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capteurs II.pptx

Asst. Professor
26 de Mar de 2023
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  1. Chapitre II Principes physiques utilisés dans les capteurs
  2. 1. Rappel o Conducteurs d’électricité o Isolants o Semi conducteurs o Induction électromagnétique o Loi de LENZ o Solution conductrice
  3. I. Effet résistif : Définition : Lorsqu’on applique aux bornes d’un conducteur une ddp, il sera parcouru par un courant électrique dù au déplacement des électrons. L’intensité de ce courant dépend de la résistance du matériaux utilisé, c’est l’effet résistif.
  4. 1. Potentiomètre rectiligne: T R L l l R . ) (  RT est la résistance totale du potentiomètre la résistance du potentiomètre est supposée uniforme pour que la résistnace soit linéaire en fonction de la position du curseur
  5. 2. Potentiomètre circulaire T M R R . ) (     M est inférieur à 360 degrés
  6. 3. Potentiomètre hélicoidale M peut être supérieur à 360 degrés
  7. Une thermistance est un capteur resistif à base de materiau semi-conducteur (silicium); sa resistance varie fortement avec la temperature. 4. Résistance variable en fonction de la température: (thermistance)           0 1 . 1 0 ) ( T T B e R T R B: coefficient spécifique T: température absolue R0: résistance à température absolue de référence T0
  8.  de certaines grandeurs physiques (telles que les forces, pressions, accélérations, températures,...) par le déplacement qu'elles imposent à des corps d'épreuves. Cet effet est couramment employé pour la mesure:  des positions et déplacements indispensables pour le fonctionnement correct d'un grand nombre de machines,... Applications:
  9. Définition: Quand un isolant électrique sépare deux conducteurs, des charges dans les conducteurs produisent un champ électrique dans l’isolant. La capacité est la capacité de ce champ électrique pour stocker et libérer de l’énergie. Un condensateur est un composant électronique spécialement conçu pour tenir l’énergie électrique. II. Effet capacitif :
  10. 12 0 0 10 . 85 . 8 . .       d S C r S est la surface en regard et d la distance entre les deux cylindres r est la permittivité relative du milieu placé entre les armatures La capacité électrique C d'un condensateur composé de deux plaques métaliques est donnée par:
  11. Les capteurs capacitifs mettent à profils Modification de la permittivité: o température o hygrométrie (humidité) o niveau de liquide isolant Modification de la géométrie: o pression (microphone) o pression de fluide (membrane) o déformation de solide (jauge)
  12.  codensteurs plans 1. Effet capacitif mécanique: Il s’agit des condensateurs dont la capacité est variable selon le déplacement de l’une des armatures, on distingue deux types: Le déplacement de l’armature peut s’effectuer soit dans son propre plan càd S variable et d constant (condensateur à surface variable)
  13. soit perpendiculairement à son propre plan càd S constant et d variable (condensateur à écartement variable)
  14.  codensteurs cylindriques 1 2 0 log . . . . 2 r r l C r     l est l’enfoncement du cylindre intérieur dans le cylindre extérieur r1 et r2 les rayons des deux cylindres Le déplacement de l’armature se fait uniquement parallélement à l’axe (l variable)
  15. Remarque: codensteur double différentiel L’armature mobile A1 se déplace perpendiculairement à son plan entre les deux armatures fixes A2 et A3 L’interet de ce montage étant la linéarité entre la capacité et le déplacemnt d
  16. Autres montages différentiels:
  17. 2. Effet capacitif et diélectrique: cette dépendance peut être exploitée dans la fabrication de capteurs capacitifs pour la mesure du taux hygrométrique de l'air (% d'humidité dans l'air) entre autres. La perméabilité diélectrique εd d'une substance (certaines céramiques par ex) peut dépendre de divers paramètres physiques, comme la température et l’humidité.
  18. Parmi les applications de cet effet on trouve: Applications:  Capteur de proximité capacitif haute température…  le microphone capacitif (variation de d)  les capteurs de très faible déplacement (nanomètre capacitif) ,  les capteurs de mesure précise de grands déplacements (s variable) micromètre capacitif…  Capteur de niveau de liquide.
  19. Mesure de niveau capacitive pour un liquide isolant Mesure de niveau capacitive pour un liquide conducteur
  20. Autre exemple d’application de l’effet capacitif: Capteur capacitif de proximité
  21. Les détecteurs capacitifs permettent la détection de tous les types de matériaux conducteurs et isolants tels que verre, huile, bois, plastique, etc Avantages • pas de contact physique avec l'objet détecté : possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints • pas d'usure, • détecteur statique Remarque: les distances de détection sont relativement faibles.
  22. Capteur capacitif de proximité CJ8-18GM-E2-V1
  23. Le déplacement de l’un des éléments d’un circuit magnétique entraîne une variation du flux. Dans le cas où il s’agit d’un noyau ferromagnétique son déplacement peut entrainer: Soit une modification du coefficient d’autoinduction (cas d’une bobine, induction variable) Soit par le changement du couplage entre les enroulements primaire et secondaire (cas d’un transformateur, variation du coefficient de mutuelle induction). III. Effet inductif:
  24.  Bobine à noyau plongeur Le coefficient d’autoinduction L du bobinage dépend de l’enfoncement du noyau. Association de deux bobines
  25. f f L L k M M L L L . 2 0 0     Le coefficient d’autoinduction est donné par: M et k étant respectivement le coefficient de mutuelle induction et le coefficient de couplage supposé constant. Le déplacement du noyau entraine une variation de l’inductance et qui est une fonction non linéaire de lf.
  26. Remarque: les non linéarités introduites par la bobine à noyau plongeur peuvent être réduites en utilisant deux bobines identiques avec un noyau plogeur commun.   f f f f f l S S l N L l l S l N L . ). 1 ( ). ( 0 2 2 0 0 2 2 0 0        
  27. . 0 2 0 l S N L    Circuit magnétique à entrefer variable Le coefficient d’autoinduction est donné par:
  28. x l l x x l S N L          . 2 2 1 . 2 0 0 2 0 2 0  Remarque: les variations de L sont non linéaires en fonction des variations de l’entrefer. Ces non linéarités peuvent êtres améliorés en associant deux circuits magnétiques à variation d’entrefer opposées. Le déplacement de l’armature entraine une variation de L donnée par:
  29.  transformateur différentiel Il est constitué d’un enroulement primaire et de deux enroulements secondaires placés symétriquement par rapport au primaire alimenté par une tension sinusoidale.
  30. Transformateur différentiel pour déplacement rectiligne
  31. Transformateur différentiel pour déplacement angulaire
  32. mesure de courant par une pince ampère métrique
  33.  Accéléromètre inductif : (par mesure de déplacement)
  34. IV. effet Hall Soit une plaquette de longueur L, de largeur a et d’épaisseur b placée dans un champ magnétique uniforme B perpendiculaire à sa plus grande face Si on considère une charge macroscopique négative, elle est soumise à: La force électrostatique La force magnétique qE0 FM=qv vect B
  35. La tension de Hall est donnée par: b B I R b B I nq U H H   . 1 RH constante de HALL b : épaisseur de la plaque
  36. mesure de courant par effet Hall Applications: mesure de débit d’une solution conductrice
  37. Pour augmenter la sensibilité on utilise le montage différentiel
  38.  Capteurs pour la mesure des déplacements de l’ordre de 1 mm.  Capteurs tachymétriques. Applications de l’effet inductif:
  39. Autre exemple d’application de l’effet inductif: Capteur inductif de proximité fonctionnement
  40. Les détecteurs inductifs détectent uniquement les objets métalliques. Il permettent aussi le comptage de présence d'objets métalliques Avantages • pas de contact physique avec l'objet détecté : possibilité de détecter des objets fragiles, fraîchement peints • pas d'usure, • détecteur statique
  41. V. effet piézo-électrique: La piézo-électricité est l’apparition d’une polarisation ou la variation d’une polarisation existante dans certains matériaux dits matériaux piézo-électriques (le quartz, la topaze, la tourmalite …) lorsqu’ils sont déformés sous l’effet d’une force. Les déformations fondamentales sont de deux types: • élongations longitudinales et transversales • cisaiement d’épaisseur et de face
  42. Élongation longitudinale Élongation transversale Cisaiement d’épaisseur Cisaiement de face
  43. Associations Les éléments piézo-électriques peuvent être associés: Soit en série pour doubler la tension en circuit ouvert, la capacité est divisée par deux.
  44. Soit en parallèle pour doubler la charge et la capacité Ou une combinaison des deux en fonctions des applications
  45. Rondelle de charge Forme
  46. Remarque L’air de la surface soumise à la force pressante conditionne la limite supérieure de la mesure Diamètre de 10 cm pour quelques 103 KN L’effet piézo-électrique est inversible: une tension peut générer une déformation
  47. Applications Capteur de pression. Capteur de niveau de liquides. Capteur de force de compression et de traction.
  48. Accéléromètre piézoélectrique .
  49. Capteur de vibration piézoélectrique
  50. Capteur de température à quartz Un système constitué d’un piézo possède une fréquence propre mécanique très précise qui dépend de la température. La mesure de la fréquence nous renseigne sur la température donc le résonnateur piézo peut servir de thermomètre haute précision Schéma électrique
  51. inversement le cristal se déforme lorsqu’on lui applique une tension électrique. le quartz soumis à une tension électrique, vibre à une fréquence très stable et bien définie. C'est pour cette propriété que le quartz est utilisé pour fabriquer les montres et les horloges, Remarque (effet inverse de la piézo-électricité):
  52. C’est une conversion de l’énergie d’agitation thermique en énergie électrique  effet PELTIER: VI. effet thermoélectrique: L’effet Peltier est un effet thermoélectrique qui décrit le phénomène de déplacement de chaleur en présence d’un courant électrique à la jonction de deux métaux différents. En effet lorsqu’un courant électrique passe à travers la jonction reliant deux conducteurs, on observe un dégagement de chaleur ou une absorption de chaleur selon le sens du courant.
  53. N M T B A V V P   / La f.é.m de Peltier est la ddp entre A et B
  54. A conducteur du THOMSON de t Coefficien h dT h E A T T A T T A N M N M :    effet THOMSON: Décrit la relation entre I ou V et flux de chaleur à travers un conduceur
  55. Remarque: loi de VOLTA Dans un circuit isotherme constitué de conducteurs différents la somme des f.é.m de PELTIER est nulle
  56.  effet Seebeck:
  57. En effet, si les deux conducteurs sont des semis conducteurs dopés N et P, Les porteurs de charges migrent du côté chaud vers le côté froid. Si les deux jonctions sont aux températures T1 et T2, une f.é.m dite de SEEBECK apparait, elle résulte des effets PELTIER et THOMSON
  58. Entre a et b 2 / T B A bc P E    2 1 T T A ab dT h E Entre b et c Entre c et d Entre d et a   1 2 T T B cd dT h E 1 / T A B da P E  La f.é.m de SEEBECK est donnée par:        2 1 1 2 1 2 / / / T T B A T A B T B A T T B A dT h h P P E
  59. L’effet seebeck constitue le principe du thermocouple, qui est couramment utilisé comme capteur de température. Si on fixe par exemple T2 (valeur de référence ) la f.é.m pour un couple de conducteurs données ne dépend plus que de T1
  60. Thermostats à bilame La température entraine une déformation du bilame et par suite l’ouverture d’un contact. Ce principe est utilisé surtout pour la détection de seuils de température. autre effet thermique:
  61. mesure de la température par thermocouples Application: Appareils électroménagèrs Fers à repasser. Appareils de chauffage Grille pain si un courant traverse le circuit formé par les deux semis conducteurs, la chaleur peut être absorbées par l’une des jonctions et restituée par l’autre (appliqué en réfrigération faible puissance) Remarque (effet inverse):
  62. l’effet photoélectrique ou émissiom photoélectrique est l’expulsion d’électrons hors d’un matériaux lorsque celui-ci est frapé par un rayonnement électromagnétique par ex. la lumière visible ou des rayonnements de longueurs d’onde voisines. VII. effet photoélectrique:
  63. Propriétés fondamentales de la lumière. • les phénomènes d’interférences, de diffraction, de réflexion et de réfraction mettent en évidence l’aspect ondulatoire de la lumière. • les particules atomiques n’absorbent et n’emettent pas l’énergie que sous forme de portions d’énergie (quantums d’énergie h.) photons dans le cas d’un rayonnement lumineux (Max Planck ensuite A. Einstein) • la lumière est à la fois une onde et un flux de photons.
  64. • l’aspect corpusculaire apparait lors de l’interaction entre le rayonnement et la matiêre • dans la matière, les électrons liés aux atomes exigent pour devenir libre une énergie supérieure à leurs énergie de liaison wL. Libération d’une paire é-trou
  65. Remarque: sous l’influence d’un rayonnement lumineux, la libération de porteurs de charges constitue l’effet photoélectrique. il est le principe de base des capteurs optiques ou détecteurs photoniques.  Photorésistance  Photodiode  Diode pin  Phototransistor  CCD  …
  66. Cellule photoconductrice: La photorésistance (ou cellule photoconductrice) est un composant électronique dont la résistivité varie en fonction de la quantité de lumière incidente. La photorésistance est parmi les capteurs optiques les plus sensibles. L Surface A Ip (T) V Rayonnement
  67. commande de l’éclairage automatique des rues. Application; Inconvénients: Avantages:  nécessité de refroidissement pour certains types (selon matériaux utilisés)  seuil de détection faible, l’intérêt des cellules photoconductrices réside dans leur sensibilité élevée d’où résulte la simplicité de certains montages d’utilisation (exemple : commande de relais).  très faible coût  Non-linéarité de la réponse en fonction du flux,  Temps de réponse en général élevé et bande passante limitée,  Instabilité (vieillissement) des caractéristiques,  Instabilité thermique – comme la plupart des capteurs optiques,
  68. Photodiode:
  69. - Ceux créés dans la ZCE: les é sont propulsés vers la région n et les trous vers la zone neutre p, ils donnent naissance à un photocourant de génération. Ces différentes composantes s’ajoutent et donnent le photocourant. Sous l’effet d’un rayonnement lumineux, des paires électrons -trous seront crées dans les différentes régions. - Ceux créés dans les zones neutres: pas d’évolution des majoritaires par contre les minoritaires diffusent et ceux qui atteignent la frontière de la ZCE sont propulsés par le champ qui y règne vers la zone où ils sont majoritaires, ils créent alors un photocourant de diffusion.
  70. Remarque:  Photodiode Schottky Une photodiode Schottky est constituée d’un substrat de silicium de type n, sur lequel est déposée une couche mince métallique, généralement de l’or. On réalise ainsi une barrière Schottky. Sous l’effet d’un rayonnement, il se crée des paires électrons-trous dans la ZCE du semi-conducteur, la diode est le siège d’un photocourant de génération analogue à celui d’une photodiode à jonction P-N. Avantages:  L’avantage de la photodiode Schottky réside dans le fait que la couche métallique, si elle est suffisamment mince( 10 nm) pour le passage de la lumière, est transparente au rayonnement dans le domaine du proche ultra violet, ce qui n’est pas le cas de la zone frontale des autres types de photodiode.
  71.  La zone de déplétion est si proche du plan d’incidence que les photons de grande énergie et de courte longueur d’onde peuvent y être absorbés. Les porteurs libres ainsi créés sont rapidement balayés par le champ élevé.  grande sensibilité dans le bleu et le violet, et aussi une grande vitesse de réponse. Inconvénient:  L’inconvénient d’une telle structure est dans La réponse aux grandes longueurs d’ondes du rouge et de l’infrarouge à cause de la grande réflectivité de la couche d’or dans cette partie du spectre.,
  72.  Photodiode pin L'introduction d'une très mince couche intrinsèque I non dopée , près de la couche P collectant la lumière à plusieurs avantages. elle accroît la vitesse de réponse ; elle réduit la capacité Cj de la jonction; elle réduit le courant de fuite et le bruit ; elle améliore la linéarité du dispositif.
  73. Phototransistor: Un phototransistor est un composant qui possède la même structure qu'un transistor bipolaire classique , mais dont la jonction base-collecteur peut être éclairée par un rayonnement lumineux; Le phototransistor peut-être utilisé soit de manière classique (base polarisée) , soit base en l'air qui est l'application la plus fréquente. La jonction B-C est une photodiode. On bénéficie ainsi du coefficient d'amplification propre au transistor
  74. Les capteurs photoélectriques sont souvent utilisés comme capteurs de position à sortie binaire. Ils comprennent généralement un émetteur de lumière (diode photoémissive ou diode laser) et un récepteur (photodiode ou phototransistor). Ils sont conçus pour détecter la présence d’un objet sur le trajet lumineux allant de l’émetteur au récepteur par transmission ou par réflexion. Applications:
  75. En utilisant les fibres optiques:
  76. Un ensemble de capteurs photoélectriques à sortie binaire peut être utilisé sous forme d’un "rideau optique". Celui-ci permet non seulement de détecter la présence d’un objet mais aussi d’en mesurer une dimension avec une résolution égale à la distance entre capteurs successifs.
  77. Codeurs incrémentaux La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes régulièrement réparties. Un faisceau lumineux se trouve derrière ces fentes, dirigé vers une diode photosensible. Chaque fois que le faisceau est coupé, le capteur envoie un signal qui permet de connaître la variation de position de l'arbre. Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième faisceau lumineux qui sera décalé par rapport au premier. Le premier faisceau qui enverra son signal indiquera aussi le sens de rotation du codeur.
  78. Remarque (effet inverse): • Lampe a filament de tungstene • diode electroluminescente: l’ènergie libérée par la r ecombinaison d’un électron et d’un trou au niveau de la jonction PN se fait sous la forme d’un photon.
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