GENERALITES SUR LES CAPTEURS

Capteur de température de type résistance :

La technologie de type résistante est la plus communément utilisée du fait de sa facilité de fabrication, de l’évolution linéaire de ces résistances avec la température et sa compatibilité avec la technologie microélectronique. De façon générale, le platine est le matériau le plus utilisé pour la réalisation de plaques chauffantes. Il supporte de fortes densités de courant. Il est fortement résistant à l’oxydation et peut opérer à des températures de 550˚C à 600˚C sans changement de sa structure. Il est adapté à la détection de température car son coefficient de température de la résistance (TCR) est stable. Si la résistance électrique d’un matériau varie avec la température, le capteur résultant est appelé thermomètre à résistance (RTD). Dans le cas des métaux, la résistance électrique augmente avec la température. La figure suivante représente la structure d’un capteur de température composée d’un substrat, un oxyde et un métal qui va capter la température et de l’air. FigureII.13 : La Structure d’un capteur de température. La plupart des métaux présentent un coefficient de température de la résistivité de l’ordre de 3,4. /˚C. Il existe trois matériaux qui sont principalement utilisés à cause de leur linéarité et leur facilité de mise en oeuvre : ce sont le cuivre, le nickel et le platine. Les valeurs normalisées à 25˚C, sont 50 Ω pour Ni et 100 Ωpour Pt (Voir la figure II.14).

Les avantage et les inconvénients :

Ces capteurs de température sont populaires pour leur stabilité. Les RTD présentent le signal le plus linéaire de tous les capteurs électroniques en fonction de température. Toutefois, ils ne coûtent généralement plus cher que leurs équivalents à cause de leur construction plus délicate et le recours au platine. Les RTD se caractérisent aussi par un temps de réponse lent et par une faible sensibilité. En outre, parce qu’ils nécessitent une excitation en courant, ils sont sujets à une élévation de température. Les RTD peuvent mesurer des températures pouvant atteindre 850°C. En règle générale, les thermistances ont une sensibilité de mesure très élevée (~200 Ω/°C), ce qui les rend très sensibles aux variations de températures. Bien qu’elles présentent un taux de réponse de l’ordre de la seconde, les thermistances ne peuvent être utilisées que dans une gamme de températures ne dépassant pas 300 °C.

RADIOSONDAGE

Le radiosondage est une technique d’observation des propriétés de l’atmosphère en fonction de l’altitude. L’appareil utilisé dans cette technique est appelé radiosonde. Cette dernière est équipée de plusieurs capteurs qui mesurent la pression atmosphérique, la température et l’humidité relative par exemple. Ces capteurs sont entrainés à travers l’atmosphère par un ballon dilatable jusqu’à une altitude de 25 à 30km. La vitesse ascensionnelle de l’ensemble est d’environ 300 mètres par minute, 18 Km/h, ou encore 5 m/s. Le radiosondage se déroulera donc sur une période comprise entre 1 heure et 1 h 30mn.

Ballon-sonde : Un ballon-sonde est un aérostat utilisé dans les domaines de la météorologiques et de l’astronautique. Il s’agit d’un ballon libre, utilisé pour faire des mesures locales dans l’atmosphère grâce à un certain nombre d’instruments mis à bord dans une nacelle appelée radiosonde, ainsi que d’un réflecteur radar ou d’un système de radiolocalisation pour suivre et donc déterminer la vitesse des vents. Le ballon-sonde a été inventé par Gustave Hermite en 1892. Son principal intérêt est de pouvoir atteindre des altitudes de 35 km ou plus, difficile à obtenir avec des moyens plus conventionnels tels que les avions, et à un coût beaucoup moindre que celui d’une fusée-sonde ou d’un satellite.

Différents types de ballons-sondes : Les ballons-sondes standard sont gonflés en général à l’hélium et emportent des charges importantes en haute altitude. On utilise l’hydrogène dans les postes éloignés, comme dans l’Arctique canadien, car il est facile et peu coûteux à produire par hydrolyse, ce qui évite le transport coûteux d’hélium, mais sa manipulation est plus risquée. Le ballon est gonflé de façon à avoir une vitesse ascensionnelle d’environ 5 m/s. Il est hermétique et est composé d’une matière élastique (latex, néoprène ou de polyéthylène5) ce qui implique qu’il éclate à des altitudes généralement comprises entre 10 et 35 km. À cause de la pression très faible qui règne à ces altitudes, l’enveloppe se dilate jusqu’à la rupture. Son diamètre peut augmenter de 400 %.

Comment s’effectue la mesure ? Gonflés à l’hydrogène, ces ballons, en latex pur, ont 2 mètres de diamètre au moment de leur lancement. Ils en auront 8m en altitude, quand ils seront sur le point d’éclater du fait de la diminution de la pression atmosphérique. Ils emportent la radiosonde. Celle-ci réunit des appareils enregistreurs — thermomètre, baromètre, hygromètre — et un émetteur à ondes très courtes. Par l’intermédiaire d’un système d’horlogerie, d’aiguilles mobiles et de repères fixes, les appareils enregistreurs fournissent les indications voulues par interruptions de signaux réguliers que l’émetteur envoie. Une radio théodolite, appareil muni d’une lunette de visée et d’un récepteur radio, permet de suivre la trajectoire du ballon dans l’espace en même temps qu’il en recueille les signaux. Ceux-ci, enregistrés sur bande, sont immédiatement déchiffrés et permettent ainsi de connaître les valeurs de la température, de la pression et de l’humidité dans les différentes couches de l’atmosphère traversées par le ballon jusqu’à 30 km d’altitude, c’est-à-dire jusqu’aux couches hautes de la troposphère, zone qui intéresse beaucoup les météorologistes. Au terme de son ascension, quand le ballon éclate, la radiosonde redescend, suspendue à un parachute. Ce procédé nous permettra de récupérer l’équipement.

MODULATION ET DEMODULATION

Dans les télécommunications et le traitement du signal , la modulation de fréquence ( FM ) est le codage de l’information dans une onde porteuse en faisant varier la fréquence instantanée de l’onde .La modulation de fréquence est largement utilisée pour les transmissions radio pour une grande variété d’applications de la radiodiffusion . Comme son nom l’indique la modulation de fréquence FM utilise les changements dans la fréquence pour transporter le son ou d’autres informations qui sont nécessaires pour être placé sur le support .Comme on le voit ci-dessous , on peut voir que, lorsque la modulation ou une base tension de signal de bande varie , de sorte que la fréquence des variations de signal en accord avec elle.Ce type de modulation apporte de nombreux avantages:réduction des interférences, enlèvement de nombreux effets des variations de puissance du signal, transmetteur amplificateur efficacité.

L’objectif de ce mémoire a consisté à faire une étude d’une micro-radiosonde d’une station météorologique constituée de trois capteurs (température, pression et l’humidité). La technique de radiosondage a un but de mesurer les grandeurs constituant l’atmosphère (température, pression et humidité). Elle est composée de deux grande parties : émission (la radiosonde) et réception (station météorologique).Pour mesurer ces grandeurs physiques, nous avons utilisé des capteurs en technologie MEMS. Nous avons présenté les différents types de détection utilisés pour les trois capteurs (température, pression et humidité). Les modes de détection les plus utilisés sont des modes résistifs, capacitifs et piézorésistifs. Nous avons essayé de simuler le fonctionnement de la radiosonde par des circuits électroniques utilisant Proteus (logiciel de simulation des circuits électroniques). Ces circuits ont un but de traiter les différentes informations sur les différentes mesures de la température, la pression et l’humidité à des altitudes différentes avec précision et un temps de réponse plus élevé. Nous pouvons dire que ce thème nous a aidés à approfondir nos connaissances en électronique et en circuiterie en utilisant différents circuits.

•Des convertisseurs : tension-fréquence/fréquence-tension/Capacité/fréquence.

•Multiplexeur/Démultiplexeur.

•Convertisseur analogique/numérique par un microcontrôleur moderne (Arduino). •Des afficheurs.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 GENERALITES SUR LES CAPTEURS
I.1-Définition d’un capteur
I.2-Constitutions d’un capteur
I.3-Mode de Transduction
I.4- Problèmes
I.5-Quelques exemples sur les grandeurs d’influence
I.6-Rôle du capteur
I.7-Pourquoi des Petits Capteurs
I.8-Quelques Classifications des Capteurs
CHAPITRE 2 PRINCIPLE DE FONCTIONNEMENT DES CAPTEURS
II.1- Capteur de pression
II.1.1- Définition de la pression
II.1.2-Autres unités de pression
II. 1.3-La pression atmosphérique
II. 1.4-Capteur de pression
II. 1.5- Utilisations
II. 1.6-Les avantages et les inconvénients
II. 1.7- Le modes de transduction d’un capteur de pression
II. 1.8-Capteur de pression capacitif
II. 1.9- Principe de fonctionnement du capteur de pression capacitif
II. 1.10- Capteur de pression piézorésistif
II.2-Capteur d’humidité
II .2.1-Definition de l’humidité
II .2.2-Mesure de l’humidité
II .2.3-L’humidité absolue et l’humidité relative
II .2.4-Definition d’un capteur d’humidité
II .2.5-Ses domaines d’utilisation
II .2.6- Les modes de transduction d’un capteur d’humidité
II .2.7- Capteur d’humidité capacitif
II .2.8-Capteur d’humidité résistif
II .2.9-Ses avantages et ses inconvénients
II .3- CAPTEUR DE TEMPERATURE
II .3.1-Quelques définitions
II .3.2-Definition d’un capteur de température
II .3.3-Défférentes technologies
II .3.3.1- Les thermocouples
II .3.3.2- Thermistance
II .3.3.3-Capteur de température de type résistance
II .3. 4-Les utilisations
II .3.5-Les avantage et les inconvénients
CHAPITRE 3 RADIOSONDAGE
III .1-Définition
III.2-Ballon-sonde
III.3-Différents types de ballons-sondes
III.4-Eléments constituants le ballon-sonde
III.5-Radiosondage
III.7-Caractéristiques
III.8-Comment s’effectue la mesure
CHAPITRE 4 SIMULATION
IV.1- Schéma synoptique
IV.2- Logiciel utilisé
IV.3-Proteus Isis
IV.4- Phase 1 de la radiosonde : Emission
IV.4.1-Capteur de la Température (LM335)
IV.5-Capteur de pression
IV.5.1-Simulation de capteur de pression sous ISIS
IV.5.2-Représentation graphique de la tension en fonction de la pression
IV.5.3-Convertisseur tension-fréquence
IV.6- Capteur d’humidité HCH 1000
IV.6.1-La conversion de la capacité en fréquence
IV.6.2-NE555
IV.6.3-Courbe de tension en fonction d’humidité
IV.7 -Multiplexeur utilisant un commutateur(CD4016) et un compteur(CD4017)
IV.7.1-Commutateur CD4016
IV.7.2-Compteur CD4017
IV.8-Modulation et Démodulation
IV.8.1-Modulation
IV.8.2-Demodulation
IV.9-Antenne
IV.10- Phase 2 de la Radiosonde : RECEPTION
IV.10.1-Démultiplexeur utilisant un commutateur(CD4016) et un
compteur(CD4017)
IV.10.2- Convertisseur fréquence-tension
IV.10.3- Calcule de la tension de sortie
IV.10.4- Convertisseur analogique-numérique avec Arduino
IV.10.5-Mesurer une tension
IV.10.6-Le code de démonstration
IV.11-Résultats
CONCLUSION