Brevet FR2960966A1 — publié le 20111209

Capteur à faible consommation d'énergie La présente invention se rapporte à un capteur à faible consommation d'énergie. Le capteur est de type optique et comporte notamment un émetteur apte à émettre un signal lumineux, un récepteur et des moyens de traitement des signaux électriques produits en sortie du récepteur. L'invention sera notamment parfaitement adapté pour la détermination de la concentration d'un gaz de type dioxyde de carbone. Une technique connue pour déterminer la concentration d'un gaz consiste à envoyer grâce à un émetteur un signal lumineux alternativement soit dans un tube 1 o vide, soit dans un tube contenant le gaz. La lumière est alors légèrement atténuée à la traversée du tube rempli de gaz. Un récepteur positionné en sortie des tubes permet de récupérer les deux signaux lumineux traversant à la fois le tube vide et le tube rempli de gaz. Des moyens de traitement permettent ensuite de traiter chaque signal récupéré. Habituellement, les moyens de traitement comportent un démodulateur 15 utilisant un circuit DSP (Digital Signal Processing). L'inconvénient de cette solution est qu'elle est limitée en vitesse car dépendante de la fréquence d'échantillonnage et du temps de conversion des convertisseurs analogique-numérique. Une autre solution consiste à employer des moyens de traitement entièrement analogiques permettant de redresser le signal reçu à une fréquence déterminée et à le 20 filtrer par un filtre passe-bas afin de récupérer la valeur efficace. Cependant, dans cette autre solution, pour récupérer le maximum de signal, celui-ci doit se rapprocher d'une forme sinusoïdale avec un rapport cyclique de 0,5. Par ailleurs, les solutions de l'art antérieur sont très souvent peu soucieuses de la quantité d'énergie consommée à chaque mesure. 25 Le but de l'invention est de proposer un capteur à faible consommation d'énergie comportant un émetteur apte à émettre un signal lumineux associé à des moyens de traitement en vue de palier les inconvénients de l'art antérieur. Ce but est atteint par un capteur comportant : un émetteur comportant une diode électroluminescente apte à émettre un 30 signal lumineux, des moyens de commande pour commander l'activation ou l'extinction de l'émetteur selon une fréquence de commande déterminée, un récepteur destiné à capter le signal lumineux et agencé pour générer un premier signal d'entrée lors de l'activation de l'émetteur (1) et un deuxième signal d'entrée lors de l'extinction de l'émetteur, des moyens de traitement du premier signal d'entrée et du deuxième signal d'entrée, caractérisé en ce que les moyens de traitement comportent : un premier canal de traitement destiné à traiter le premier signal d'entrée, un deuxième canal de traitement destiné à traiter le deuxième signal d'entrée, des moyens pour commander une activation du premier canal de traitement et une désactivation du deuxième canal de traitement lors de l'activation de l'émetteur, et des moyens pour commander une activation du deuxième canal de traitement et une désactivation du premier canal de traitement lors de l'extinction de l'émetteur. Selon une particularité de l'invention, le premier canal de traitement comporte un premier filtre passe-bas et en ce que le deuxième canal de traitement comporte un deuxième filtre passe-bas. Selon une autre particularité, le premier filtre passe-bas et le deuxième filtre 20 passe-bas comportent chacun une résistance et un condensateur, la valeur de ladite résistance et la capacité dudit condensateur étant optimisées pour obtenir un rapport signal sur bruit maximum. Selon une autre particularité, le premier filtre passe-bas et le deuxième filtre passe-bas sont identiques. 25 Selon une autre particularité, le récepteur comporte une photodiode destinée à transformer le signal lumineux reçu en courant électrique et un amplificateur transimpédance destiné à transformer le courant électrique en tension électrique. Selon une autre particularité, le premier canal de traitement est agencé pour générer un premier signal de sortie lors de l'activation de l'émetteur et en ce que le 30 deuxième canal de traitement est agencé pour générer un deuxième signal de sortie lors de l'extinction de l'émetteur, les moyens de traitement comportant des moyens de comparaison entre le premier signal de sortie et le deuxième signal de sortie. 10 15 D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit en se référant à un mode de réalisation donné à titre d'exemple et représenté par les dessins annexés sur lesquels : la figure 1 représente de manière schématique le capteur de l'invention. 5 L'invention consiste en un capteur destiné notamment à la détermination de la concentration d'un gaz, tel que le dioxyde de carbone. Le dispositif présente l'avantage de consommer très peu d'énergie lors de chaque mesure. Le fonctionnement du capteur et ses éléments sont particulièrement optimisés pour répondre à cette 1 o exigence. Le capteur de l'invention repose notamment sur le principe de la détection synchrone. En référence à la figure 1, le capteur de l'invention comporte un émetteur 1 comprenant une diode électroluminescente (DEL) apte à émettre un signal lumineux et 15 alimentée via une source de courant ou de tension. Selon l'invention, le capteur comporte des moyens de commande permettant d'alimenter l'émetteur part exemple à l'aide d'un courant pulsé (IDEL) de manière à activer et désactiver l'émetteur selon une fréquence de commande Fo déterminée. La fréquence de commande Fo est choisie de manière à minimiser la consommation d'énergie tout en permettant d'obtenir un signal 20 de sortie exploitable, c'est-à-dire avec un rapport signal sur bruit SNR maximum. Le dispositif comporte également un récepteur 2 éloigné par rapport à l'émetteur et comportant par exemple une photodiode (PHD) destinée à capter les signaux lumineux émis par l'émetteur 1 et à transformer chaque signal lumineux électrique reçu en courant électrique. Le gaz à détecter est typiquement placé entre 25 l'émetteur 1 et le récepteur 2. Le récepteur 2 comporte également un amplificateur transimpédance (AOP) permettant de transformer le courant électrique généré grâce à la photodiode (PHD) en une tension exploitable en aval par des moyens de traitement 3. La tension Vsignal obtenue en sortie de cet amplificateur (AOP) est à la même fréquence que la 30 fréquence de commande Fo de l'émetteur 1. De manière connue, le gain de l'amplificateur transimpédance (AOP) est fixé par la résistance de gain (Rgain) placée dans la boucle de contre-réaction. Selon l'invention, les moyens de traitement 3 des tensions obtenus en sortie de l'amplificateur comportent deux canaux de traitement 31, 32 distincts. Le premier canal de traitement 31 est destiné à traiter un premier signal d'entrée généré lorsque l'émetteur 1 est activé et le deuxième canal de traitement 32 est destiné à traiter un deuxième signal d'entrée généré lorsque l'émetteur 1 est désactivé. Pour cela, lors de l'activation de l'émetteur 1, le premier canal de traitement 31 est activé alors que le deuxième canal de traitement 32 est désactivé et lors de la désactivation de l'émetteur 1, le premier canal de traitement 31 est désactivé et le deuxième canal de traitement 32 est activé. Les deux canaux de traitement sont donc activés et désactivés 1 o alternativement en suivant la fréquence de commande Fo de l'émetteur 1. Les deux canaux de traitement 31, 32 sont identiques et comportent chacun un filtre passe-bas connecté en série avec un interrupteur S1, S2 commandé en suivant la fréquence de commande Fo de l'émetteur 1 pour activer ou désactiver le canal de traitement 31, 32 selon l'état de l'émetteur 1. Les deux filtres passe-bas ont 15 par exemple une constante de temps t identique et comportent chacun un condensateur de capacité Co et une résistance de valeur Ro connectés en série entre l'interrupteur S1, S2 de leur canal de traitement 31, 32 respectif et la masse. Les deux interrupteurs S1, S2 sont ainsi pilotés par des signaux de commande Vdk1, Vdk2 complémentaires qui sont synchronisés avec le courant pulsé 20 'DEL circulant dans l'émetteur 1. Les deux filtres passe-bas sont donc chargés alternativement lorsque leur canal de traitement est fermé. Les deux filtres passe-bas sont dédiés au signal de la photodiode (PHD) lorsque l'émetteur 1 est respectivement désactivé ou activé. Les condensateurs des filtres vont donc se charger à des tensions continus V1 et V2 qui tendent respectivement vers la tension générée en sortie de la 25 photodiode lorsque l'émetteur est activé (Vphotodon) ou désactivé (Vphotodoff). Ces tensions continus V1 et V2 auxquelles sont chargées les capacités Co des deux filtres passe-bas permettent donc de remonter au signal utile généré en sortie du récepteur 2. 30 Par ailleurs, en fonction de l'énergie nécessaire pour effectuer la mesure, on détermine un rapport signal sur bruit SNR maximal. Le rapport signal sur bruit SNR est déterminé de la manière suivante : A la sortie de l'amplificateur, la variation de tension vaut : Vsignal Vphotod_on - Vphotod_off Cette variation de tension est proportionnelle à l'intensité circulant dans la diode de l'émetteur ainsi qu'à la résistance de gain de l'amplificateur selon la formule suivante : Vsignal Vphotodon - Vphotodoff = a Iled Rgain a étant un coefficient de proportionnalité. La tension différentielle à la sortie des filtres passe-bas vaut alors : Vout = Vl - V2 = Vsignal - (1- e tch -ge/ti) 1 o tcharge étant la durée de charge des filtres et ti étant la constante de temps des filtres passe-bas. = Rfilter . Cfilter Le temps de charge tcharge des filtres dépend, entre autre, de l'énergie consommée lors d'une mesure et du courant traversant la diode DEL de l'émetteur 1 15 lorsque celui-ci est activé. On peut alors écrire : tcharge =R. Emesure avec qui est un coefficient de proportionnalité. IDEL On obtient alors : Vout =a'IDEL.Rgain-(1-e i,eti ) Comme le rapport signal sur bruit SNR s'exprime par la relation suivante : 20 SNR = V°°t Vout noise Avec Vousnoise = y.F dans laquelle 'y est un coefficient de proportionnalité et Fc la fréquence de coupure des filtres passe-bas. Comme la fréquence de coupure Fc des filtres passe-bas est liée à la constante de temps i des filtres par la relation suivante : 5 F = 2ni On obtient la formule globale suivante pour exprimer le rapport signal sur bruit 6 1 SNR : SNR = V°°t Vout _ noise a' IDEL -(1-e_ Emre/r,eti) g Y. Ce rapport signal sur bruit SNR présente donc une valeur maximale SNRmax pour une constante de temps des filtres qui sera alors une constante de temps optimale top,. Vout « charge out _noise ymax temps de charge tcharge des filtres. n- (1-e-n) avec n=1,256 quel que soit le SNR. = Ainsi il sera possible de réaliser un capteur fiable à faible consommation d'énergie pouvant fonctionner sur batterie ou à l'aide d'un générateur d'énergie de type photovoltaïque. L'utilisation de deux interrupteurs S1, S2, par exemple de type analogique, permettent de permuter alternativement le signal en sortie de l'amplificateur transimpédance sur deux voies de mesure. Par son fonctionnement et ses composants, le capteur de l'invention garantit une faible consommation d'énergie sans négliger la qualité de détection. Il est bien entendu que l'on peut, sans sortir du cadre de l'invention, imaginer 20 d'autres variantes et perfectionnements de détail et de même envisager l'emploi de moyens équivalents. REVENDICATIONS1. Capteur comportant : un émetteur (1) comportant une diode électroluminescente (DEL) apte à émettre un signal lumineux, des moyens de commande pour commander l'activation ou l'extinction de l'émetteur (1) selon une fréquence de commande (Fo) déterminée, un récepteur (2) destiné à capter le signal lumineux et agencé pour 1 o générer un premier signal d'entrée lors de l'activation de l'émetteur (1) et un deuxième signal d'entrée lors de l'extinction de l'émetteur (1), des moyens de traitement (3) du premier signal d'entrée et du deuxième signal d'entrée, caractérisé en ce que les moyens de traitement (3) comportent : 15 un premier canal de traitement (31) destiné à traiter le premier signal d'entrée, un deuxième canal de traitement (32) destiné à traiter le deuxième signal d'entrée, des moyens pour commander une activation du premier canal de 20 traitement (31) et une désactivation du deuxième canal de traitement (32) lors de l'activation de l'émetteur (1), et des moyens pour commander une activation du deuxième canal de traitement (32) et une désactivation du premier canal de traitement (31) lors de l'extinction de l'émetteur (1). 25 2. Capteur selon une revendication 1, caractérisé en ce que le premier canal de traitement (31) comporte un premier filtre passe-bas et en ce que le deuxième canal de traitement (32) comporte un deuxième filtre passe-bas. 3. Capteur selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier filtre passe-bas et le deuxième filtre passe-bas comportent chacun une résistance et un 30 condensateur, la valeur (Ro) de ladite résistance et la capacité (Co) dudit condensateur étant optimisées pour obtenir un rapport signal sur bruit (SNR) maximum. 4. Capteur selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier filtre passe-bas et le deuxième filtre passe-bas sont identiques. 35 5. Capteur selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le récepteur (2) comporte une photodiode (PHD) destinée à transformer le signal lumineux reçu en courant électrique et un amplificateur transimpédance (AOP) destiné à transformer le courant électrique en tension électrique. 6. Capteur selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le premier canal de traitement (31) est agencé pour générer un premier signal de sortie (V,) lors de l'activation de l'émetteur et en ce que le deuxième canal de traitement (32) est agencé pour générer un deuxième signal de sortie (V2) lors de l'extinction de l'émetteur (1), les moyens de traitement (3) comportant des moyens de comparaison entre le premier signal de sortie et le deuxième signal de sortie.10