Capteur à faible consommation d'énergie Low energy consumption sensor
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. The present invention relates to a sensor with low power consumption. The sensor is of the optical type and comprises in particular a transmitter capable of emitting a light signal, a receiver and means for processing the electrical signals produced at the output of the receiver. The invention will be particularly suitable for determining the concentration of a carbon dioxide type gas. A known technique for determining the concentration of a gas consists in sending, by means of a transmitter, a luminous signal alternately either in an empty tube or in a tube containing the gas. The light is then slightly attenuated at the crossing of the tube filled with gas. A receiver positioned at the outlet of the tubes makes it possible to recover the two light signals passing through both the empty tube and the tube filled with gas. Processing means then make it possible to process each recovered signal. Usually, the processing means comprise a demodulator 15 using a DSP (Digital Signal Processing) circuit. The disadvantage of this solution is that it is limited in speed because it is dependent on the sampling frequency and the conversion time of the analog-to-digital converters. Another solution is to employ fully analog processing means for rectifying the received signal at a given frequency and filtering it through a low pass filter to recover the rms value. However, in this other solution, to recover the maximum signal, it must approach a sinusoidal shape with a duty cycle of 0.5. Moreover, the solutions of the prior art are very often not very concerned about the amount of energy consumed at each measurement. The object of the invention is to propose a sensor with low energy consumption comprising an emitter capable of emitting a light signal associated with processing means in order to overcome the disadvantages of the prior art. This object is achieved by a sensor comprising: a transmitter comprising a light-emitting diode capable of emitting a light signal, control means for controlling the activation or extinction of the transmitter according to a determined control frequency, a receiver for sensing the light signal and arranged to generate a first input signal upon activation of the transmitter (1) and a second input signal upon extinction of the transmitter, processing means of the first input signal and the second input signal, characterized in that the processing means comprises: a first processing channel for processing the first input signal, a second processing channel for processing the second input signal; input, means for controlling an activation of the first processing channel and a deactivation of the second processing channel upon activation of the transmitter, and means for controlling an act ivation of the second processing channel and deactivation of the first processing channel when the transmitter is switched off. According to a feature of the invention, the first processing channel comprises a first low-pass filter and in that the second processing channel comprises a second low-pass filter. According to another feature, the first low-pass filter and the second low-pass filter each comprise a resistor and a capacitor, the value of said resistor and the capacitance of said capacitor being optimized to obtain a maximum signal-to-noise ratio. According to another particularity, the first low-pass filter and the second low-pass filter are identical. According to another feature, the receiver comprises a photodiode for transforming the received light signal into electrical current and a transimpedance amplifier for transforming the electric current into electrical voltage. According to another feature, the first processing channel is arranged to generate a first output signal upon activation of the transmitter and in that the second processing channel is arranged to generate a second output signal during the first processing signal. switching off the transmitter, the processing means including means for comparing the first output signal with the second output signal. Other features and advantages will become apparent from the following detailed description with reference to an exemplary embodiment shown in the accompanying drawings, in which: Figure 1 schematically shows the sensor of the invention. 'invention. The invention consists of a sensor intended in particular for determining the concentration of a gas, such as carbon dioxide. The device has the advantage of consuming very little energy during each measurement. The operation of the sensor and its elements are particularly optimized to meet this 1 o requirement. The sensor of the invention is based in particular on the principle of synchronous detection. With reference to FIG. 1, the sensor of the invention comprises a transmitter 1 comprising a light-emitting diode (LED) able to emit a light signal and fed via a source of current or voltage. According to the invention, the sensor comprises control means making it possible to feed the transmitter, for example, using pulsed current (IDEL) so as to activate and deactivate the transmitter according to a determined control frequency Fo. The control frequency Fo is chosen so as to minimize the power consumption while making it possible to obtain a usable output signal, that is to say with a maximum signal-to-noise ratio SNR. The device also comprises a receiver 2 remote from the transmitter and comprising for example a photodiode (PHD) for capturing the light signals emitted by the transmitter 1 and converting each received electric light signal into electrical current. The gas to be detected is typically placed between the transmitter 1 and the receiver 2. The receiver 2 also comprises a transimpedance amplifier (AOP) for transforming the electric current generated by the photodiode (PHD) into a downstream usable voltage. 3. The Vsignal voltage obtained at the output of this amplifier (AOP) is at the same frequency as the control frequency Fo of the transmitter 1. In a known manner, the gain of the transimpedance amplifier (AOP) is set by the gain resistance (Rgain) placed in the feedback loop.
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 : According to the invention, the processing means 3 of the voltages obtained at the output of the amplifier comprise two distinct processing channels 31, 32. The first processing channel 31 is for processing a first input signal generated when the transmitter 1 is activated and the second processing channel 32 is for processing a second input signal generated when the transmitter 1 is deactivated. For this, when activating the transmitter 1, the first processing channel 31 is activated while the second processing channel 32 is deactivated and when deactivating the transmitter 1, the first processing channel 31 is disabled and the second processing channel 32 is activated. The two processing channels are therefore activated and deactivated 1 o alternately by following the control frequency Fo of the transmitter 1. The two processing channels 31, 32 are identical and each comprise a low-pass filter connected in series with a switch S1, S2 controlled by following the control frequency Fo of the transmitter 1 to enable or disable the processing channel 31, 32 according to the state of the transmitter 1. The two low-pass filters have for example a constant of time t identical and each comprise a capacity capacitor Co and a resistor Ro connected in series between the switch S1, S2 of their respective processing channel 31, 32 and ground. The two switches S1, S2 are thus controlled by complementary control signals Vdk1, Vdk2 which are synchronized with the pulsed current 20 'LED flowing in the transmitter 1. The two low-pass filters are charged alternately when their processing channel is closed. The two low-pass filters are dedicated to the signal of the photodiode (PHD) when the transmitter 1 is respectively deactivated or activated. The capacitors of the filters will therefore charge at DC voltages V1 and V2 which respectively tend towards the voltage generated at the output of the photodiode when the emitter is activated (Vphotodon) or deactivated (Vphotodoff). These DC voltages V1 and V2, to which the capacitances Co of the two low-pass filters are charged, thus make it possible to go back to the useful signal generated at the output of the receiver 2. Furthermore, as a function of the energy required to carry out the measurement, it is determined a signal-to-noise ratio SNR maximal. The signal-to-noise ratio SNR is determined as follows: At the output of the amplifier, the voltage variation is: V Vodign Vphotod_on - Vphotod_off This voltage variation is proportional to the intensity flowing in the emitter diode as well. than to the gain resistance of the amplifier according to the following formula: V Vododon signal - Vphotodoff = a Iled Rgain a being a coefficient of proportionality. The differential voltage at the output of the low-pass filters is then: Vout = V1 - V2 = Vsignal - (1- e tch -ge / ti) where the load time of the filters and ti being the time constant of the low-pass filters. = Rfilter. Cfilter The charging time tcharge filters depends, among other things, the energy consumed during a measurement and the current passing through the LED diode of the transmitter 1 15 when it is activated. We can then write: tcharge = R. Emesure with which is a coefficient of proportionality. IDEL We then obtain:
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. Vout = a'IDEL.Rgain- (1-ei, eti) As the signal-to-noise ratio SNR is expressed by the following relation: 20 SNR = V °° t Vout noise With Vousnoise = yF in which 'y is a coefficient of proportionality and Fc the cut-off frequency of the low-pass filters. Since the cutoff frequency Fc of the low-pass filters is related to the time constant i of the filters by the following relation: F = 2ni The following general formula is obtained for expressing the signal-to-noise ratio 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. This signal to noise ratio SNR thus has a maximum value SNRmax for a filter time constant which will then be an optimal time constant. Vout 'charge out _noise ymax charging time download filters. n- (1-e-n) with n = 1.256 whatever the SNR. = Thus it will be possible to achieve a reliable low-energy sensor that can run on battery or using a photovoltaic type energy generator. The use of two switches S1, S2, for example of the analog type, makes it possible to alternately switch the signal at the output of the transimpedance amplifier on two measurement channels. By its operation and its components, the sensor of the invention guarantees a low power consumption without neglecting the quality of detection. It is understood that one can, without departing from the scope of the invention, imagine other variants and improvements in detail and even consider the use of equivalent means.