Lernzettel: Capteurs et actionneurs automobiles

📋 Plan du Cours

1. Rôle des capteurs et actionneurs
2. Signaux et mesure des capteurs
3. Alimentation et commande des actionneurs
4. Choix et complexité des composants
5. Principes électromagnétiques et inductifs
6. Principes résistifs et piézoélectriques
7. Principes électrochimiques et capacitifs
8. Diagnostic du capteur de pédale
9. Capteur de débattement inductif
10. Capteurs de pression
11. Capteurs de régime et référence
12. Capteurs de vitesse de roue
13. Sondes à oxygène
14. Capteurs de cliquetis et d’huile
15. Capteur de niveau et température d’huile
16. Débitmètres d’air à fil chaud
17. Moteurs à courant continu et couple
18. Moteurs pas à pas

📖 1. Rôle des capteurs et actionneurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur : Élément de détection qui convertit une grandeur physique à mesurer, comme la température, la vitesse de rotation, la pression ou le débit, en une grandeur électrique exploitable comme une tension ou une intensité.
• Actionneur : Élément qui transforme de l’énergie électrique pour obtenir le mouvement d’un mécanisme.

💡 Astuce mémo

Capteur = capte une grandeur ; actionneur = agit sur un mécanisme

📖 2. Signaux et mesure des capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Signal ratiométrique : Rapport entre la tension de sortie du capteur et sa tension d’alimentation afin de réduire l’erreur due aux fluctuations de l’alimentation, qui peuvent atteindre 5 % de la valeur nominale.
• Pont de Wheatstone : Association de deux ponts diviseurs de tension qui permet de transformer une faible variation de résistance en variation de tension exploitable.

📝 Points essentiels

• Les signaux de sortie couramment rencontrés sont:
  • les signaux linéaires
  • les signaux sinusoïdaux
  • les signaux carrés

💡 Astuce mémo

Grandeur physique → conversion électrique → exploitation par le calculateur

📖 3. Alimentation et commande des actionneurs

📝 Points essentiels

• Une alimentation par rapport cyclique, appelée PWM, contrôle la quantité de courant dans un actionneur et donc sa position ou sa vitesse, tout en limitant son échauffement par effet Joule.

📐 Formule — Le rapport cyclique vérifie $RC = \frac{t_{commande}}{T} \times 100$.

• 🔄 Le pont en H permet: d’alimenter le moteur dans un sens pour quitter la position de repos, d’inverser la polarité, d’alimenter le moteur dans l’autre sens pour revenir à la position de repos

💡 Astuce mémo

PWM règle le courant ; pont en H inverse le sens

📖 4. Choix et complexité des composants

📝 Points essentiels

• Les capteurs et les actionneurs sont choisis selon la précision désirée, les contraintes d’implantation et la résistance aux conditions extérieures.

• L’électronique intégrée peut amplifier, filtrer, mettre en forme et compenser les perturbations, notamment la température, afin de rendre le signal exploitable par le calculateur.

📖 5. Principes électromagnétiques et inductifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Principe électromagnétique : Création d’un champ magnétique autour d’un conducteur parcouru par un courant électrique.
• Induction : Phénomène par lequel une variation de flux magnétique dans un bobinage crée une tension à ses bornes.

📝 Points essentiels

• Une bobine parcourue par un courant devient un électro-aimant dont la polarité Nord-Sud dépend du sens du courant.

💡 Astuce mémo

Courant dans une bobine → champ magnétique → attraction ou induction

📖 6. Principes résistifs et piézoélectriques

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermorésistivité : Propriété des matériaux dont la résistance varie en fonction de leur température.
• Effet Hall : Déviation du courant circulant dans un semi-conducteur sous l’action d’un champ magnétique.
• Piézorésistivité : Modification de la résistance électrique d’un matériau lorsqu’il est soumis à une déformation.

📝 Points essentiels

📌 Une résistance à coefficient de température négatif diminue lorsque la température augmente, tandis qu’une résistance à coefficient de température positif augmente.

💡 Astuce mémo

Thermorésistif : température → résistance ; piézoélectrique : contrainte ↔ électricité

📖 7. Principes électrochimiques et capacitifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Sonde lambda : À deux positions, fonctionne comme une pile électrochimique entre les gaz d’échappement et l’air, et produit une tension faible avec un mélange pauvre ou élevée avec un mélange riche.
• Effet piézoélectrique direct : Polarisation d’un matériau, comme le quartz, lorsqu’il se déforme.
• Effet piézoélectrique indirect : Déformation d’un corps piézoélectrique lorsqu’il est alimenté électriquement.
• Mesure capacitive : Variation de capacité d’un condensateur lorsque la distance entre ses deux plaques change sous l’effet d’une pression.

📝 Points essentiels

• L’élément en dioxyde de zirconium de la sonde lambda devient conducteur des ions oxygène à partir d’environ 300 °C.

📐 Formule — La capacité d’un condensateur à plaques parallèles vérifie $C = K\frac{S}{d}$, où K est la constante diélectrique, S la surface des électrodes et d leur espacement.

📖 8. Diagnostic du capteur de pédale

📝 Points essentiels

• Le diagnostic du capteur de pédale consiste à contrôler successivement l’élément mécanique, les besoins électriques, le signal et le faisceau.

📌 Après le remplacement de la pédale, un apprentissage doit être réalisé avec l’outil de diagnostic.

💡 Astuce mémo

Élément → alimentation → signal → faisceau

📖 9. Capteur de débattement inductif

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur de débattement inductif : Capteur sans contact qui fournit une information proportionnelle au débattement de la caisse ou d’une roue par rapport à une position de référence mémorisée par les calculateurs.

📝 Points essentiels

• Dans le capteur de débattement inductif, un oscillateur transforme la tension continue en tension alternative, le rotor mobile modifie le flux entre les circuits primaire et secondaire, puis l’étage électronique convertit la tension secondaire en signal proportionnel ou en rapport cyclique.

📌 Après le remplacement du capteur de débattement ou du calculateur, une procédure d’apprentissage doit être réalisée avec l’outil de diagnostic afin d’associer la tension fournie à la position du capteur.

💡 Astuce mémo

Rotor mobile → flux induit variable → tension proportionnelle

📖 10. Capteurs de pression

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur de pression carburant : Capteur absolu dont la résistance varie avec la pression grâce à des piézorésistances montées sur une membrane, et qui fournit au calculateur une tension proportionnelle utilisée pour réguler la pression en boucle fermée.
• Capteur de pression différentielle FAP : Mesure la différence de pression dans le filtre à particules et sa mesure peut être contrôlée par comparaison avec celle d’un manomètre de pression différentielle.

📝 Points essentiels

• Le signal de sortie des capteurs de pression carburant, de pression d’air d’admission et de pression de fluide frigorigène est généralement compris entre 0,5 et 4,5 V.

💡 Astuce mémo

Pression carburant, admission, FAP et réfrigérant : mêmes contrôles, usages distincts

📖 11. Capteurs de régime et référence

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur de régime inductif : Fournit la vitesse de rotation et la position angulaire du vilebrequin sous la forme d’un signal sinusoïdal sans nécessiter d’alimentation électrique.
• Capteur de régime à effet Hall : Fournit la vitesse et la position angulaire du vilebrequin sous la forme d’un signal carré dont la fréquence est proportionnelle à la vitesse de rotation et dont l’amplitude est fixe.
• Capteur de référence cylindre : Fournit la position angulaire de l’arbre à cames sous la forme d’un signal carré complémentaire au repère PMH, afin de déterminer le cylindre en phase de fin de compression.

📝 Points essentiels

• Dans le capteur de régime inductif, le passage des dents et des creux devant le bobinage fait varier le flux magnétique et crée une tension dont la fréquence et l’amplitude augmentent avec la vitesse de rotation.

• Deux dents manquantes sur la cible du vilebrequin créent un vide entre deux impulsions sinusoïdales et permettent de repérer le point mort haut.

💡 Astuce mémo

Inductif = sinusoidal sans alimentation ; Hall = carré alimenté

📖 12. Capteurs de vitesse de roue

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur de vitesse de roue : Mesure la vitesse de rotation de la roue et délivre un signal carré indépendant de cette vitesse, ce qui permet une mesure presque jusqu’à l’immobilisation.

📝 Points essentiels

• Les signaux des quatre capteurs de roue servent à surveiller le blocage et le patinage, contrôler la trajectoire et déterminer la vitesse du véhicule.

• Le capteur magnétorésistif de roue génère deux niveaux de courant, avec un niveau bas de 7,5 mA et un niveau haut de 14 mA.

💡 Astuce mémo

Magnétorésistif et Hall produisent un courant carré indépendant de la vitesse

📖 13. Sondes à oxygène

🔑 Notions clés & Définitions

• Sonde à oxygène classique : Exploite une cellule de Nernst qui produit sa propre tension lorsque les concentrations d’oxygène diffèrent entre les gaz d’échappement et l’air extérieur.
• Sonde à oxygène proportionnelle : Associe une cellule de Nernst à une cellule de pompage afin d’évaluer les proportions du mélange sur une plage allant d’un lambda de 0,75 à un lambda de 2,8.

📝 Points essentiels

📌 Pour la sonde amont, une tension d’environ 0,1 V indique un mélange pauvre et une tension d’environ 0,8 V indique un mélange riche, tandis que la sonde aval reste stable à environ 0,8 V à régime constant.

• Dans la sonde proportionnelle, le courant de pompage déplace l’oxygène entre la chambre de mesure et les gaz d’échappement jusqu’à maintenir la cellule de Nernst à 0,45 V, et l’intensité de ce courant représente la proportion d’oxygène.

💡 Astuce mémo

Sonde classique = tout ou rien ; sonde proportionnelle = dosage de l’oxygène

📖 14. Capteurs de cliquetis et d’huile

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur de cliquetis : Capteur piézoélectrique fixé sur le bloc-cylindres qui produit sa propre tension à partir des vibrations mécaniques de la combustion.
• Capteur de niveau d’huile : Utilise un fil thermorésistif alimenté à courant constant, dont la résistivité varie selon la portion immergée dans l’huile.

📝 Points essentiels

• Sur un moteur essence, le signal du capteur de cliquetis permet d’adapter l’avance pour éviter la combustion détonante, tandis que sur un moteur diesel il peut servir à analyser la qualité de la combustion et à compenser les dérives de l’injection.

• La mesure différentielle du niveau d’huile utilise un courant constant de 195 mA et deux mesures de tension séparées d’environ 2 secondes, dont la différence permet d’évaluer précisément le niveau sans influence de la température de l’huile.

💡 Astuce mémo

Vibrations moteur → cliquetis ; fil chauffé → niveau d’huile

📖 15. Capteur de niveau et température d’huile

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur de niveau et température d’huile : Le capteur de niveau et de température d’huile mesure le niveau et, suivant l’application, la température de l’huile afin d’informer le conducteur et d’éviter une panne moteur grave.

📝 Points essentiels

• Un courant constant de 195 mA parcourt le fil et deux mesures de tension séparées d’environ 2 s permettent d’évaluer précisément le niveau d’huile par mesure différentielle.

💡 Astuce mémo

Fil immergé → tension différentielle → niveau d’huile

📖 16. Débitmètres d’air à fil chaud

🔑 Notions clés & Définitions

• Débitmètre à fil chaud : Le débitmètre à fil chaud mesure la masse d’air entrant dans les cylindres ; son signal sert notamment, en diesel, à déterminer le rapport air-gazole et à réguler l’ouverture de la vanne EGR.

📝 Points essentiels

• Le courant nécessaire pour maintenir constante la résistance d’un élément chauffé et balayé par l’air est utilisé comme image du débit massique.

📌 Le débitmètre à film chaud reprend le principe du fil chaud mais détecte aussi le sens d’écoulement grâce à deux thermistances placées de part et d’autre du film.

💡 Astuce mémo

Fil chaud classique : débit ; film chaud directionnel : débit et sens

📖 17. Moteurs à courant continu et couple

🔑 Notions clés & Définitions

• Moteur à courant continu : Le moteur à courant continu produit la rotation continue ou partielle d’un mécanisme et équipe notamment les actionneurs de papillon des gaz, les lève-vitres, les vannes EGR, les ventilateurs et les démarreurs.
• Moteur couple : Le moteur couple produit le mouvement non continu d’un mécanisme, généralement sur une rotation de 90°, et fonctionne sans balais avec un stator bobiné et un rotor à aimant permanent.

📝 Points essentiels

• L’alimentation du rotor bobiné crée un couple électromagnétique dont le sens dépend de la polarité, tandis que les balais inversent le courant dans le rotor pour maintenir la rotation.

• Pour une commande progressive, plus le rapport cyclique est élevé, plus le couple et la vitesse du moteur augmentent.

💡 Astuce mémo

Courant continu : rotation continue ; moteur couple : mouvement limité

📖 18. Moteurs pas à pas

🔑 Notions clés & Définitions

• Moteur pas à pas : Le moteur pas à pas permet un positionnement angulaire précis sans capteur de recopie, car chaque impulsion envoyée par le calculateur provoque la rotation d’un pas.
• Électrovanne : Une électrovanne dose la circulation d’un fluide liquide ou gazeux grâce au déplacement linéaire d’un noyau mobile commandé électromagnétiquement.
• Actionneur piézoélectrique : Dans l’injection HDI piézoélectrique, l’effet piézoélectrique indirect convertit le signal électrique du CMM en déformation mécanique qui commande l’ouverture de l’aiguille de l’injecteur.
• Capteur de pression différentielle FAP : Le capteur de pression différentielle FAP mesure la différence de pression entre l’entrée et la sortie du filtre à particules afin de déterminer son niveau de colmatage.

📝 Points essentiels

• La résolution angulaire d’un moteur pas à pas peut aller de 4 à 400 pas pour 360°, ce qui correspond à des segments de 90° à un peu moins de 1° par impulsion.

📌 Une électrovanne normalement fermée laisse passer le fluide lorsqu’elle est alimentée, tandis qu’une électrovanne normalement ouverte ferme le passage lorsqu’elle est alimentée.

📌 La commande ON/OFF ne permet que les états ouvert ou fermé, tandis que la commande proportionnelle permet des positions intermédiaires et un dosage progressif du fluide.

• Un injecteur piézoélectrique reçoit une impulsion comprise entre 70 et 130 V, avec une intensité de 8 A et un temps de charge de 130 à 200 µs.

• Les pressions amont et aval du FAP agissent de part et d’autre d’une plaque mobile face à une plaque fixe, ce qui modifie la distance entre les plaques et donc la capacité.

💡 Astuce mémo

Impulsion → pas angulaire → position précise

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des principes résistifs

Principe	Grandeur influente	Variation de résistance
CTN	Température	Diminue quand la température augmente
CTP	Température	Augmente quand la température augmente
Piézorésistivité	Déformation	Varie avec la déformation
Magnétorésistivité	Champ magnétique	Varie avec le champ magnétique

Comparaison des capteurs de régime

Capteur	Alimentation	Signal	Information principale
Inductif	Aucune	Sinusoïdal, fréquence et amplitude variables	Vitesse et position du vilebrequin
Effet Hall	5 ou 12 V	Carré, fréquence variable et amplitude fixe	Vitesse et position du vilebrequin
Référence cylindre Hall	5 ou 12 V	Carré	Position de l’arbre à cames et cylindre en phase