les capteurs

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# Les capteurs - Généralités

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Principe
Conversion d'une grandeur physique en grandeur électrique


Qualités recherchées
Linéarité : s ne dépend pas du point m
Bande passante : s ne dépend pas de la variation de m sur un large intervalle de fréquences
Longévité : s ne varie pas dans le temps
Absence de grandeur d'influence : s ne dépend pas d'autres grandeurs physiques

Informations à saisir
Information analogique : l'amplitude du signal varie de façon continue.
Information binaire : deux valeurs possibles, 0 ou 1.

Modulation d'amplitude :
analogique : amplitude variant selon le temps t.
binaire : amplitude faible 0, grande amplitude 1 (filtres).

Modulation de fréquence :
variation du temps t selon la fréquence (t = 1/F).

Modulation d'impulsion :
variation de t en fonction des évolutions de l'information.

Grandeurs d'influence
Pour en diminuer l'importance, il est nécessaire de :
contrôler leur influence et de protéger le capteur,
stabiliser leur grandeur,
compenser leur influence.

Le plus importantes sont :
la température,
la pression,
l'accélération,
les vibrations,
l'humidité,
les champs magnétiques,
la tension d'alimentation (amplitude et fréquence).

Capteur passif
La grandeur de sortie s est une impédance (Z) résistive, inductive et capacitive.

Température : thermo-résestivité r.
Rayonnement : photo-résistivité r.
Champ magnétique (position) : magnéto-résistivité r.
Déplacement, position, etc. : perméabilité magnétique m (capteur inductif).
Force (déformation) : piézo-résistivité r.
Position, proximité, pression, etc. : permittivité e (capteur capacitif).

Un capteur passif nécessite un circuit électrique extérieur (conditionneur) pour traduire l'évolution de la grandeur d'entrée :
montage potentiométrique,
pont d'impédance,
oscillateur,
amplificateur sopérationnel.

Capteur actif
Il se présente, vu côté sortie, comme un générateur.
s peut être une tension, un courant (intensité) ou une charge (résistance).
Un capteur actif délivre un signal électrique directement lié à l'évolution de la grandeur d'entrée.

Température :
effet thermoélectrique, sortie en tension.
T1 --> e(T1)

Rayonnement :
effet photovoltaïque, sortie en tension ou en intensité.
F --> e(F) ou i(F)

Champ magnétique (position)
effet Hall, sortie en tension.
B --> UH(B)

Vitesse
effet d'induction électromagnétique, sortie en tension.
w --> e(w)

Force, pression et accélération
effet piézo-électrique, sortie comme charge électrique.
F --> q(F)

Capteurs proportionnels ou incrémentaux :
principe :
grandeur à mesurer en entrée,
étage d'entrée (change la nature de la grandeur),
étage intermédiaire sensible (apport d'énergie, change la nature de la grandeur),
unité de traitement (fournit un signal utilisable),
signal de sortie analogique : proportionnel à la grandeur à mesurer (proportionnel),
numérique : commande de commutation électrique ou pneumatique.

Signal numérique : lecteur/codeur
règle/curseur (déplacement rectiligne), disque (déplacement circulaire),
code à barres,
carte magnétique.


Numérisation des signaux
Echantillonneur bloqueur : il permet de bloquer les données pendant les conversions.
Convertisseur analogique/numérique (CAN).
Convertisseur numériques/analogique (CNA).
Filtre de lissage des paliers de sortie du CNA.

Convertisseur analogique/numérique (CAN)
Il transforme une variation continue de tension en une série de valeurs mathématiques (sans énergie) codées.
Codage des valeurs : binaire naturel (nombres non signés), complément à deux (nombres signés), code binaire signé.
Quantification : Elle associe la plus petite variation mesurable entre deux valeurs codées distinctes en sortie (quantum ou résolution).
Convertisseurs :
convertisseur parallèle ("Flash") : très rapide mais nécessite 256 convertisseurs pour 8 bits.
convertisseur série.
convertisseur à pesées successives : temps de conversion constant.
convertisseur à double rampe : première rampe à temps constant, deuxième rampe à pente constante.
convertisseur triple rampe : comptage en deux temps, large puis plus long et plus précis des faibles valeurs.
Convertisseur numériques/analogique (CNA)
Il traduit une entrée numérique, codée sur n bits, en une grandeur de sortie analogique.


Codage
Conversion en décimal.
Conversion binaire : en octal (tranches de 3 bits), en hexadécimal (tranches de 4 bits)
Conversion en binaire réfléchi (addition sans retenue) puis en binaire naturel (BR ou BN, lu de gauche à droite).

Circuit arithmétique
Additionneur, soustracteur, comparateur, contrôleur de parité, multiplicateur.
Unité arithmétique logique (AUL)
addition, soustraction, comparaison,
opérations logiques ET, OU, NON ET, NON OU et OU exclusif (NOR).
Multiplexeur/démultiplexeur
Il permet l'envoi à distance les informations issues d'un grand nombre de sources d'information.

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Technologie des capteurs

Capteurs de température
Résistances (r) métalliques ou thermistances.
Thermocouples ou couples thermoélectriques (effet Thomson, effet Peltier et effet Seebeck).
Dispositif formé de deux conducteurs de nature différente joints par soudure à chacune de leurs extrémités, de façon à former un circuit fermé.
L'une des jonctions est maintenue à une température connue, tandis que l'autre est portée à la température que l'on veut connaître. ; le courant apparaissant ainsi est fonction de la différence de ces deux températures.


Effet Thomson
Si tous les points d'un conducteur homogène et parcouru par un courant ne sont pas à une température uniforme, ce conducteur est le siège d'échanges de chaleur avec l'extérieur. (Cet effet, généralement très petit, s'ajoute à l'effet Joule).
hAest le coefficient de Thomson, fonction de T.


Effet Peltier
Si l'on fait passer un courant électrique dans un conducteur formé par la jonction bout à bout de deux conducteurs de nature différente, il se produit à la jonction, selon le sens du courant, un dégagement ou une absorption de chaleur.
Si l'on constitue un circuit fermé en joignant intimement par soudure, à chacune de leurs extrémités, deux conducteurs de nature différente, le passage de courant provoquera, par effet Peltier, le refroidissement d'une des soudures et l'échauffement de l'autre (l'effet Joule se superpose, indépendamment du sens du courant.
C'est un effet généralement minime, mais il peut devenir important avec certains matériaux semi-conducteurs (différences de température suffisamment grandes pour permettre leur emploi dans certains appareils de réfrigération).
Loi de Volta : dans un circuit isotherme constitué de conducteurs différents, la somme des f.é.m. de Peltier est nulle.


Effet Seebeck thermopile (ou effet thermoélectrique)
Si les deux jonctions d'un circuit fermé formé par la soudure des extrémités de deux conducteurs différents sont maintenues à des températures différentes, on constate l'existence d'un courant électrique dans le circuit.
Loi Magnus : une différence de température entre deux points d'un conducteur fermé homogène ne donne naissance à aucun courant.


Sonde de température
résistance électrique du type CTN : la résistance décroît quand la température augmente.
résistance électrique du type CTP : la résistance croît quand la température augmente.

Capteur à fil chaud ou à couche chaude
l'air aspiré passant par le débitmètre refroidit un fil de résistance ou une résistance mince à couche épaisse chauffée et appliquée sous forme d'une couche chaude sur un support de céramique,
le courant de chauffage nécessaire à maintenir le fil ou la couche chaude à une température constante indique la masse d'air aspiré.
LUCAS Air Flow Meter - Hot Wire :
débitmètre à fil chaud dans une dérivation de la veine principale,
réponse rapide et haute fiabilité, réduction des effets vibratoires, diminution du phénomène de contamination du filament.
Diodes et transistors.
Quartz.


Capteurs optiques (rayonnement)
Cellule photoconductrice, photodiode (simple ou avalanche).
Capteurs photo-émissifs : cellule à vide, cellule à gaz, photomultiplicateur.
Détecteurs thermiques : thermocouple, bolomètre (infrarouge), détecteur pyro-électrique.

Capteurs de position et déplacement
Une partie fixe, une partie mobile liée à l'objet en déplacement (Dx).
Détecteur magnétique :
interrupteur ILS (ampoule Reed commandée par aimant), intensité limitée (1.5 A).
Potentiomètres résistifs, inductifs, capacitifs ou digitaux.


boîtier contacteur papillon
état de fonctionnement : pleine charge, ralenti (coupure en décélération)

potentiomètre de papillon des gaz :
informe le calculateur de la position du papillon des gaz,
reconnaissance des positions : "pied levé" et "pied à fond",
stratégies d'accélérations, de décélérations, et de coupures d'injection (papillon fermé, régime moteur > 1500 ou 2000 tr/mn, rétablissement à 1100 ou 1300 tr/mn).
pleine charge : papillon des gaz 10° avant pleine ouverture.
alimenté en 5V par le calculateur, transmet à ce dernier une tension variable en fonction de la position du papillon.
il assure également un fonctionnement en mode secours en cas de défaut du capteur pression d'admission.

Détecteur photoélectrique :
passage d'un objet à travers un faisceau lumineux,
système de proximité : émetteur (diodes LED, ampoule, lentille), récepteur (phototransistor, amplificateur, élément de commutation), faisceau,
détection d'objets réfléchissants, lisses ou translucides,
système barrage : émetteur, faisceau, récepteur, portée 20 mm à 30 m, détection de matériaux opaques.
système reflex : émetteur/récepteur, faisceau, réflecteur multiprisme (catadioptre, diamètre 20 à 80 mm), portée 1 m à 30 m, détection d'objets non réfléchissants en ambiance relativement propre, influence des sources lumineuses extérieures.
portée 20 mm à 2 m.