Définition
Un capteur est un dispositif de prélèvement d’informations qui élabore, à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (généralement électrique) image de la grandeur prélevée, et utilisable à des fins de mesure.
C’est à partir du moment ou l’on à su capter une grandeur physique et exploiter ses caractéristique, que l’on a pu réaliser des systèmes automatiques et intelligents qui s’auto contrôlent sans l’intervention de l’homme.
La définition se simplifiée comme suit pour les capteurs électriques : Un capteur électrique est un dispositif qui transforme une grandeur physique en une grandeur électrique (courant, tension ou résistance).
Les détecteurs font partie de la famille des capteurs, leur fonction est transformer la grandeur physique d’entrée ( à mesurer) à une grandeur logique, l’information en sortie d’un détecteur est donc de type tous ou rien (0 ou 1 logique)..
Exemples d’utilisation des détecteurs
- La détection de présence/absence
- La détection de passage
- La détection de position
- La détection de proximité inductifs
- La détection de proximité magnétique
- La détection de proximité capacitifs
- La détection photoélectriques
- La détection à ultrasons
- La détection IR ou Laser
- Etc.
Exemples d’utilisation des capteurs
- Capteur de niveau d’un liquide, d’une poudre
- Capteur de pression d’un gaz, d’un liquide
- Capteur d’image (caméra, …)
- Capteur IR
- Capteur de température
- Capteur de vitesse
- Capteur de luminosité
- Etc.
Dans la suit de ce document on va se focaliser sur les capteurs, leurs types et fonctionnement dans une approche simple et pratique. À la fin du document vous trouverai des fichiers PDF à télécharger gratuitement !!
Architecture générale d’un capteur
Grandeur physique
C’est la grandeur d’entrée du capteur (position, déplacement, température, pression, gaz, etc.) qui fournit par son état (état actuel de mesure) ou par ses variations une information utile l’unité d’acquisition et de traitement.
Grandeur électrique ( Destinataire des informations)
La grandeur de sortie de la chaîne de mesure peuvent être subdivisée en deux grandes familles :
Analogique : La grandeur de sortie est une grandeur continue dans le temps (la sortie peut prendre plusieurs valeurs )
Logique
- TOR (deux états possibles 0 ou 1)
- Numérique (plus de deux états possibles)
Le destinataire se caractérise également par les conditions relatives à la nature de l’information et à ses paramètres ( Tension, courant,…)
La chaîne de mesure ( unité de traitement):
Dans les équipements électronique actuel, on constate que chaque équipement ou appareil de mesure est menue d’un ou plusieurs processeur de calcul numérique. Il convient donc, à l’intérieur du système de mesure de convertir le signal analogique représentant la grandeur que l’on veut mesurer en une valeur numérique que l’on pourra traiter dans le processeur.
Les signaux de sortie d’un capteur sont généralement petits, il est donc nécessaire de les amplifier en utilisant des amplificateurs d’instrumentation (gain important, faible bruit et à haute précision). Le capteurs sont naturellement exposés aux perturbations externes (autres équipements, rayonnement électromagnétique, …) d’où l’importance d’utiliser une technique pour l’optimisation du système en bruit.
Cette succession d’opération en électronique mixte ( analogique, numérique) sont effectuées dans l’unité de traitement.
Classification des capteurs
Dans cette section on va illustré quelques grandeurs physiques les plus utilisées dans les systèmes électronique de mesure, ils sont classées dans le tableau ci-dessous. La suite de la section sera destinée pour la classification des capteurs.
L‘une des façons pour distinguer les capteurs repose sur l’effet mis en œuvre pour générer le signal de mesure. On a deux types de capteurs :
Capteurs passifs
Ils ont besoin dans la plupart des cas d’apport d’énergie extérieure pour fonctionner ( thermistance, photorésistance, potentiomètre, jauge de contrainte) Ce sont des capteurs modélisables par une impédance électrique complexe. Une variation du phénomène physique étudié (mesuré) engendre une variation de l’impédance.
Pour résumé, les capteurs passif font intervenir une impédance dont la valeur varie avec la grandeur physique ; il faut donc intégrer un capteur passif dans un circuit avec une alimentation.
Capteurs résistifs : La résistance interne du capteur varie avec la grandeur physique
Exemples :
- Mesure de température par résistance à fil de platine (sonde Pt100), thermistance (CTN, CTP)
- Mesure d’effort par jauge de contrainte
- Mesure d’intensité lumineuse par photorésistance
Capteurs inductifs :La valeur de l’inductance L varie avec la grandeur physique :
Exemples :
- Mesure de déplacement par inductance variable (Transformateur Différentiel Linéaire LVDT)
- Mesure d’effort par capteur magnéto-élastique
Capteurs capacitifs : C varie avec la grandeur physique :
Exemples :
- Mesure de déplacement et de position : l’objet dont on veut mesurer le déplacement se déplace avec une armature du condensateur
- Mesure de niveau : la présence de liquide modifie la valeur de la capacité.
Tableau récapitulatif des capteurs passif en fonction de l’effet utilisé:
Capteurs actifs
On parle de capteur actif lorsque le phénomène physique qui est utilisé pour la détermination du mesurande effectue directement la transformation en grandeur électrique.
C’est la loi physique elle-même qui relie mesurande et grandeur électrique de sortie. Un capteur actif fonctionne assez souvent en électromoteur et dans ce cas, la grandeur de sortie est une différence de potentiel. Le nombre des lois physiques permettant une telle transformation est évidemment limité, on peut donc recenser facilement les capteurs actifs (dont le nombre est fini).
Toutefois, les domaines d’application sont eux très étendus. En résumé, la grandeur d’entrée (mesurande) ou ses variations génère directement une énergie électrique (tension, courant, charge électrique). Cette énergie étant généralement faible, les capteurs nécessitent tout de même l’utilisation d’une chaine de mesure.
Catégories des capteurs actifs
Capteurs à effet photoélectrique ou photovoltaïque : Basés sur la libération de charges électriques dans la matière sous l’influence d’un rayonnement lumineux, ou plus généralement d’une onde électromagnétique.
- Exemple : Mesure de lumière (capteur CCD, photodiode)
Capteurs à effet thermoélectriques : Basés sur la création d’une tension à la jonction de deux matériaux soumis à une différence de température.
- Exemple : Mesure de température (thermocouple)
Capteurs à effet piézoélectrique : L’application d’une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectriques (le quartz par exemple) entraîne l’apparition d’une tension entre leurs faces opposées.
- Exemple : Mesure d’effort, d’accélération (accéléromètre)
Capteur à effet d’induction électromagnétique : La variation du flux d’induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique aux bornes de ce circuit.
- Exemple : Détection de passage d’un objet métallique (détecteur inductif, capteur d’ABS pour automobile)
Capteur à Effet Hall : Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau une tension proportionnelle à B et à I.
- Exemple : Mesure de courant (pince ampèremétrique)
Tableau récapitulatif des capteurs actif en fonction de l’effet utilisé:
Caractéristique principales du capteur
- Étendue de mesure (ou la dynamique) : Il s’agit de la plage de valeurs possibles du mesurande M : EM = Mmax – Mmin
- Sensibilité : C’est le coefficient qui lie la grandeur physique d’entrée à la grandeur électrique de sortie, la sensibilité égale la variation du grandeur de sortie devisé par la variation de la grandeur d’entrée
- Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
- Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.
- Rapidité : Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.
- Linéarité : Représente l’écart de sensibilité sur l’étendue de mesure
Grandeurs d’influence
Grandeurs physique que autre le mesurande dont la variation peut modifier la réponse du capteur :
- Température : modifications des caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles
- Pression, vibrations : déformations et contraintes pouvant altérer la réponse
- Humidité : modification des propriétés électriques (constante diélectrique ou résistivité). Dégradation de l’isolation électrique
- Champs magnétiques : création de fem d’induction pour les champs variables ou modifications électriques (résistivité) pour les champs statiques
- Tension d’alimentation : lorsque la grandeur de sortie du capteur dépend de celle-ci directement (amplitude ou fréquence)
