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Systèmes Industriels Partie 2 acquisition de
données Pierre Courtellemont Chapitre 2 les
capteurs passifs et leurs conditionneurs
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Chapitre 2 les capteurs passifs et leurs
conditionneurs 2.1. Capteurs. Généralités. 2.2.
Les capteurs résistifs 2.2.1. Exemples de
capteurs résistifs 2.2.2. Conditionneurs
2.2.3. Capteurs avec conditionneurs
intégrés 2.3. Capteurs inductifs et
capacitifs 2.3.1. Capteurs inductifs 2.3.2.
Capteurs capacitifs 2.3.3. Conditionneurs
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2.1. Les capteurs. Généralités Le capteur est
lélément qui va permettre sous leffet du
mesurande den délivrer un signal électrique
exploitable. On parle aussi de transducteur. La
grandeur électrique de sortie peut être soit -
une charge, - une tension, - un courant, dans ces
3 cas, le capteur est actif. - une impédance R,
L, ou C, le capteur est dit passif.
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La plupart des capteurs font intervenir plusieurs
phénomènes différents. Prenons comme exemple, la
mesure dun débit 1. transformation du débit en
une pression différentielle, 2. transformation de
la pression différentielle en la déformation
mécanique dune membrane, 3. transformation de la
déformation mécanique en une grandeur électrique
(par effet piézo-électrique par exemple).
Lensemble de ces étapes constitue la chaîne de
mesure. Si cette chaîne de mesure fait intervenir
plusieurs transducteurs, on appelle corps
dépreuve celui en contact direct avec le
mesurande.
Mesurande primaire
Mesurande secondaire
Signal électrique
Signal de sortie
Corps dépreuve
Capteur intermédiaire
Conditionneur
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Exemples de capteurs passifs
6
Exemples de capteurs actifs
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2.2. Les capteurs résistifs 2.2.1. Exemples de
capteurs résistifs Dune manière générale, une
résistance pure R peut sécrire R F(x)/s où
F(x) est fonction de la géométrie et s la
conductivité du matériau, avec s q (mp p
mn n) Q est la charge élémentaire, et les
coefficients m sont les mobilités respectives des
porteurs trous, de densité p ou électrons, de
densité n. Un mesurande peut ainsi agir sur -
la densité des porteurs (température ou flux
lumineux) - la mobilité des porteurs (t,
contrainte, champ magnétique) - la géométrie.
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Résistances thermométriques - Résistances
métalliques Ces résistances ont une valeur qui
croit avec la t selon une loi de la forme
R(T) R0 ( 1 AT BT2 C(T-100)T3) T est
en C. Le Pt est le métal le plus utilisé. Sa
plage dutilisation sétend de -200C à
1000C. Ses valeurs forment des étalons
normalisés. Le Ni et le Cu sont dautres métaux
utilisés. Le Cu est caractérisé par une courbe
très linéaire.
Pt1000 2 fils (photo Radiospares)
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Pt100 100W à 0C. Pt1000 1000W à 0C.
Exemple R100(1aT)138,5W à 100C
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- Thermistances Ce sont des mélanges agglomérés
et frittés doxydes métalliques. Leur résistance
décroît avec la t selon une loi du type
R(T) R0 exp ( B (1/T 1/T0) ) T est ici
exprimée en K. (et B entre 3000 et 5000K). Les
thermistances sont généralement utilisables
jusquà environ 300C. Mais du fait de la forme
de leur réponse, elle ne sont utilisées que sur
une faible plage de température (100C) où elles
sont très sensibles (sensibilité environ 10 fois
supérieure aux sondes métalliques).
Thermistance de précision à capsule de verre
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On choisit une thermistance de faible valeur à
25C (ex. 100W) pour mesurer des faibles
températures, et une thermistance de valeur
élevée (100 à 500 KW à 25C) pour mesurer des
températures élevées. Lexpression R(T) R0 exp
( B (1/T 1/T0) ) est la plus utilisée mais est
une forme condensée de R(T) R0 (T/T0)-b exp ( B
(1/T 1/T0) ). Ainsi, dans la forme courante, B
dépend de la température (peut être assimilé
comme constant sur une plage limitée).
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Les thermistances nayant pas une caractéristique
linéaire mais étant très sensibles, ils sont
particulièrement adaptés aux problèmes de
régulation. Remarque Il existe aussi des
résistances de silicium, à coefficient de
température positif (CTP) dans sa plage de mesure
(0,7/C à 25C). Le procédé de fabrication
assure de très bonnes qualités dinterchangeabilit
é, en revanche, leur plage de mesure est assez
faible -50C à 120C par exemple. Au-delà,
leur caractéristique sinverse.
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Mesures de déplacement et jauges
dextensométrie Mesure résistive de déplacement
on peut, de manière évidente, mesurer un
déplacement en limitant à une longueur l (ou un
angle a) une résistance de longueur L et de
résistance totale Rn. On a R l/L Rn. Les
jauges sont des éléments résistifs (métaux,
semi-conducteurs) déposés sur un substrat isolant
solidaire de la structure dont on veut mesurer la
déformation Dl/l. Pour la jauge, on aura une
variation proportionnelle à la déformation, qui
sera donnée par DR/R K Dl/l K est appelé
facteur de jauge et vaut entre 2 et 4 pour les
résistances métalliques ou entre 50 et 200 pour
les jauges à semi-conducteur.
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Les jauges de déformation sont surtout utilisées
comme mesure secondaire dans un capteur
comprenant un corps dépreuve, structure
mécanique sur laquelle est fixée la
jauge. Exemple Mesurande Corps
dépreuve Force anneau, colonne Pression diaphrag
me Accélération masse sismique
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Capteur en anneau
Capteur en poutre
Dans ces 2 exemples, La force s'applique
différemment suivant les éléments résistifs.
Ainsi,à l'extrémité de la poutre, les deux
jauges au dessus seront en extension tandis que
les deux jauges inférieures seront comprimées. Il
en résulte dans le montage en pont un signal S
peu sensible aux variations de température qui
affecte les résistances de la même façon.
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Les capteurs dhumidité Quelques définitions
ayant trait à lhygrométrie Soit un volume V
dair humide la masse dair humide est la somme
de ma, masse dair sec, et mv, masse de vapeur
deau. La rapport de mélange est donné par
mv/ma. La pression de vapeur saturante PS(T) est
la valeur maximale que peut prendre la pression
partielle de vapeur Pv à la température T. Au
delà, il y a condensation. Lhumidité relative
(en ) est le rapport U PV/PS(T). 100
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Les hygromètres reposent soit sur un principe
permettant de déterminer directement lhumidité
(hygromètres à condensation), soit sur le
principe dune mesure dune propriété dun corps
lié à lhumidité. Cest le cas des hygromètres à
variation dimpédance, dont les hygromètres
résistifs. Principe des hygromètres résistifs
une substance hygrométrique est déposée sur un
support de quelques mm de coté. Deux électrodes
sont reliées à cette substance la résistance
entre les électrodes dépend de la teneur en eau
et de la température (la teneur en eau est
elle-même dépendante de la température). Remarque
s les plages de mesure sétendent de 5 à 95
dhumidité pour des t de -10 à 50 voire 80C.
Les temps de réponse sont denviron 10 secondes,
et la précision de lordre de 5. Le contact avec
un liquide détruit le capteur.
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Les psychromètres consistent en 2 thermomètres,
lun dit  humide  imbibé deau, tandis que
lautre mesure la  température  sèche . Les
sondes thermométriques sont généralement des
sondes de type Pt. Ces capteurs sont utilisés en
mesure de conditionnement dair et permettent de
mesurer des taux dhumidité proches de la
saturation.
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2.2.2. Les conditionneurs des capteurs
résistifs. Il faut distinguer 2 types de mesure
1) La mesure de résistances R (exemple sonde
Pt). Pour saffranchir des variations de
résistances des fils de liaison, on adopte
souvent un montage appelé montage  4 fils  par
source de courant. 2) La mesure de variations de
résistances (exemple faibles variation DT en
régulation, par thermistance). Le montage utilisé
est le montage en pont de Wheatstone. On utilise
souvent un montage appelé montage  3 fils .
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1) La mesure de résistances
Montage potentiométrique
Rs
R1
Appareil de mesure
E
RC
Rd
On montre Vm E (RCRd) / ( RC(RsR1)
Rd(RsR1RC) )
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Dans lexpression Vm E (RCRd) / (
RC(RsR1) Rd(RsR1RC) ) Si Rd gtgt RC alors
Cest le principe de base de la mesure de RC
mais Vm nest pas une fonction linéaire de RC. Si
une linéarisation est nécessaire, plusieurs
solutions sont possibles. Ecrivons les variations
de Vm en fonction de celles de RC
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3 solutions - Alimentation par source de
courant Cest-à-dire, une alimentation avec Rs
très élevée gtgtRCR1 Alors on obtient Vm E
RC /Rs ou Vm Is RC
- Fonctionnement en petits signaux Cest le cas
quand DRC ltlt RC0 R1 Rs On a alors
Et si on choisit RsR1RC0 (soit en pratique
R1RC0), la sensibilité est maximale et
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- Montage Push-Pull La résistance fixe est un 2nd
capteur identique à RC mais fonctionnant en
opposition RC0 DRC. (2 résistances dune
jauge dextensométrie subissant des déformations
contraires) Alors
Et
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En résumé On peut obtenir facilement DVk.DRc
mais pour avoir Vk.Rc, il faut utiliser une
source de courant.
Obtention dune source de courant par AOP
Effet de la résistance des fils de liaison. On
utilise le montage dit  4 fils 
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Appareil de mesure
Rl
RC
Is
Vm
Rd
Rl
Si Rd gtgtRl et Rd gtgtRc, alors Vm Is.Rc
Remarque dans tous les montages
potentiométriques, la mesure est directement
sensible aux variations de E, ou de Is. Les
montages en pont permettent de sen affranchir.
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2) La mesure de variations de résistance
Montage en pont de Wheatstone
Rs
R3
R1
Vm
E
R2RC
R4
On peut établir Vm Rd id Rd Id (R2R3
R1R4) / ( R1R4(R2R3) R2R3(R1R4)
Rs(R1R3)(R2R4) Rd(R1R2)(R3R4)
RdRs(R1R2 R3R4) )
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Equation générale. Condition déquilibre
Le pont est dit équilibré quand VA VB ce
qui correspond à la condition classique
R1R4 R2R3
C
Rs
R3
R1
Rd
B
A
E
Vm
R4
R2
D
La condition déquilibre ne dépend que des
résistances du pont et est indépendante de la
source ou du détecteur.
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Lexpression de la tension de déséquilibre Vm se
simplifie si on admet (source dimpédance de
sortie faible) Rs ltlt R1, R2, R3, R4 et Rd et Rd
gtgt R1, R2, R3, R4 (dispositif de mesure à grande
impédance dentrée). Alors
Le pont est un double montage potentiométrique.
Ainsi, sa sensibilité est maximale quand R1R2 et
R3R4 Le plus souvent R1R2R3R4R0 Les
calculs sont donc similaires à celui du montage
potentiométrique. 1er cas. Considérons que 3
résistances sont fixes R1R3R4R0 et
R2RCR0DRC
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Alors
2ème cas. 2 résistances sont variables R1 et
R2. (montage en demi-pont). Vm sécrit
Si le montage est de type Push-Pull, DR2 - DR1
DR et
30
3ème cas. 4 résistances sont variables et le
montage est de type Push-Pull, DR2 - DR1 DR3
- DR4 DR et lexpression ci-dessus est encore
valable (montage en pont entier). Cest le cas
des capteurs de pression par jauge
dextensométrie. Prise en compte de linfluence
de la résistance des fils de liaison. Lorsque le
capteur est composé dune seule résistance, une
thermistance par exemple, et se trouve éloigné
des autres parties du pont, la variation de la
résistance des fils de liaison peut devenir non
négligeable.
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C
Montage 3 fils
R3
R1
Rl
A
B
E
Vm
A
Rc
R4
Rl
D
Ainsi, Rl (et ses variations DRl) se retrouve sur
R1 comme sur R2 et ne participe pas au
déséquilibre du pont.
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Capteurs avec conditionneur intégré Capteurs
type LM35 Capteurs de température de précision
présentant une caractéristique linéaire. Les
capteurs LM35 sont calibrés en degrés Celcius. Un
facteur de conversion de 10 mV/C permet
dobtenir directement un thermomètre avec un
multimètre 0 C --gt 0 mV 50 C --gt 500
mV Caractéristiques Précision 0.5 C
Non-linéarité 0.25 C Impédance de sortie 0.1
ohm Tension de fonctionnement 4-30 V Courant
de sortie 10 mA Boîtier TO92.
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Capteur type AD22103 nexige quune tension
dalimentation de 3.3V La linéarisation est
intégrée la tension de sortie est
proportionnelle à la t, de 0.25 V (0C) à 3.05
V (100C).
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2.3. Capteurs inductifs et capacitifs 2.3.1.
Capteurs inductifs Ces capteurs comportent des
enroulements de mesure traversés par un flux
dinduction magnétique fonction du mesurande. Le
mesurande peut être une position, un déplacement
linéaire ou angulaire. Certains de ces capteurs
font jouer le coefficient dauto-induction dune
bobine traversée par un courant alternatif on
déplace par exemple le noyau de la bobine. Les
variations obtenues ne sont pas linéaires avec le
déplacement. Dautres capteurs inductifs font
appel à 2 bobinages, dont on fait varier le
couplage par déplacement du noyau par exemple.
Ces capteurs sont sources de tension car on
mesure la tension produite dans le secondaire.
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2.3.2. Capteurs capacitifs Ces capteurs font
appel à un condensateur plan ou
cylindrique. Rappel C er ea A /d avec er
la permittivité du milieu, ea celle du vide (
8.85 10-12 uSI) et A laire des armatures en
regard et d la distance qui les sépare. Pour un
condensateur cylindrique, C 2p er ea l /
ln(r2/r1) Avec r2 et r1 respectivement les
rayons intérieur de larmature externe et
extérieur de larmature interne, et l leur
longueur.
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On peut donc faire varier la permittivité du
milieu qui sépare les armatures ou la distance
qui les sépare. - Capteurs avec modifications
dimensionnelles - capteurs de pression
acoustique ce sont tous les micros
capacitifs - capteurs de pression de fluide
(absolue, relative ou différentielle) -
capteurs de force ou de pression (mécanique)
jauges dextensométrie capacitives. - Capteurs
avec modification de la permittivité -
capteurs de température - capteurs
dhygrométrie - capteurs chimiques
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Exemple de capteur capacitif les
humidistances Plusieurs procédés existent le
diélectrique peut être une couche mince
dalumine, entre 2 électrodes en aluminium par
exemple. La variation dimpédance est fonction
seulement de la pression partielle de vapeur
deau et est indépendante de la
température. Dautres utilisent une couche mince
de polymère (quelques microns) sur une plaque
reliée à 2 électrodes. La couche mince absorbe
les molécules deau de lair ambiant, provoquant
une modification de sa constante diélectrique. La
variation de capacité suit une loi assez linéaire
avec le taux dhumidité relative.
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Exemple humidistance Philips Capteur capacitif
d'humidité relative constitué d'une membrane non
conductrice recouverte d'une fine pellicule d'or.
Lusage de lor (ou du chrome) permet de créer
des fissures dans la membrane pour rendre le
temps de réponse indépendant de lépaisseur, et
aussi pour rendre le capteur insensible à
certaines agressions chimiques.
EM 10 à 90 HR (ou 10 à 100). Capacité à 25
C, 43 d'HR et 100 Khz 122 pF /-15.
Sensibilité 0.4 pF/ HR (/- 0,05 pF) entre 33
et 43 d'HR Gamme de fréquence
1 kHz à 1 MHz. Alimentation maxi 15 Vcc. Gamme
de température 0 à 85 C.
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2.3.3. Conditionneurs pour capteurs
réactifs Linformation associée à la valeur de
limpédance dun capteur réactif peut être
transférée - sur lamplitude dune tension par
un pont dimpédances, - sur la fréquence dun
signal par lintermédiaire dun oscillateur. -
Pont dimpédances
Z1
R0
A
Source alternative
Vm
B
ea
R0
Z2
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On peut montrer que le schéma précédent est
équivalent au schéma de Thévenin suivant
A
avec ed (Z2-Z1)/(Z1Z2) . ea/2 tension en
circuit ouvert Z0 (Z1Z2)/(Z1Z2)
R0/2 impédance interne id ed/Z0
(Z2-Z1)/(Z1Z2)R02Z1Z2 .ea courant de
court-circuit
Z0
Zm
Vm
im
ed
B
Si limpédance de lappareil de mesure branché
entre A et B est Zm, On choisira une mesure de
tension ou de courant en fonction des valeurs
dimpédance que lon mesure
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En effet, de manière évidente
Vm Zm/(ZmZ0) . ed Im 1/(ZmZ0) . ed
Puisquil faut que la mesure soit indépendante de
Zm, on choisira - une mesure de tension quand
Z0 ltlt Zm
ainsi vm ed
Cest le cas des capteurs inductifs Z0 est de
lordre du kW (ex. 30 mH à 10kHz) - Une mesure de
courant quand Z0 gtgt Zm
ainsi im id
Cest le cas des capteurs capacitifs Z0 est de
lordre de 100kW (ex. 100 pF à 10kHz). On fait
suivre généralement dun convertisseur
courant/tension.
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- Par oscillateur Loscillateur permet de
transférer linformation liée à la valeur de
limpédance, sur la fréquence des
oscillations. Avantages - Immunité aux
parasites supérieure - Conversion sous forme
numérique simple comptage de périodes pendant
un temps déterminé - Le signal modulé en
fréquence peut être transmis sans fil. On
utilise le plus souvent des oscillateurs de
relaxation, dont la fréquence dépend dun produit
RC avec C la capacité à mesurer.
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Un circuit très classique
Comptage
Capteur capacitif