PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES TRANSDUCTEURS

PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES TRANSDUCTEURS
I DEFINITIONS
1° Exemple
E
x
O
X
B
V
Le potentiomètre convertit une grandeur d’entrée mécanique, la distance x en une grandeur de sortie électrique, la
tension V : c'est un transducteur.
La grandeur de sortie peut être mesurée, ici à l'aide d'un voltmètre : ce transducteur particulier est un capteur.
2° Le transducteur
Un transducteur est un système permettant de convertir une grandeur physique appelée grandeur d’entrée E, en une
autre grandeur physique qui peut être de même nature appelée grandeur de sortie S.
grandeur physique
d’entrée E
Transducteur
grandeur physique.
de sortie S
3° Capteurs
Un capteur est un transducteur permettant de convertir une grandeur physique en une autre grandeur physique
pouvant être mesurée, à l’aide d’un voltmètre par exemple .
a) Propriétés
Ces transducteurs particuliers permettent ainsi de mesurer des grandeurs physiques telles que la température,
l’intensité d’un champ magnétique, un flux lumineux ou une pression. Dans tous les cas, il est nécessaire de
relever la courbe d'étalonnage du capteur. Elle représente l’évolution de la grandeur de sortie S en fonction de la
grandeur d’entrée E .
Ainsi connaissant la valeur de la grandeur de sortie mesurée, en se référant à cette courbe, on détermine la valeur
de la grandeur physique d’entrée correspondante .
b) Un capteur doit être fidèle cela signifie qu’à une même valeur E de la grandeur d’entrée doit toujours
correspondre la même valeur S de la grandeur de sortie.
c) Un capteur doit être sensible : cela signifie qu’à une variation ∆E de la grandeur d’entrée doit correspondre une
variation ∆S de la grandeur de sortie.
Les transducteurs et les capteurs sont très répandus dans les systèmes industriels surtout en matière de contrôle et
de régulation.
Exemple: Dans le domaine de la régulation de vitesse d'un moteur, on utilise des capteurs de vitesse
Ces capteurs permettent de convertir une fréquence de rotation (grandeur d'entrée E) en une tension (grandeur
analogique de sortie S ). Cette grandeur de sortie est ensuite exploitée afin d'assurer la régulation de vitesse du
moteur.
II TRANSDUCTEURS ELECTROMECANIQUES
1° Principe
Ces transducteurs convertissent une grandeur d'entrée mécanique E en une grandeur de sortie électrique S ou
inversement une grandeur d'entrée électrique en une grandeur de sortie mécanique S
grandeur d’entrée
mécanique E
Transducteur
électromécanique
grandeur. de sortie
électrique S
La grandeur physique de sortie peut être mesurée; ces transducteurs sont des capteurs.
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2° Exemples
a) Potentiomètre linéaire
Un potentiomètre linéaire est un transducteur permettant d'obtenir une tension (grandeur physique de
sortie) fonction de la position du curseur dont on peut mesurer l'abscisse (grandeur physique d'entrée) dans un
repère choisi.
la résistance Rx entre les points X et O est proportionnelle à la longueur du conducteur résistif reliant ces deux
points. De plus Uxo = E RX
(diviseur de tension) ainsi Uxo est fonction de la distance x.
R
b) Potentiomètre circulaire
Un potentiomètre circulaire est un transducteur permettant d'obtenir une tension (grandeur physique de sortie)
fonction de la position du curseur dont on peut mesurer la position angulaire (grandeur physique d’entrée) dans un
repère choisi. Le principe de fonctionnement est analogue à celui d'un potentiomètre linéaire.
c) Galvanomètre magnétoélectrique
Cet appareil de mesure permet de convertir un courant électrique (grandeur physique d’entrée) en une grandeur
mécanique, la rotation du cadre (grandeur physique de sortie).
3° Exercice : Soit le dispositif simplifié suivant permettant la commande de la température d'un four
On dispose des relevés suivants
0
α (degrés)
v (volts)
0
36
3
72
6
108
9
144
12
180
15
Pour α = 0°, la température à l'intérieur du four est θf = 20 °C.
Pour α = 180°, la température à l'intérieur du four est θf = 200 °C.
1. À l'aide d'un schéma fonctionnel, représentez le potentiomètre circulaire en indiquant physique d'entrée E et la
grandeur physique de sortie S.
2. Tracez la courbe représentant la tension v en fonction de la position angulaire α et déterminer l'expression
mathématique de cette courbe.
3. L'étage amplificateur délivre une tension U telle que U = 10 V. Pour U = 100 V, déterminer la valeur de α
correspondante
4. Tracer la représentation graphique de la température en fonction de la position angulaire sachant que celle-ci est
une droite puis déterminer son expression mathématique.
5. Déterminer la valeur de l’angle pour une température de 90°C.
III TRANSDUCTEURS MAGNETO-ELECTRIQUES
1° Principe
Ces transducteurs convertissent l'intensité d'un champ magnétique, grandeur physique d'entrée E, en une
tension, grandeur physique de sortie S
grandeur d’entrée E
champ magnétique
Transducteur
magnétoélectrique
grandeur. de sortie
tension électrique S
La grandeur physique de sortie peut être mesurée, ces transducteurs sont des capteurs.
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2° Exemple : Sonde à effet Hall
Un champ magnétique placé prés d’un ruban métallique où circule un courant I entraîne le déplacement des
électrons ( F = qvB) d’où l’apparition d’un champ électrostatique EH ( F= e. EH ) . Ce dernier entraîne l’apparition
d’une ddp U = a.EH ou avB.
Cette tension est proportionnelle à l’intensité du champ magnétique .
On utilise cette propriété pour la réalisation d’un teslamétre. Cet appareil qui est un capteur permet de mesurer
l’intensité d’un champ magnétique.
IV TRANSDUCTEURS THERMOELECTRIQUES
1° Thermistance
a) Symbole
b) Principe
Une thermistance est un transducteur qui convertit une température, grandeur physique d'entrée E, en une
valeur de résistance électrique, grandeur physique de sortie S
grandeur d’entrée E
température
Thermistance
grandeur. de sortie S
résistance électrique
La grandeur physique de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur.
Les thermistances sont constituées par des éléments dont la résistance électrique varie en fonction de la
température. On peut classer les thermistances en 2 groupes
- thermistance à coefficient de température négatif CTN dont la résistance électrique augmente (respectivement
diminue) quand la température diminue (respectivement augmente);
- thermistance à coefficient de température positif CTP dont la résistance électrique augmente (respectivement
diminue) quand la température augmente (respectivement diminue).
c) Application
Les thermistances sont utilisées pour réaliser des capteurs de température lorsque les températures utilisées varient
entre -50°C et 900 °C.
Exemple de thermistance : capteur céramique délivrant une résistance inversement proportionnelle à la température
(CTN). Sensibilité maximale entre 0 °C et 100 °C.
d) Exercice
On a relevé la valeur de la résistance électrique R d'une thermistance en fonction de sa température θ.
R (Ω)
θ (°C)
3540
30
2300
40
1 550
50
1060
60
720
70
480
80
300
90
-Tracez la courbe représentant la résistance électrique R de la thermistance en fonction de sa température θ .
- Indiquez le type de thermistance utilisée CTN ou CTP.
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2° Thermocouple
a) Principe
Un thermocouple est un transducteur qui convertit une température, grandeur physique d'entrée E en une
tension grandeur physique de sortie S
grandeur d’entrée E
température
Thermocouple
grandeur de sortie S
tension électrique
La grandeur physique de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur.
Un circuit ouvert formé par deux métaux différents M1 et M2
est le siège d'une force électromotrice e lorsque les deux contacts
ou soudures SI et S2 sont portés à des températures différentes.
A
M1
θ1
e
B
M1
M2
S1
θ2
S2
En pratique, on maintient la température constante par exemple la soudure S1 à la température θ1. La force
électromotrice du thermocouple ne dépend alors que de la température θ2 de la soudure S2. Cette soudure est placée
dans un milieu où l'on veut mesurer la température . Après avoir étalonné le thermocouple, on peut pour chaque
valeur de la force électromotrice d'une soudure en déduire la température θ2
Remarque. La force électromotrice ne dépend pas du point choisi pour ouvrir le circuit. On peut ainsi placer la
coupure (point B ) en S2 . C'est pourquoi certains thermocouples industriels ne possèdent qu'une soudure.
b) Application
Les thermocouples sont des capteurs utilisés pour la mesure de température ultra froide jusqu’à - 200 °C et pour la
mesure de très haute température jusqu'à +1 200 °C
Exemples de thermocouples utilisés dans l'industrie
- thermocouple cuivre - constantan . pour des températures variant de - 160 °C à 400 °C
- thermocouple chrome - alumel : pour des températures variant de 0 °C à 1 100 °C V TRANSDUCTEURS OPTOELECTRONIQUES
L'optoélectronique est l'étude des dispositifs électroniques dont le fonctionnement fait intervenir des ondes
lumineuses visibles ou invisibles.
1° Quelques rappels
Les ondes lumineuses sont des ondes électromagnétiques. Elles se propagent même en l'absence de milieu matériel
en transportant de l'énergie.
a) Flux énergétique
Le flux énergétique est la puissance émise par une source ou transportée par un faisceau de radiations lumineuses
ou reçue par un récepteur. Il s'exprime en watt.
b) Eclairement
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L’éclairement est la puissance reçue par unité de surface. Il s'exprime en W/m² .
2° La photodiode
a) Symbole
b) Propriétés
La photodiode est polarisée en inverse. On dispose du réseau de caractéristiques représentant le courant i traversant
la photodiode en fonction de la tension u à ses bornes.
1. À partir du réseau de caractéristiques, déterminez
l'intensité du courant traversant la photodiode dans les
deux cas suivants :
- l'éclairement est de 6 W/m²
- l'éclairement est de 12 W/m².
2 .À l'aide des appareils de mesure, on relève
i = -10 µA et u = -10 V. À partir du réseau de
caractéristiques, déterminez l'éclairement soumis à la
photodiode.
Une diode à jonction polarisée en inverse , c'est le cas dans le montage précédent, est un courant très faible appelé
courant inverse dont l'ordre de grandeur est quelques µA. Lorsqu’on éclaire la jonction, on constate que le courant
inverse augmente. Cette augmentation est d’autant plus importante que l'éclairement est intense.
Interprétation qualitative
Le faisceau lumineux permet de communiquer à quelques électrons de valence une énergie suffisante pour franchir
la barrière de potentiel créée par la polarisation inverse de la jonction. Ce phénomène contribue à accroître le
courant inverse.
c) Principe
Une photodiode est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en un
courant électrique, grandeur physique de sortie S.
grandeur d’entrée E
éclairement
Thermocouple
grandeur de sortie S
courant électrique
La grandeur de sortie peut être mesurée. Ce transducteur est un capteur.
3° La photopile
a) Symbole
b) Principe
Une photopile est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en un courant
électrique, grandeur physique de sortie S.
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grandeur d’entrée E
éclairement
Photopile
grandeur de sortie S
courant électrique
Une photopile est constituée par un matériau semi-conducteur
dont une face repose sur un métal. Une autre face du semiconducteur, placée à la lumière, présente une fine couche
métallique transparente.
L'éclairement reçu par la face transparente entraîne une libération
d'électrons dans le matériau semi-conducteur. La
photopile se comporte alors comme un générateur.
4° Le phototransistor
a) Symbole
b) Principe
Un phototransistor est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en un courant
électrique grandeur physique de sortie S
grandeur d’entrée E
éclairement
Phototransistor
grandeur de sortie S
courant électrique
La grandeur de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur.
Un phototransistor présente la même structure qu'un transistor à jonctions. La base est excitée par
un faisceau lumineux. Ce faisceau lumineux communique aux électrons de valence de l’énergie.
Il résulte alors un courant entre le collecteur et l'émetteur.
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5° Photorésistance
a) Symbole
b) Principe
Une photo résistance est un transducteur qui convertit un éclairement, grandeur physique d'entrée E, en une valeur
de résistance électrique grandeur physique de sortie S.
grandeur d’entrée E
éclairement
Photorésistance
grandeur de sortie S
résistance électrique
La grandeur de sortie peut être mesurée, ce transducteur est un capteur.
Une photo résistance est réalisée à partir d'un élément semi-conducteur dont la résistance varie en fonction de
l'éclairement. Dans l'obscurité la résistance est élevée, à la lumière du jour elle est beaucoup plus faible.
Les photo résistances sont des capteurs très utilisés en particulier comme détecteur de lumière ou d'obscurité.
VI LES TRANSDUCTEURS ULTRASONIQUES
1° Symbole
2° Principe
Un transducteur ultrasonique est un transducteur qui convertit une tension , grandeur physique d'entrée E, en une
force mécanique grandeur physique de sortie S
grandeur d’entrée E
tension
transducteur
ultrasonique
grandeur de sortie S
force mécanique
Un transducteur ultrasonique est essentiellement constitué d'un élément piézoélectrique présentant la propriété
d'osciller à une fréquence f, voisine de 40 kHz.
Les ultrasons sont des ondes acoustiques dont la fréquence est supérieure à 20 kHz.
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L’effet piézoélectrique inverse crée des déformations mécaniques du composant lorsqu'une tension u est appliquée
à ses bornes, engendrant des forces f qui provoquent des déplacements d'air et la propagation des ultrasons.
L’effet piézoélectrique direct crée une tension aux bornes du composant lorsqu'il est soumis à l'action des forces f
exercées par les déplacements d'air dus aux vibrations ultrasonores.
Les transducteurs ultrasoniques sont donc réversibles.
air
f
f récepteur
f
u
u
émetteur
f
f
f
air
Ils sont très utilisés, en échographie médicale, dans les sonars marins etc.
3° Applications
Les transducteurs présentés dans cette partie sont utilisés pour transmettre une information à l'aide d'un
faisceau lumineux ou récupérer une information contenue dans un faisceau lumineux. Les applications
sont nombreuses, en voici quelques-unes
- capteur de vitesse;
- comptage d'objets;
- lecture de cartes perforées;
- dispositif de contrôle ou de régulation;
- détecteur d'échauffement, d'obscurité.
VII EXERCICES
1° On utilise la thermistance de l’exercice IV 1° (d pour réaliser un détecteur d'échauffement permettant de
contrôler la température d'un four. On l'insère dans le dispositif électronique suivant. Un amplificateur
opérationnel fonctionne en régime saturé
VS = + 12 V si V+ >V- et VS = - 12 V si V+ < V-.
Rp est une résistance de protection.
Schéma électrique simplifié du détecteur d'échauffement.
Calculez la valeur de Rx afin que la diode électroluminescente brille lorsque la température du four atteint
60 °C.
2° Un thermocouple chromel - alumel est étalonné entre 0 °C et les températures dont les valeurs sont données dans
le tableau suivant
100
150
200
250
300
350
400
450
500
θ (°C)
e (mV)
4,12
6,18
8,24
10,3
12,4
14,4
16,5
18,5
20,6
a) Tracez la courbe représentant la tension e en fonction de la température θ.
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b) La température de fusion de l'étain est θ = 232 °C. Déterminez la valeur de la tension e lorsque la
sonde thermocouple est plongée dans le métal en fusion.
3° Soit le montage ci-contre
R = 5,6 kΩ et Rp est une résistance de protection.
L'amplificateur opérationnel fonctionne en régime saturé VS = + 14 V ou VS = -14 V
La photo résistance a les caractéristiques suivantes :
- résistance inférieure à 500 Ω lorsqu'elle est éclairée ;
- résistance supérieure à 7 kΩ lorsqu'elle est dans l'obscurité.
On suppose la diode idéale.
a) Lorsque la photo résistance est dans l'obscurité
- expliquez le fonctionnement du montage ;
-déterminez Vs ;
- déduisez l'état de la diode.
b) Lorsque la photo résistance est éclairée
- mêmes questions.
4° Afin de mesurer la fréquence de rotation d'un moteur, on dispose sur son rotor un disque plein dans lequel on a
pratiqué une ouverture. De part et d'autre de ce disque, sur un support fixe, on place une diode
électroluminescente, un phototransistor et l'alimentation de ce dispositif comme l'indique la figure suivante.
Le phototransistor, supposé parfait, fonctionne en régime de commutation
- lorsqu'il est passant Vs = 0 ;
- lorsqu'il est bloqué VS = 12 V.
L'ouverture pratiquée dans le disque permet au rayon lumineux, émis par la diode électroluminescente, d'atteindre
la base du phototransistor.
a) Analysez qualitativement le fonctionnement du capteur « de vitesse » ainsi réalisé.
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b) À l'aide d'un oscilloscope on a relevé le graphe représentant la tension Vs en fonction du temps.
Déterminez dans ce cas la fréquence de rotation du moteur.
5° Le composant LM 335 est un capteur de température de précision qui peut être étalonné.
Son fonctionnement est celui d'une diode Zéner dont la tension de claquage est proportionnelle à la température
absolue T.
La grandeur d'entrée est la température du milieu dans lequel la diode est placée.
La grandeur de sortie est la tension u aux bornes de la diode
La tension u aux bornes du capteur est comprise entre 2,95 V et 3,05 V à la température θ = 25 °C (circuit n° 1).
La mise en œuvre du potentiomètre de résistance R dont le curseur est connecté à la broche ADJ (adjustment) du
capteur, permet son étalonnage, en réglant la tension u à la valeur 2982 mV, à la température θ = 25 °C
(circuit n°
2).
a) Selon la notice du constructeur, l'expression de u (T) peut s'écrire :
u (T) = u (T0) x T
T0
où T0 est la température absolue de référence T0 = 298,2 K et u (T0) = 2,982 V
Utiliser cette relation pour calculer la valeur de la variation ∆u (T) de la tension aux bornes du capteur,
correspondant à une variation ∆T de la température de 1K.
b) Utiliser l'expression de u (T) et la relation exprimant T en fonction de θ, afin de montrer que :
u (θ) = 10 x θ + 2 732
lorsque θ est exprimé en degrés Celsius et u en millivolts (mV).
c) En conséquence, compléter le tableau suivant
θ (°C)
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-25
0
15
100
P CORMERAIS
u mV
2580
2982
d) La tension u (θ) est soumise à un traitement électronique conforme au schéma fonctionnel suivant.
capteur
LM 335
a
u(θ)
tension de
référence
UR = 2732 mV
soustraction
(a - b)
b
amplification
× 10
uS
UR
Figure 6
Écrire l'expression de la tension us en fonction de la température θ.
e) Un voltmètre numérique affiche les valeurs de la tension us.
Compléter le tableau ci-dessous
US (V)
-1
0
θ (°C)
1,2
2,5
f) La figure 6 est modifiée comme suit :
- nouvelle tension de référence. u’ R = 2554,2 mV,
- nouvelle amplification : x 1,8.
En conséquence, montrer que la nouvelle tension de sortie u's peut s'écrire :
u's ≈ 10[ 9 θ + 32 ] ( °C ; mV).
5
6° On a réalisé un relais opto-électronique à l'aide d'une diode électroluminescente et d’un phototransistor.
Lorsque le phototransistor est éclairé par la diode, il conduit le courant; la diode éclaire plus ou moins le
phototransistor selon le courant ID qui la traverse.
On dispose du réseau de caractéristiques pour la diode (a) et le phototransistor (b).
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a) Pour e = 5V, déterminer le point de fonctionnement de la diode électroluminescente (on tracera sur la figure
(b) la caractéristique du générateur e vu des points A et K).
b) Déterminer le point de fonctionnement du transistor (UCE et IC pour eT = 30 V (on tracera sur la figure (c) la
caractéristique du générateur eT vu des points C et E).
c) Calculer la puissance dissipée par la source de commande e. Calculer la puissance dissipée dans la
charge RT. Conclure.
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