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Capteurs intelligents

I. Truck Dépt MIME

Université Paris 8

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Capteurs intelligents   Plan général du cours

  Avant Propos   Exemple préliminaire   Qu’est-ce qu’un capteur?   La mesure   Les capteurs “intelligents”   La fusion de données   Un exemple concret: un capteur de température (cf.

TP)

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Avant Propos (1)   En électronique, le flux d'informations traité comporte 2

types :   l’observation de phénomènes physiques => mesure de ces

phénomènes   la communication (humain <=> machine; humain <=> humain;

machine <=> machine)

  On distingue 4 sources principales d’information:   Gestuelle, voix, image… (humain)   Informations de contrôle, résultats de calculs… (machine)   CD-ROM, bandes magnétiques, mémoires d'ordinateurs, …

(banques d'informations)   Phénomènes physiques observés, … (environnement naturel)

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Avant Propos (2)   Les informations traitées ont différentes formes:

  acoustique,   optique,   thermique,   etc.

  Pour les traiter, nécessité d’une traduction préalable   signal électrique = représentation physique d'une information

Phénomènes physiques Traduction

Signal analogique Signal numérique

conversion

Signal électrique

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Avant Propos (3)   Signal analogique

  Cas où l’information issue de la source = variation continue de valeurs

  peut prendre une infinité de valeurs ds une plage donnée   Transmission continuelle dans le temps.

  Signal numérique   Cas où l'information issue de la source = ensemble de valeurs

distinctes (ou grandeurs électriques) fixées à l’avance et limitées à très peu de valeurs (ex. 0V et 5V)

  A chaque information correspond un état propre du signal   il est binaire, en général   il peut être transmis de manière séquentielle => permet la

correction d'erreurs car on peut mélanger d'autres informations à l’information propre du signal

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Avant Propos (4)   La traduction des phénomènes physiques en

informations exploitables correspond à une conversion d'une forme d'énergie en une autre forme d'énergie => c’est le rôle des dispositifs comme les capteurs

  Capteurs, Transducteurs, Actuateurs   systèmes électroniques qui traitent des signaux

provenant de diverses sources d'informations   ces informations représentent un phénomène physique

propre (ex. température, lumière, son, ...)

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Avant Propos (5)   transducteur : dispositif de conversion d'énergie dont au

moins l'une des deux est électrique   capteur : transducteur qui transforme un phénomène

physique (obligatoirement) en une grandeur électrique   actuateur, appelé également actionneur : transducteur

assurant la transformation inverse du capteur

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Exemple préliminaire (1)

  Problème du remplissage d’une bouteille   cas d’une usine qui produit

de l’huile qu’elle conditionne en bouteille

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Exemple préliminaire (2)

  Ds une bouteille, il doit y avoir une certaine quantité de produit:

  Si elle n'est pas assez remplie, problèmes (consommateur, services de la répression des fraudes…)

  Si elle est trop remplie, problèmes (perte d’argent car trop de produit, problèmes pour fermer la bouteille…)

  => mettre dans chaque bouteille une quantité identique de produit

  => cette quantité doit être la plus proche possible de celle imprimée sur la bouteille

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Exemple préliminaire (3)   Comment faire ? Peser chaque bouteille ?

  Est-ce qu’un système de pesage peut répondre assez vite pour peser chaque bouteille individuellement ?

  Supposons que la chaîne de remplissage possède une capacité de remplissage de 100000 bouteilles/heure et qu’elle fonctionne avec une ligne de remplissage de 6 bouteilles en parallèle, en combien de temps la ligne est-elle traitée?

  Dans ce temps, il faut évidemment intégrer le temps de transfert de la bouteille sous la buse de remplissage

  => On va donc devoir procéder à une mesure simultanément indirecte et globale.

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Exemple préliminaire (4)   Explications:

  huile = liquide un peu spécial, visqueux, qui s’écoule assez lentement (gravité)

  Écoulement naturel bcp trop lent pour permettre un taux de remplissage rentable! => nécessité d'accélérer le psus

  De plus, vitesse d’écoulement varie au cours du temps à cause de la gravité: moins il y a d’huile dans la cuve de stockage, et plus le remplissage est lent

  Nécessité d’assurer un débit constant => exercer ds la cuve une pression constante suffisamment importante pour contrecarrer l’effet de la gravité lorsque la cuve se vide, càd que l’effet induit par la gravité doit être plus petit que la précision nécessaire (en terme de débit constant)

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Exemple préliminaire (5)   => problème de remplissage = problème de maintien d'une

pression constante   => solution : mesurer la pression et la maintenir à une

valeur donnée

  Mise en œuvre d’un processus séquentiel   débit d’huile est maintenu constant dans les canalisations

d'alimentation   pour permettre un remplissage identique, chaque rangée de

bouteilles stationne pendant un temps prédéterminé sous le système de remplissage

  buse de remplissage est ouverte pendant un temps calibré et à débit constant

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Exemple préliminaire (6)   schéma simplifié du psus de remplissage

huile

gaz

commande synchrone

commande d’ouverture séquentielle

moteur d’entraînement

vanne

bouteille de gaz

alimentation en huile

asservis- sement capteur

de pression

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Qu’est-ce qu’un capteur ?

  Modèle d’un instrument de mesure (1)   Capteur = instrument de mesure   Objet de la mesure = grandeur physique =

mesurande (noté m)   m est mesuré par diverses opérations

expérimentales = le mesurage   mesurage produit un signal électrique s, image

de la grandeur physique et de ses variations

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Modèle d’un instrument de mesure (2)

  Donc capteur = dispositif physique qui, soumis à l’action de m, non électrique, produit la caractéristique électrique: s = F(m)

m

t

s

t

Capteur mesurande (m) grandeur électrique (s)

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Modèle d’un instrument de mesure (3)   La forme théorique de la relation s = F(m) est le résultat

des lois physiques qui régissent le capteur   La forme pratique (càd l’expression numérique) de cette

relation dépend de la construction du capteur, de ses matériaux, de son environnement…

  Cette expression numérique est souvent obtenue par étalonnage.

L’opération d’étalonnage produit une courbe plus ou moins linéaire que l’on s’efforce d’utiliser ds une zone linéaire, càd ds une zone où le capteur a une sensibilité S constante en fonction des variations de la grandeur de sortie Δs et de celle d’entrée Δm:

Δs = S * Δm

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Classification des capteurs (1)   De l’extérieur, un capteur est observable au

travers un signal électrique qu’il produit   Donc, il peut être vu comme

un générateur ou une résistance

Capteur actif

signal s est une charge (courant ou tension)

Capteur passif

signal s est une impédance (résistance, inductance ou capacité)

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Classification des capteurs (2)   Capteur actif

  fondé sur un principe physique qui assure la conversion de l’énergie propre au mesurande en une énergie électrique:

  l’effet thermoélectrique, qui prend naissance dans la jonction entre deux conducteurs de nature différente, produit un signal image d’une température conduite

  l’effet pyroélectrique, qui se traduit par la polarisation électrique spontanée de certains cristaux en fonction de leur température, permet une mesure de la température rayonnée (flux)

  l’effet piézoélectrique, qui prend naissance dans certains quartz lorsqu’ils sont soumis à des contraintes mécaniques, permet de mesurer des forces, pressions et accélérations

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Classification des capteurs (3)   l’effet d’induction électromagnétique, qui se traduit par une force

électromotrice prenant naissance ds un conducteur qui se déplace ds un champ électromagnétique, permet d’appréhender la vitesse de déplacement de ce conducteur ds le champ

  l’effet Hall, qui se matérialise par une tension perpendiculaire qui apparaît sur certains matériaux semi-conducteurs lorsqu’ils sont parcourus par un courant selon leur axe principal et soumis à une induction magnétique ds une certaine direction, permet d’obtenir l’orientation du matériau par rapport aux lignes du champ magnétique

  l’effet photoélectrique: il en existe plusieurs, qui diffèrent par leurs manifestations mais qui ont pour point commun la libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement électromagnétique, dont la longueur d'onde est inférieure à une valeur seuil, caractéristique du matériau.

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Classification des capteurs (4)   l’effet photovoltaïque, qui se traduit par une libération

d’électrons et de trous au voisinage d’une jonction de semi-conducteurs P et N, permet de mesurer l’intensité d’un flux lumineux

  Effet photoémissif: Les électrons libérés sont émis hors de la cible éclairée et forment un courant collecté par application d'un champ électrique

  Effet photo électromagnétique: L'application d'un champ électromagnétique perpendiculaire au rayonnement provoque dans le matériau éclairé l'apparition d'une tension électrique dans la direction normale au champ et au rayonnement.

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Classification des capteurs (5)   Capteur passif

  Il est sensible au mesurande par l’intermédiaire de l’action de celui-ci sur les propriétés électriques ou sur les caractéristiques géométriques de sa résistance:

  la résistivité des matériaux conducteurs ou semi-conducteurs dépend de leur température

  la résistivité de certains alliages dépend de leur déformation   la résistivité de certains semi-conducteurs dépend du flux

lumineux   la conductivité de certains matériaux dépend de l’humidité   la constante diélectrique d’un montage de type condensateur

dépend de sa géométrie, dc des positions ou déplacemts relatifs de ses armatures

  la perméabilité magnétique des alliages ferromagnétiques dépend de leur déformation

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Classification des capteurs (6)   Capteur passif (suite)

  La variation de résistance résulte :   Soit d’une variation de dimension du capteur, c’est le principe de

fonctionnement d’un grand nombre de capteur (capteurs de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile…)

  Soit d’une déformation résultant de force, pression, accélération ou de grandeur s’y ramenant (armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d’extensomètre liée à une structure déformable)

  La résistance d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur

  Les capteurs résistifs (capteurs passifs dont la grandeur mesurée est la résistance) sont souvent utilisés de deux façons :

  alimentés à courant constant (tension proportionnelle à la résistance)   placés dans un pont de jauge (tension proportionnelle à la grandeur

physique) => explications diapos suivantes

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NB: Jauge de contrainte (1)

  L'extensométrie électrique   extensomètre : appareil permettant de mesurer

les déformations produites dans un corps sous l'effet de contraintes mécaniques (souvent associées à un effort)

  L'extensométrie électrique permet la mesure de déformations locales. On peut ainsi mesurer des déplacements, des pressions, des accélérations ou des forces par le biais de capteurs à jauges de contrainte.

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NB: Jauge de contrainte (2)   jauge de contrainte :

  principe du fil que l'on déforme   fil, très fin, placé longitudinalement par

rapport à la déformation   en agissant par traction ou compression sur

le fil (c’est l’état sous contrainte), celui-ci devient plus ou moins long par rapport à son état au repos

  cette variation de longueur modifie la résistance électrique du fil => mesure de la variation de résistance

  comme la variation de résistance électrique due à la déformation d'un seul fil est très faible, le fil est agencé sous forme sinusoïdale de manière à ce que la déformation intéresse en même temps plusieurs tronçons du fil et amplifie donc proportionnellement la variation de résistance.

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NB: Jauge de contrainte (3)   Les jauges sont souvent associées par collage sur une

pièce support (corps d’épreuve, cf. plus loin) qui fait office d'amplificateur

  La déformation de la pièce support entraîne celle de la jauge de contrainte

  Elle ne supporte pas en direct les efforts   Plus la pièce support est massive, et plus, pour un même

effort, la déformation de la jauge sera faible   En connaissant les propriétés physiques du matériau

constituant la pièce support, on peut mettre en oeuvre un capteur

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Jauge de contrainte (4)   Les jauges de contraintes sont souvent associées par 4 sur un pont de

Wheatstone (pont de jauges) :

  Un pont de jauges est dc un dispositif (un capteur, finalement) permettant de mesurer une tension (avec le voltmètre) qui varie en fonction de la déformation de la pièce support qui entraîne une déformation de la résistance des jauges (notées R1, ... R4 ds le schéma)

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Classification des capteurs (7)   Capteurs actifs

Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie

Température Thermoélectricité Tension

Flux de rayonnement

optique

Pyroélectricité Photo émission

Effet photovoltaïque Effet photo électromagnétique

Charge Courant Tension Tension

Force Pression

Accélération

Piézoélectricité Charge

Vitesse Induction électromagnétique Tension

Position (Aimant) Effet Hall Tension

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Classification des capteurs (8)   Capteurs passifs Mesurande Caractéristiques

électriques sensibles. Type de matériaux

utilisés.

Température. Très basse température.

Résistivité. Constante diélectrique.

Métaux : platine, nickel, cuivre, semi-conducteurs. Verres.

Flux de rayonnement optique.

Résistivité. Semi-conducteurs.

Déformation. Résistivité, Perméabilité magnétique.

Alliages de nickel, silicium dopé. Alliages ferromagnétiques.

Position (Aimant) Résistivité Matériaux magnéto-résistants : bismuth, antimoniure d'indium.

Humidité Résistivité. Constante diélectrique.

Chlorure de lithium Alumine, polymères.

Niveau Constante diélectrique. Liquides isolants

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Ex. d’utilisation des grandeurs physiques

  Grandeurs physiques à mesurer   Mesure de présence (effet pyroélectrique) :

  Ces capteurs indiquent la présence d'un objet ou d'une personne   Utilisation : alarme, allumage automatique de lampes de jardin, les

ouvertures de portes automatiques, feu tricolore, …   Mesure de position, de déplacement (effet photoélectrique)

  indiquent la position courante d'un objet animé d'un mouvement de rotation ou de translation

  Utilisation : compteur kilométrique, détecteur de mouvement, de densité de foule…

  Mesure de vitesse   Ces capteurs indiquent la vitesse linéaire ou angulaire d'un objet   Utilisation : vitesse d'une voiture, vitesse d'un vélo, compte-tours,

radar, …

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Ex. d’utilisation des grandeurs physiques   Mesure d'accélération, de vibration ou de chocs

  Utilisation : tilt des flippers, …   Mesure de débit, de force, de couple, de pression

  Utilisation : pression des pneus, balance, …   Mesure de température, d'humidité

  Utilisation : thermomètre, chauffage, climatisation, …   Mesure de lumière

  Utilisation : éclairage public, panneaux solaires, …   Mesure de champ magnétique

  Utilisation : boussole, détection de métaux, …   Mesure de distance (une onde vient frapper l’obstacle et le temps

qu’elle met à revenir permet de connaître la distance à l’obstacle)   Utilisation: mesure de la taille d’une personne, …

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Capteurs à effet piézoélectrique (1)

  Effet piézoélectrique   On l’a vu, une force appliquée à une lame de quartz

induit une déformation qui donne naissance à une tension électrique.

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Capteurs à effet piézoélectrique (2)

  Capteur de force   Schéma

  Tension de sortie VS est proportionnelle à la force F:   VS = k.F (avec k constante)

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Capteurs à effet piézoélectrique (3)

  Capteur de pression   Définition : Lorsqu’un corps (gaz, liquide ou solide)

exerce une force F sur une paroi de surface S, on peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation :

P = F/S

  1kg = 9.81 N   1 bar = 105 Pa = 100000 N/m² ≈ 1kg/cm²

Pascal (Pa) Newton (N) m²

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Capteurs à effet piézoélectrique (4)   Le capteur de force est inséré dans la paroi d’une enceinte où

règne une pression P   Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et

l’autre face est soumise à la force F0 (pression extérieure P0)

  On a F = P.S ; F0 = P0.S et uS = k.F (capteur de force, k = cste)   Donc uS = k.S(P–P0) = k’( P– P0 ) => uS = k’ ( P– P0 )