de cette tension dépend à lafois du courant, du champs B, d'une constante dépendant des caractéristiquesdu semi-conducteur et de l'angle entre le champs B et la normale de la surface.Un capteur à effet Hall est basé sur ce fonctionnement. Vh=B.Ich.l.sinαPour sa mise en oeuvre, soit la sonde de Hall est fixée sur un aimant et on détectela présence d'une pièce mécanique, ou alors on détecte directement la présencede l'aimant.


Les capteurs capacitifsUn capteur capacitif permet de détecter la présence d'un objetmétallique ou non. Lorsqu’un objet de nature quelconque (εr > 2) setrouve en regard de la face sensible du détecteur, ceci se traduit par unevariation du couplage capacitif (C1).Cette variation de capacité (C1>C0)provoque le démarrage de l’oscillateur. Après mise en forme, un signal desortie est délivré.


Les capteurs à ultrasonsL’ultrason est une onde acoustique dont la fréquence est trop élevée pourêtre audible par l’être humain. Il peut dans certaines applicationsremplacer avantageusement le capteur inductif ou capacitif et il peutdétecter des objets jusqu’à plusieurs mètres. L’émetteur et le récepteursont situés dans le même boîtier. L’émetteur envoie un train d’ondes quiva se réfléchir sur l’objet à détecter et ensuite revenir à la source. Letemps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet dedéterminer la distance de l’objet par rapport à la source. Plus l’objet seraloin plus il faudra longtemps pour que le signal revienne.

Capteurs de lumière

Capteurs optiques

Généralités

Un capteur optique est un dispositif capable de détecter l'intensité ou lalongueur d'onde des photons. On les utilise pour détecter un grandnombre de phénomène :-l'intensité lumineuse-la chaleur (capteur pyrométrique)-la présence-la couleur (et donc certains gaz ou produits chimiques)mais aussi pour :-acquérir des informations numériques transmises par desconducteurs(fibres) optiques-des images

Capteurs optiques

Généralités

Le photon : un photon est un grain d'énergie de valeur E=h.ν oùh=6,62.10-34J/s (constante de Planck) et ν la fréquence de radiationde ce photon.Longueur d'onde : une longueur d'onde (en mètre) caractérise unphénomène vibratoire. La relation entre fréquence et longueur d'ondeest λ = 3.108/ν où 3.108 est la vitesse de la lumière en m/s et ν lafréquence de vibration. Chaque couleur est caractérisée par une longueurd'onde particulière.

Capteurs optiques

L'effet photoélectrique

Albert EINSTEIN a montré en 1905 que l'impact d'un photon de fréquenceν sur un métal suffisait à en extraire un électron si l'énergie duphoton h.ν dépassait l'énergie d'extraction W nécessaire pour dégagerl'électron du métal. C'est le phénomène photoélectrique mis en œuvredans la plupart des capteurs. Réciproquement, si un électron libre epercute un électron e’, si l'énergie apporté est suffisante, ce dernière sedéplace sur une orbite d'atome de plus grand diamètre. En retrouvant saposition d'origine, il restitue l'énergie reçue sous forme de photons.C'est le principe mis en œuvre dans les émetteurs photoélectriques(diodes électroluminescentes).

Capteurs de de lumière

Un composant passif est un composant ne disposant d'aucune sourceinterne. L'énergie de sortie est délivrée par l'environnement.Les composants passifs de base sont les résistances, les condensateurs,les inductances.

Les photorésistances:certains semi-conducteurs voient leur résistance varier lorsqu'ils sontexposés à la lumière. Cette caractéristique a été mise à profit pourdonner naissance aux photorésistances. Les photorésistances sont lesseuls capteurs optiques passifs utilisés.

Les capteurs passifs


Le choix du capteur est conditionné par la longueurd'onde de la lumière qu'il devra détecter, et bien sûr parla valeur résistive en fonction de la quantité de lumière.

L'application des photorésistances est multiple, mais onles utilise le plus souvent dans des structures nenécessitant pas une grande précision et oùl'encombrement n'est pas un critère essentiel

Les capteurs passifs


Les capteurs actifsUn capteur actif, lorsqu'il est bien polarisé se comporte comme ungénérateur de courant ou de tension dont l'amplitude de la grandeur desortie dépend de la grandeur à mesurer.

Les photodiodes:sont des diodes au silicium qui exploitent l'effet photo-électrique. Sous éclairement, les photons libèrent despaires électron trous. Sa polarisation en inverse produitun courant (IR) qui augmente proportionnellement àl'intensité lumineuse.

Ces capteurs disposent d'une très bonne répétabilité.Les photodiodes sont beaucoup utilisées en raisons deleur grande stabilité, de leur faible encombrement, deleur coût réduit. Elles ont été par ailleurs utilisées pourdévelopper des capteurs plus performant.


Les phototransistors

Le faible courant électrique transmis par les photodiodes a poussé lesconstructeurs de semi-conducteurs à rajouter à ce composant untransistor donnant ainsi naissance au phototransistor.

Les caractéristiques sont sensiblement lesmêmes que celle des photodiodes. Mais onremarque un courant beaucoup plusimportant. Certains phototransistors disposentd'une troisième patte permettant d'affiner lasensibilité du capteur.


Les cellules photovoltaïques

Utilisant le principe de la photodiode, une cellule photovoltaïque (aussiappelée souvent pile solaire) se comporte comme un générateur enprésence de lumière.On la distingue d'une photodiode par le fait que sa surface est nettementplus grande afin d'obtenir un courant plus important


Les cellules photovoltaïquesLa courbe caractéristique est la suivante : •la courbe 1 est celle d’une cellule dans l’obscurité •La courbe 2 correspond à une cellule soumise à

un éclairement :

Dans le cadran A, un courant inverse existe,la cellule travaille en photodiode (dans lapratique ce mode de fonctionnementconduirait à la destruction de la cellule).

Dans le cadran B enfin, la cellule travailleen générateur d’énergie. Les valeurs Vm,Im permettent d’obtenir une puissancemaximale.

Dans le cadran C, cette courbe ne passe plus par 0 mais parune tension photoélectrique d’environ 0,5v.


Les capteurs CCDUn capteur CCD est un circuit intégré optoélectronique dont lafonction est de capter une image. Afin de récupérer cettedernière, le capteur est composé d'une matrice de capteursoptoélectronique dont chaque point de mesure est appelé pixel.

Pour reconstituer l'image, il faut scruter les pixels du capteur les uns après lesautres puis les transférer vers un fil de sortie. Dans le cas d'une image couleur,chaque pixel est défini par l'intensité lumineuse du rouge du vert et du bleu.

Il faut donc pour un même pixel trois capteurs photoélectriques. La structure logique permettant lebalayage des pixels en ligne et en colonne est intégréégalement dans le circuit. Ce type de capteurs sontmis en œuvre dans les scanners, les caméras, lesappareils photos numériques, etc...

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