Les capteurs

Les capteurs sont les éléments indispensables à la mesure des grandeurs physiques dont les dispositifs de commande des systèmes techniques ont besoin pour prendre des décisions.

Un capteur est un organe de prélèvement d’information qui élabore, à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique).
Cette grandeur, représentative de la grandeur prélevée, est utilisable à des fins de mesure ou de commande.

On appelle détecteur un capteur de présence (information logique – T.O.R.)

 

Classifications des capteurs

On peut classer les capteurs de plusieurs manières :

  • par le mesurande qu’il traduit (position, de température, de pression, …),
  • par la nature du signal qu’il fournit en sortie (numérique, logique ou analogique),
  • par leur principe physique (résistif, piézoélectrique, …),
  • par leur principe de fonctionnement (actif ou passif),

 

Capteurs actifs/passifs

Capteurs actifs

Fonctionnant en « générateur », un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion d’une composante de puissance propre à la grandeur physique à prélever (thermique, mécanique, magnétique, rayonnement, …) en une grandeur électrique.

Les principes physiques les plus classiques sont :

Principe physique Mesurande Grandeur de sortie Exemple d’utilisation

Thermoélectrique

un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures différentes, est le siège d’une force électromotrice d’origine thermique

Différence de température Tension électrique Mesure de température

Piezoélectrique

l’application d’une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques entraîne l’apparition d’une déformation et d’une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées

Variation de contrainte mécanique Charge électrique Force, pression, accélération, …

Photo-électrique

la libération de charges électriques dans la matière sous l’influence d’un rayonnement lumineux ou plus généralement d’une onde électromagnétique

Flux de rayonnement optique Tension électrique Intensité d’un flux lumineux

Photovoltaïque

des électrons sont libérés au voisinage d’une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes

Flux de rayonnement optique Tension électrique Irradiance solaire,
Intensité d’un flux lumineux

Hall

un champ magnétique et un courant électrique créent dans le matériau une différence de potentiel

Courant électrique dans un champ magnétique Tension électrique Intensité (ou présence) d’un champ magnétique,
Intensité d’un courant électrique, …

Induction électromagnétique

la variation du flux d’induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique

Variation de flux d’induction magnétique Tension électrique Vitesse,
Présence d’objet métallique, …

 

Capteurs passifs

Un capteur passif est un dipôle dont l’impédance varie en fonction de la grandeur mesurée.

Cette variation d’impédance résulte :

  • soit d’une variation de dimension du capteur, c’est le principe de fonctionnement d’un grand nombre de capteur de position (potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile,…),
  • soit d’une déformation résultant de force ou de grandeur s’y ramenant (armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d’extensométrie liée à une structure déformable, …).
Mesurande
Caractéristique électrique sensible Type de matériau utilisé
Température Résistivité Métaux : platine, nickel, cuivre …
Très basse température Constante diélectrique Verre
Flux de rayonnement optique Résistivité Semi-conducteurs
Déformation Résistivité Alliage de Nickel, silicium dopé
  Perméabilité magnétique Alliage ferromagnétique
  Capacité Semi-conducteurs + métaux ou verre
Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto résistants : bismuth, antimoine d’indium
Position Induction ou capacité  
Humidité Résistivité Chlorure de lithium

 

 

Les capteurs composites

Un capteur composite est un capteur constitué d’un corps d’épreuve et d’un capteur actif ou passif. Le corps d’épreuve, quant à lui, est un élément qui, soumis au mesurande, donne une grandeur physique non électrique appelée mesurande secondaire qui, elle, va être traduite en une grandeur électrique par un capteur.

Exemples de capteurs composites :

Étude des principaux capteurs

Capteurs à effet piézoélectrique

Phénomène physique : voir l’effet piézoélectrique

Capteur de force

Un matériau piézoélectrique est inséré entre deux pièces métalliques (matériau conducteur) sur lesquelles s’exerce une force \(F\). La déformation du matériau piézoélectrique provoque l’apparition de charges électriques à ses extrémités, et donc d’une différence de potentiel \(U\) entre les deux pièces métalliques.

La tension \(U\) mesurée entre les deux pièces métalliques sera proportionnelle à la force \(F\) :

\(U = k\;F\)

avec \(k\) : constante liée au matériau

Ce type de capteur n’est adapté qu’à la mesure de forces dynamiques (vibrations, impact, …) car la tension \(U\) ne peut pas garder une valeur constante…

 

Capteur de pression

Définition : lorsqu’un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force \(F\) sur une paroi de surface \(S\), on peut définir la pression \(P\) exercée par ce corps avec la relation :

\(\bbox[10px,border:2px solid black]{\Large{P=\frac{F}{S}}}\)

\((\bbox[10px,border:2px solid black]{\Large{\color{green}{[Pa]=\frac{[N]}{[m^2]}}}}\)

\(\bbox[10px,border:2px solid black]{\Large{\color{green}{1 bar = 10^5 Pa}}}\)

Un capteur de force est inséré dans la paroi d’une enceinte où règne une pression \(P\). Cette face du capteur est soumise à la force \(F\) (due à la pression \(P\)) et l’autre est soumise à la force \(F_0\) (due à la pression extérieure \(P_0\)).

Capteur d’accélération

Sur un capteur de force (placé sur un solide en mouvement) est fixée une masse \(m\) (dont le poids est compensé = ne s’exerce pas sur le capteur) :

La variation de la vitesse \(V\) du solide en mouvement (c’est à dire son accélération \(a\)) provoque une force \(F\) exercée par la masse sur une face du capteur selon la relation :

\(\bbox[10px,border:2px solid black]{\Large{F=m\;a)}}\)

 

 

Transducteur à ultrasons

La réception d’un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur.

Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore.

 

Capteurs à effet Hall

Phénomène physique : voir l’effet Hall

Capteur de champ magnétique

La structure typique d’un capteur de champ magnétique est la suivante :

Un générateur de courant fait passer un courant constant dans le semi-conducteur placé dans un champ magnétique. La tension est captée sur les deux dernières faces, et amplifiée.

La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur \(I\) et sur le facteur d’amplification de la tension.

 

Détecteur de proximité

Le capteur détecte l’approche de l’aimant placé au préalable sur un objet.

 

Mesure de l’intensité d’un courant électrique

Le courant \(I\) qui circule dans un conducteur crée un champ magnétique proportionnel à l’intensité de ce courant.

\(\Large{B=\frac{\mu}{2\pi r}I}\)

Une boucle faite de Fer (métal à forte perméabilité magnétique) concentre le champ magnétique entre son entrefer, dans lequel on place un capteur de champ magnétique.

Le capteur donne une tension \(U=k\;B=k’\;I\) avec \(k\) et \(k’\) constantes.

C’est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000 A et plus).

Avantages :

  • plus de détérioration des ampèremètres « classiques »
  • pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d’ouvrir le circuit)
  • rapidité d’intervention.

 

Capteurs à effet photoélectrique

L’effet photoélectrique

Un semi-conducteur est un matériau pauvre en porteurs de charges électriques (isolant).
Lorsqu’un photon d’énergie suffisante excite un atome du matériau, celui-ci libère plus facilement un électron qui participera à la conduction.

 

Les photodiodes

Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux.

Le graphe \(I=f(U)\) pour une photodiode dépend de l’éclairement (Lux) de la jonction PN.


On constate que lorsque la diode est éclairée, elle peut se comporter en générateur : \(I<0\) ⇒ \(U>0\) ; on a donc affaire à une photopile (effet photovoltaïque).

Avantages :

  • bonne sensibilité
  • faible temps de réponse.

Inconvénients :

  • coût plus élevé qu’une photorésistance
  • nécessite un circuit de polarisation précis.

Utilisations :

  • Barrière infrarouge (détection de passage, …)
  • Codeurs (mesures de position et d’angle)
    Codeurs incrémentaux : comptage d’impulsions
    Codeurs absolus
  • Transmission de données (télécommande IR transmission de données par fibre optique, …)

 

 

Capteurs à effet thermoélectrique

Effet thermoélectrique (ou effet Seebek)

L’effet Seebeck (du physicien allemand Thomas Johann Seebeck) est un effet thermoélectrique, par lequel une différence de potentiel apparaît à la jonction de deux matériaux soumis à une différence de température.

Thermomètre à thermocouple

Un thermocouple, ou couple thermoélectrique (CTE), est un couple de matériaux dont l’effet Seebeck, est utilisé pour la mesure de la température.

Un thermocouple est constitué de deux fils de métaux différents, soudés à l’une de leurs extrémités. Cette jonction porte le nom usuel de « soudure chaude » et sera installée dans le milieu dont la température est à mesurer. Les deux autres extrémités sont reliées aux bornes d’un voltmètre. Les deux jonctions formées aux bornes du voltmètre formant deux jonctions appelées « soudures de référence » ou « soudures froides ».

La tension mesurée par le voltmètre est fonction de la température \(T_c\) de la « soudure chaude » et de la température \(T_{ref}\) des « soudures froides »

Le phénomène inverse est aussi vrai : si on applique une tension, alors il y aura un échauffement ou un refroidissement au point de liaison des deux conducteurs (modules à effet Peltier).

Application :

Mesure des hautes températures (900 à 1300°C).

 

Capteurs passifs

Les photorésistances

Une photorésistance (light-dependent resistor – LDR) est un dipôle dont la valeur de la résistance (la résistivité) diminue en fonction du flux lumineux qu’elle reçoit.

Exemple : Obscurité (0 lux) : 20 MΩ
Lumière naturelle (500 lux) : 100 kΩ
Lumière intense (10000 lux) : 100 Ω

Avantages :

  • bonne sensibilité
  • faible coût et robustesse

Inconvénients :

  • temps de réponse élevé
  • bande passante étroite
  • sensible à la température

Utilisation : détection des changements obscurité-lumière (éclairage public).

 

Capteurs potentiométriques

Pour mesurer la position (ou position angulaire) d’un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur d’un potentiomètre.
On applique une tension continue \U_e\) entre les extrémités A et B du potentiomètre.
La tension \(U_s\) en sortie est donc proportionnelle à la position \(x\) du curseur :

Avantages

  • simplicité d’utilisation
  • faible coût

Inconvénients :

  • usure mécanique (utilisation déconseillée dans les asservissements très dynamiques)

Utilisations :

  • Mesures de déplacements rectilignes (potentiomètre rectiligne).
  • Mesures d’angles de rotations (potentiomètre rotatif).
  • Mesure de débit de fluide :
    Le débit du fluide exerce une force sur un clapet relié au curseur d’un potentiomètre.
    La tension en sortie du potentiomètre augmente avec la vitesse d’écoulement.

 

Capteurs à jauges d’extensométrie

Principe physique :

La résistance d’un conducteur électrique est donnée par la relation :

\\large{(R=\rho\frac{l}{S}}\)

avec :

  • \(r\) : résistivité du matériau [Ωm]
  • \(l\) : longueur du conducteur [m]
  • \(S\) : aire de la section du conducteur [m²]

 

Une jauge d’extensométrie se présente sous la forme d’un fil conducteur très fin et replié sur une mince feuille d’isolant électrique.

Collée sur une pièce métallique qui se déforme (très légèrement !) sous l’effet d’un effort, la jauge s’allonge ou bien se rétrécit, modifiant ainsi la longueur \(l\) du fil conducteur, et par conséquent sa résistance \(R\).

Cette très légère variation de résistance est convertie en tension à l’aide d’un montage électrique appelé pont de Wheatstone, puis amplifiée.

On utilise ce procédé dans des capteurs d’effort :

Voir détails dans Mesure d’une force

On rencontre ce dispositif dans de très nombreux systèmes (balance de cuisine, pèse-personne, et de très nombreux systèmes où la mesure d’effort est nécessaire …)

 

Thermistance

Une thermistance est un dipôle électrique dont la résistance électrique varie en fonction de la température.


En première approximation, la relation entre résistance et température est la suivante :

\(\large{R_θ=R_0(1+a\theta)}\)

avec :

  • \(R_θ\) : résistance à la température \(\theta\)
  • \(R_0\) : résistance à 0°C
  • \(a\) : coefficient de température
    • \(a > 0\) pour une thermistance CTP
    • \(a < 0\) pour une thermistance CTN

Utilisations :

On insère la thermistance dans un pont de Wheatstone.
On obtient ainsi une tension \(U\) en sortie du pont \(U=k(\theta-\theta_0\)

On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant.
La tension à ses bornes sera donc proportionnelle à la résistance.

 

Capteurs à sortie numérique directe

On trouve de très nombreux capteurs qui intègrent toute une chaîne d’acquisition sur un unique circuit.

Exemple : mesure de la température

Il existe de nombreux capteurs de température à sortie numérique directe de type série.
Ces capteurs délivrent directement une information numérique exploitable par la commande.
Exemples : les capteurs DALLAS DS1621 ou DS1820 ou DHT22

 

Détecteurs de proximité

Détection inductive

Détections possibles : tous les objets métalliques de forme quelconque, sans contact.

Un circuit inductif (bobine d’inductance L) constitue l’élément sensible. Ce circuit est associé à un condensateur de capacité C pour former un circuit résonnant à une fréquence F0 généralement comprise entre 100 KHz et 1 MHz. Un circuit électronique permet d’entretenir les oscillations du système.
Ces oscillations créent un champ magnétique alternatif devant la bobine. Un écran métallique placé dans le champ est le siège de courants de Foucault qui induisent une charge additionnelle modifiant ainsi les conditions d’oscillation. La présence d’un objet métallique devant le détecteur diminue le coefficient de qualité du circuit résonnant.

Détection capacitive

Détections possibles : tout type de matériaux conducteurs et isolants (verre, huile, bois, plastique, …), sans contact.

Le principe de la détection capacitive repose sur un circuit oscillant RC. Le détecteur de proximité capacitif mesure la variation de la capacité qui est provoquée par le rapprochement d un objet dans le champ électrique d’un condensateur.
La face sensible du détecteur constitue l’armature d’un condensateur. Une tension sinusoïdale est appliquée sur cette face, créant ainsi un champ électrique alternatif devant le détecteur. La deuxième armature est constituée par une électrode reliée à la masse. Ces deux électrodes face à face constituent un condensateur dont la capacité est :
C=(ε_0∙ε_r∙A)/d avec 0 permittivité du vide et r permittivité relative du matériau présent entre les 2 électrodes

 

Microsystème électromécanique

Un microsystème électromécanique, en anglais MEMS (MicroElectroMechanical Systems), est un microsystème comprenant un ou plusieurs éléments mécaniques, utilisant l’électricité comme source d’énergie, en vue de réaliser une fonction de capteur et/ou d’actionneur, avec au moins une structure présentant des dimensions micrométriques.

Les MEMS font appel pour leur fabrication aux microtechnologies, qui permettent une production à grande échelle. Ils sont utilisés dans des domaines aussi variés que l’automobile, l’aéronautique, la médecine, la biologie, les télécommunications, ainsi que dans certaines applications « de tous les jours » telles que certains vidéoprojecteurs, téléviseurs haute-définition ou coussins gonflables de sécurité pour automobiles (« Airbags »).

Exemple : accéléromètre capacitif en peigne.
Le mécanisme microscopique est gravé dans du silicium.
Le déplacement de la masse mobile, placée entre des ressorts, fait varier la capacité du capteur. L’électronique intégrée dans le capteur transforme cette variation en une tension proportionnelle à l’accélération…

 

Articles détaillés

 

sources : https://fr.wikiversity.org/wiki/Capteur/Introduction

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