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mercredi 7 février 2001
GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
Philippe Mabilleau ing.
Capteurs
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2GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
Philippe Mabilleau ing.
Types de capteurs
• Capteurs de position
• Capteurs de force
• Capteurs de température
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3GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs de position
• Ces capteurs traduisent la position d'unobjet– sur un axe de rotation
– sur un axe linéaire
• Position angulaire
• Position linéaire
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4GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs de position absolue
• Position donnée par rapport à uneréférence fixe
• Angle avec une direction fixe
• Distance avec un point fixe sur un axe
• Position absolue dans l ’espace– 2D déplacement dans un plan
– 3D repérage dans l ’espace
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5GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
Philippe Mabilleau ing.
Capteurs de position relative
• Mesure du déplacement par rapport auxpositions antérieures
• Référence absolue non disponible
• Grandeur mesurée– vitesse
– accélération
– déplacement par comptage
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6GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Technologie des capteurs
• Capteurs analogiques– position absolue
• Capteurs numériques– position absolue et relative
– déplacements
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7GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs analogiques
• La position est mesurée à l'aide d'unegrandeur analogique– potentiométriques (résistance)
– capacitifs et inductifs
– de niveau (liquide)
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8GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs numériques
• Position ou déplacement
• Directement encodé sous formenumérique
• Capteurs mécaniques
• Capteurs optiques
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9GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs potentiométriques
• Bonne précision si démultipliés
• Valeur analogique généralementconvertie en tension
• Coût élevé
• Résistance au déplacement nonnégligeable
• Bruit de contact potentiel entre lecurseur et la piste
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10GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs potentiométriques• Linéaire ou angulaire
• Simple ou multitours
• Position absolue
• Valeur angulaire limitée en amplitude
• Utilisation de potentiomètres avec deuxpistes sans fin de course
• Conversion linéaire de la résistance entension pour être présentée à unconvertisseur analogique à numérique
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11GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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R1
R2
angle
angle
R1 R2
Potentiomètres sans fin
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12GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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0 - 1 0 V
- 1 0 V
0 - 1 K
-
+
1 K
R
-15V
V = −R
1kΩ−10v( )
Conversion de la résistance
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13GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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C = Kε 0A
d
Capteurs capacitifs• Exploitation de la variation de capacité
d'un condensateur
• Pour un condensateur plan
avec ε0 = 8.85 pF/m– Variation de la distance d
– Variation de l'aire A
– Variation de la constante diélectrique K
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14GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Sor t i e
Sourc e a c
L1
L2L3
Capteurs inductifs• Variation de l'inductance ou de
l'inductance mutuelle
• LVDT• linear variable differential transformer
• L'amplitude de la tensiondifférentielle de sortievarie linéairement avec laposition du noyau
• La phase de cette même tensionchange au passage au centre
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15GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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S our c e ac
LVDT
Sor t i e dc
R
R
C
D
D
Utilisation d'un LVDT
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16GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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LVDTDétecteur phase
Oscillateur
Filtre et red.
Utilisation d'un LVDT
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17GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Caractéristiques des LVDT
• Course linéaire de ±1 mm à ±25 cm
• Linéarité typique de ±0.25%
• Transfert statique en mV/mm
• Caractéristiques dynamiques fonctionsde l'électronique d'interface
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18GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Mesures de niveaux• Mécaniques
– utilisation de flotteurs avec les liquides
• Électriques– utilisation des caractéristiques électriques
du fluide• conduction
• capacité à constante diélectrique variable
• À ultra-sons– non invasifs
• À mesure de pression
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19GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs numériques
• À encodage directe– code Gray
• Par comptage– déplacements relatifs
– codage incrémental
– détection du sens de déplacement
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20GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• Le code Gray est un code à distanceminimale qui permet d'éviter les étatsintermédiaires erronés
• Un seul bit change d ’une position àl'autre
• Il peut être utilisé avec des capteursoptiques ou à balais mécaniques, pourdes positions angulaires ou linéaires
Code Gray
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21GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Code Gray 4 bits
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22GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs mécaniques à balais
• Lecture numérique simple
• Usure élevée, sensible àl'environnement
• Utilisation d'interrupteurs magnétiqueset d'un compteur– « compte-tours »
• Dispositifs de pointage
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23GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Capteurs optiques
• Résistance au mouvement faible
• Lecture numérique simple
• Par encodage direct– encodeurs angulaires optiques
– angles mesurés en absolu
• Par comptage– dispositifs de pointage (souris)
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24GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• Détection du mouvement relatif et de sadirection
• Linéaire ou angulaire
• Règle imprimée
• Roue dentée
• Surface striéen+1/2
demi-périodes
Capteur 1 Capteur 2
Codeur incrémental
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25GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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X
Y
P
X-
S
Sens du déplacement
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26GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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D
C
Q D
C
Q
D
C
Q D
C
Q
D
C
Q
Y
X
CLK
S
P
X-
Détecteur
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27GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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X
Y
S
P
D
C
Q
X
Y = P
S
Détecteur simplifié
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28GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Mesures de forces
• La mesure des forces ou contraintes esttrès utilisée car elle permet la mesureindirecte des pressions, débits,accélération et poids
• La mesure des contraintes utilise larelation qui existe entre contrainte etdéformation
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29GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• Étirement
• Compression
• La contrainte estexprimée en N/m2
• La déformation estexprimée en m/mou en µm/m A
FContrainte =
FF
F F
A
A
l
l
∆ l
∆ l
Déformation =∆ll
Différents types de contraintes
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30GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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F
F
A
l
∆∆ x
Déformation =∆xl
Torsion =F
A
Torsion
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31GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Contrainte
Déformation
Saturation
Rupture
llAF
E∆
==nDéformatio
Contrainte
Zone de déformationélastique
Contrainte et déformation
E module d'élasticité d'Youngen N/m2
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32GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• Une jauge de contrainte est un dispositifconducteur dont la résistance va variersuite à sa déformation sous unecontrainte
• Sous l'effet de la contrainte la longueurde la jauge va augmenter et sa sectionva diminuer; ce qui va modifier sarésistance
R0 = ρl0A0
Jauge de contrainte
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33GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Variation de la résistance
• Exemple:– R0 = 120 Ω– contrainte de 1000 µm/m
– ∆R = 0.24 Ω
l 0 A 0 = l 0 + ∆ l( ) A0 − ∆A( )
R = ρl 0 + ∆lA0 − ∆A
R = ρl0
A01 + 2
∆ll0
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34GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Direction sensible
Directionnon-sensible
Substrat isolant
ConducteurPad d'interconnexion
Construction
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35GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• La relation entre la contrainte et lavariation de résistance d'une jaugepermet de définir son coefficient
• Pour les jauges métalliques usuelles GFest voisin de 2; il peut aller jusqu'à 10pour certains alliages ou le carbone
GF =∆R R∆l l
Jauges métalliques
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36GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Résistance d ’une jauge
• La valeur nominale de la résistanced'une jauge (en l'absence de contrainte)peut être de 60, 120, 240, 350, 500 ou1000 Ω; la valeur la plus commune est120 Ω
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37GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• Un pont est utilisé pour mesurer lavariation de résistance
• Une jauge inactive est utilisée dans laseconde branche du pont pourcompenser les effets des variations detempérature
F FRA
RD+
Vs D
Det
Utilisation d'une jauge
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38GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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RA = R 1 +∆RR
∆V = VSRD
RD + R1−
RA
RA + R2
∆V = −VS
4
∆RR
1 +∆RR
≈ −VS
4
∆RR
= −VS
4GF
∆ll
Variations au détecteur
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39GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Jauges à semi-conducteur• Construites à partir de semi-
conducteurs (généralement le silicium)
• Coefficients beaucoup plus élevés queles jauges métalliques
• du à l'effet de la contrainte sur la mobilité desporteurs dans les semi-conducteurs
• Coefficients de l ’ordre de -50 à -200
• Variation de la résistance non linéaire• généralement le coefficient décroît avec la
contrainte (donc augmente en valeur absolue)
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40GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Accéléromètres• Mesure de la position d ’une masse
suspendue à un ressort– réponse dynamique
• résonance
• Capteur de position– potentiométriques
– LVDT
– Piézo-électrique
• Mesure de vibrations
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41GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Manomètres
• Différents types– à diaphragme et LVDT (type Bourdon)
– à semi-conducteur (jauges de contrainte)
– jauge Pirani (dissipation thermique d ’unfilament, faible pression)
– Jauge à ionisation (faibles pressions)
• Débitmètres– manomètre différentiel
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42GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Mesure de températures• Basée sur l'effet de la température sur
des grandeurs physiques ou électriques– résistance
– effet thermo-électrique
– propriété des semi-conducteurs• résistivité
• tension Zener
– expansion• d ’un liquide
• d ’un solide
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43GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• Résistivité des métaux croissante avecla température
• Résistance métallique croissante avecla température
• Variation non linéaire• approximation par une variation linéaire sur
une plage limitée
• par une variation quadratique sur une plageplus large R(T ) = R(T0 )(1 + α1∆T + α2 (∆T )
2 )
R(T ) = R(T0 )(1 + α0 ∆T )
Résistance métallique
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44GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Exemples de variations
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45GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Ligne s de c om pe ns a t ion+
Vs
-
+
Détecteur à résistance (RTD)
Utilisation d ’un pontavec lignes decompensation
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46GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Thermistor
• Résistance à semi-conducteur
• Diminue avec la température d ’unefaçon non linéaire
• Très sensibles à la température;– typiquement 10% de la résistance
nominale par °C
• Plages de températures d ’utilisation– -50 °C à -100 °C jusqu'à 300 °C
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47GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Résistance d ’un thermistor
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48GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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• Dissipation de puissance par le couranttraversant la résistance de mesure– élévation de température
• Réduction l ’incidence du phénomènesur la mesure– limitation du courant dans la résistance
– prise en compte de l'erreur de lecture dueau réchauffement
Facteur de dissipation
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49GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Prise en compte
• Facteur de dissipation
• Spécifications des RTD et desthermistors– facteur de dissipation, PD (en W/ºC) , qui
est la puissance requise pour augmenter latempérature du composant de 1 ºC
• P = puissance dissipée dans la résistance pourla mesure
• ∆T = élévation de la température résultante∆T =
P
PD
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50GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Effet thermo-électrique
• Force électromotrice résultant de ladifférence de température entre 2jonctions métallique dans un circuit
• Très faible (quelques mV)
• Non linéaire• mais une approximation linéaire peut être
utilisée sur de vastes plages de température
• Fonction des températures desjonctions de référence
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51GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Thermocouple
T1 T2
métal A
métal B
Force électromotrice TM
TR
TR
métal A
métal B métal C
métal C
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52GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Utilisation d ’un thermocouple
• Plage des températures qui peuventêtre mesurées très vaste– plage de 500 à 1500 °C
– depuis -200 °C jusqu'à 1482 °C
• Dépend de la nature des jonctionsmétalliques– jonctions métalliques standards
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53GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Types standards de jonctions
Type Matériaux Plage detempératures
J Fer-constantan -190 à 760 oC
T Cuivre-constantan -200 à 371 oC
K Chromel-alumel -190 à 1260 oC
E Chromel-constantan -100 à 1260 oC
S 90% platine +10% rhodium-platine
0 à 1482 oC
R 87% platine +13% rhodium-platine
0 à 1482 oC
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54GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Exemples de variations
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55GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Autres capteurs• Bilames métalliques
• détection d'un seuil de température
• Thermomètres à gaz ou à pression devapeur saturante
• mesure de pression
• Capteurs intégrés à semi-conducteur• variation d'un tension Zener en fonction de la
température
• plage de mesure de -50 ºC à 150 ºC
• utilisés comme point de référence pourthermocouple
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56GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Exemple d ’application
• Plage de température à mesurer de 500 à600 °F avec une résolution de ±1 °F
• La plage de températures est de260 à 315.6 °C
• Un thermocouple de type J (fer-constantan) estutilisé avec une jonction de référence à 25 °C±0.5 °C
• Les tables donnent pour un thermocouplede type J
– à 260 °C, VT25 = 12.84 mV
– à 315.6 °C, VT25 = 15.90 mV
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57GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Conditionnement du signal• La tension VADC présentée au convertisseur
varie de 0 à 5 V
• La tension de sortie du thermocouple estconsidérée linéaire sur la plage utilisée
• Le circuit de conditionnement doit réaliser laconversion suivante:VADC = m VT25 + V0
• Les paramètres m et V0 peuvent êtredéterminés à l'aide des équations suivantes:0 = m (0.01284) + V05 = m (0.01590) + V0
• Ce qui fait: m = 1634 et V0 = -21 V
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58GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Calcul du circuit
• Un gain de 1634 risque d'être sourced'instabilités si réalisé avec un seul étage
• Un amplificateur différentiel avec un gain de-100 va être utilisé comme premier étage suivid'un sommateur
V1 = -100 VT25
VADC = 16.34 V1 - 21
VADC = 16.34 (V1 - 1.29)
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59GEI 437 Laboratoire d ’interfaces et microprocesseurs
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Vadc
-
+
-
+
10K
100K1K
1K
163.4K
2.88K1K
+5V
TREF
T
Fer
Constantan
Circuit de conditionnement