Capteur inductif#
Ce montage a pour objectif détecter la présence d’une pièce en acier à proximité d’un capteur.
Cahier des charges#
Voici les caractéristiques macroscopiques requises pour le circuit.
Une self-inductance est alimentée par un signal sinusoïdal à fréquence fixée. A cette fréquence, l’impédance de la self est dépendante de sa valeur. Cette valeur augmente avec la proximité d’un matériau en acier.
Le système doit détecter la variation d’impédance de la self et allumer une LED verte lorsqu’une pièce en acier est présente et une LED rouge lorsqu’il n’y en a pas.
Lorsque la tension en sortie est à Vcc, la LED verte s’allume. Lorsqu’elle est à la masse, la LED rouge s’allume.
Liste des tâches#
Vue d’ensemble#
Tracer le signal croissant représentant la valeur de la Self en entrée et la tension de sortie.
Analyser le circuit par blocs
Identifier la fonction de chacun des 5 blocs représentés sur le schéma du montage
Pour chaque bloc, identifier le type de grandeurs physiques en entrée et en sortie
Pour chaque bloc, tracer le schéma de la sortie en fonction de l’entrée (transient)
Pour le tracé des schémas, n’importe quel outil ou logiciel est accepté. Python ou Excel sont cependant conseillés.
Capteur et pont de Wheatstone#
Mesurer l’impédance du « capteur magnétique » (en absence de pièce métallique) :
Choisir une valeur de résistance pour \(R_{p1}\) (= \(R_{p2}\)) qui limite le courant de sortie du générateur de signaux sinusoidaux à quelques mA,
Réaliser un pont diviseur en AC, avec une résistance en série avec le capteur ‘(la valeur de la résistance est celle déterminée ci-dessus),
Appliquer un signal sinusoïdal en réglant sa fréquence de telle manière que la tension aux bornes du capteur à la même amplitude que la tension aux bornes de la résistance. Attention à vos mesures avec l’oscilloscope, ne pas court-circuiter la !résistance ou le capteur.
Relever cette fréquence et déterminer les paramètres électriques du capteur à cette fréquence (\(R_L\) et \(L\)) grâce à un diagramme de Fresnel (dont la combinaison vectorielle est
Mesurer la résistance du capteur à l’aide d’un ohmmètre et justifier la différence observée avec la valeur obtenue ci-dessus.
À la même fréquence de travail, approcher suffisamment une pièce métallique et observer les nouveaux paramètres électriques du capteur (\(R_L\) et \(L\)). Utiliser la fonction STOP de l’oscilloscope pour faciliter la mesure.
Dimensionner les éléments inconnus du pont de Wheatstone pour que la tension différentielle en sortie soit nulle en absence de pièce métallique. Pour cela, se baser sur les caractéristiques de la self à vide (mesurées précédemment).
Amplificateur différentiel#
Analyser le fonctionnement interne de l’amplificateur d’instrumentation AD623 et obtenir la fonction de transfert idéale en fonction de la résistance \(R_G\).
Sur base de la variation de tension en sortie du pont de Wheatstone, déterminer le gain nécessaire pour maximiser la sensibilité tout en évitant la saturation.
Dimensionner les filtres en entrée de l’amplificateur différentiel pour obtenir une fréquence de coupure assurant un bon fonctionnement et justifier leur nécéssité.
Justifier la mise à la masse de \(V_{ref}\).
Principe de fonctionnement#
Vue d’ensemble#
Le système peut être représenté d’un point de vue macroscopique par la figure suivante.
Il peut être détaillé par le schéma-bloc suivant.
Le générateur de signaux sinusoïdaux génère un sinus à une fréquence donnée.
Le pont de Wheatstone est alimenté par le signal sinusoïdal. Sa sortie sera donc également sinusoïdale, à la même fréquence. La self est placée dans un des bras du pont. La tension différentielle en sortie est donc dépendante de l’impédance de la self. On règle le pont pour le signal en sortie soit nul lorqu’aucune pièce en acier n’est présente. Lorsque l’impédance de la self augmente, la tension différentielle en sortie du pont augmente également.
L’amplificateur différentiel amplifie la tension différentielle en sortie du pont et génère un signal “single-ended”.
Le détecteur de crête ne garde que la valeur maximale du signal en sortie de l’amplificateur différentiel.
Le comparateur compare cette valeur maximale avec le seuil de détection. Si la valeur maximale est supérieure au seuil, la LED verte s’allume. Sinon, la LED rouge s’allume.
Gestion de l’alimentation#
L’alimentation du montage se fait par une alimentation simple. Or, le générateur de signaux et l’amplificateur différentiel ont besoin d’une alimentation double pour fonctionner. Le circuit suivant crée une masse située à la moitié de la tension d’alimentation.
Suite à ce circuit, 3 tensions sont disponibles : \(Vcc+ = 4.5\), \(Vcc- = -4.5\) et \(GND = 0\).
Générateur de signaux sinusoïdaux#
Le générateur de signaux sinusoïdaux utilisé est un oscillateur à pont de Wien. Il est représenté par le schéma électronique suivant.
Pont de Wheatstone#
Le pont de Wheatstone est représenté par le schéma électronique suivant.
Pour obtenir une tension différentielle nulle en sortie du pont de Wheatstone en absence de pièce, il faut que la relation suivante soit vérifiée:
avec
\(Z_{L_0}\) l’impédance de la self en absence de pièce
\(Z_C = C_p // R_C\).
Cette formule se transforme comme
En égalisant les parties réelles et imaginaires des 2 côtés de l’équation, on obtient 2 équations à 4 inconnues (\(R_{p1}\), \(R_{p2}\), \(C_p\) et \(R_C\)). En imposant \(R_{p1} = R_{p2} = |Z_{L_0}|\), on réduit le système à 2 inconnues (\(C_p\) et \(R_C\)).
Amplificateur différentiel#
L’amplificateur différentiel est représenté par le schéma électronique suivant.
L’amplificateur d’instrumentation doit être alimenté en alimentation double (par \(Vcc+\) et \(Vcc-\)).
Détecteur de crête#
Le détecteur de crête est représenté par le schéma électronique suivant.
Comparateur#
Le comparateur est représenté par le schéma électronique suivant.
