Les capteurs - sti.tellier.free.frsti.tellier.free.fr/tsti/cours/capteurs.pdf · Les Capteurs 1- INTRODUCTION Lorsque l’on souhaite traduire une grandeur physique en une autre grandeur,

Les Capteurs

1- INTRODUCTION

Lorsque l’on souhaite traduire une grandeur physique en une autre grandeur, on fait appel à un capteur. Son rôle est de donner une image interprétable d’un phénomène physique de manière à pouvoir l’intégrer dans un processus plus vaste (électronique, automatisme, …)

1.1 Définitions

Mesurande : C’est la grandeur physique que l’on souhaite mesurer.

Capteur : C’est l’élément qui va permettre sous l’effet du mesurande d’en délivrer une image exploitable (signal électrique par exemple).

On parle aussi de transducteur, la grandeur physique d’entrée (le mesurande) étant transformée en une autre grandeur physique de sortie ou en un signal électrique.

Généralement, on obtient une grandeur de sortie du type électrique. Elle peut être soit :

une charge une fréquence

une tension une impédance

un courant une capacité

une inductance

1.2 Chaîne de mesure dans un capteur

Pour obtenir une image d’une grandeur physique, on fait appel à une chaîne de mesure

qui peut faire intervenir plusieurs phénomènes différents.

1.3 Situation dans la chaîne d'information d'un système

Un processus qui est géré électroniquement comporte toujours dans sa chaîne la fonction CAPTAGE.

Cette fonction a pour but de mesurer une grandeur physique afin qu'elle soit traitée. L'unité de traitement peut alors décider d'actions à réaliser.

TSTI – v2.0 Les capteurs Page 1 / 12Lycée Charles Tellier capteurs.odt

Corps d'épreuve

Capteur intermédiaire

Conditionneur

Signal électriqueMesurande

Capteurs Traitement de l'information

Actionneurs

Grandeur Physique

Interface homme/machine

2- DIFFÉRENTS TYPES DE CAPTEURS

En fonction de la caractéristique électrique de la grandeur de sortie, on peut classer les capteurs endeux grandes familles : les capteurs passifs et les capteurs actifs.

2.1 Capteurs passifs

Dans la plupart des cas, les capteurs passifs ont besoin d’une énergie extérieure pour fonctionner (comme dans le cas des jauges de contraintes, thermistances…), ils sont souvent modélisés par une impédance. Une variation du phénomène physique étudié (mesuré) engendre une variation de l'impédance. Il faut leur appliquer une tension pour obtenir un signal de sortie.

Le capteur se comporte en sortie comme un dipôle passif qui peut être résistif, capacitif ou inductif. En fonction du mesurande, on utilise plusieurs effets pour réaliser la mesure.

MESURANDE EFFET UTILISE (Grandeur de sortie) MATERIAUXTempérature Résistivité Platine, nickel, cuivre,

semiconducteurs.Très basse température Constante diélectrique VerreFlux optique Résistivité Semi-conducteursDéformation Résistivité

PerméabilitéAlliages nickelAlliages ferromagnétiques

Position Résistivité Magnétorésistances : Bismuth,antimoine d’indium

Humidité Résistivité Chlorure de lithium

2.2 Capteurs actifs

Lorsque le phénomène physique qui est utilisé pour la détermination du mesurande effectue directement la transformation en grandeur électrique, on est en présence d’un capteur actif.

C'est la loi physique elle-même qui relie mesurande et grandeur électrique de sortie. La sortie du capteur est assimilée à un générateur.

C’est un dipôle actif qui peut être du type courant, tension ou charge électrique Q en coulombs. Certains principes physiques peuvent être mis en jeu.

MESURANDE EFFET UTILISE GRANDEUR DE SORTIETempérature Thermoélectricité

(thermocouple)Tension

Flux optique PhotoémissionPyroélectricité

CourantCharge

Force, pression, accélération Piézoélectricité TensionPosition Effet Hall TensionVitesse Induction Tension


2.3 Effets utilisés dans les capteurs actifs

EFFET HALL

Une plaquette est parcourue par un courant I. Lorsqu'elle soumise à un champ magnétique, il apparaît entre ses bornes une tension électrique qui dépend du matériau, du courant et du champ magnétique donc de la position de l'aimant.

THERMO ELECTRICITE

Un circuit formé par deux matériaux de nature chimique différente dont les jonctions sont à des températures différentes est le siège d'une f.e.m..

PIEZO ELECTRICITE

L’application d’une force sur ce type de matériau engendre l’apparition de charges électriques crées par la déformation du matériau.

C’est un phénomène réversible.

PYRO ELECTRICITE

Certains cristaux présentent une polarisation électrique proportionnelle à leur température. Ainsi, en absorbant un flux de rayonnement, le cristal pyroélectrique va s’échauffer et ainsi sa polarisation va se modifier entraînant une variation de tension détectable.

INDUCTIONLa variation d’un flux magnétique engendre

l’apparition d’une force électromotrice.

2.4 Détecteurs

Les détecteurs font partie de la famille des capteurs, l’information délivrée en sortie est de type TOR.(Tout Ou Rien : binaire)


3- CAPTEURS DE POSITION

3.1 Capteur à effet potentiométrique

L'impédance varie proportionnellement au déplacement.

La piste résistive est placée sur la partie fixe, la partie mobile est reliée à un curseur évoluant sur cette piste résistive. Le déplacement peut être soit :

• rotatif avec fraction d'un tour ou plusieurs tours (hélicoïdal)

• linéaire

Avantages : simplicité de mise en œuvre, nécessite pas d'amplification

Défauts : contact avec frottement donc usure, si la piste est bobinée la variation est linéaire mais en marche d'escalier.

3.2 Capteur à inductance variable

Un noyau magnétique se déplace à l’intérieur d’une bobine. Ce déplacement entraîne une variation de l’inductance de la bobine.

Ce capteur offre moins d'usure mécanique.

3.3 Capteur logique incrémental

Ce sont des capteurs par comptage d’événements.

Ils sont constitués d'une règle ou d'un disque gradué et transparent.

Deux capteurs fournissent des signaux logiques dont le nombre de fronts est est proportionnel au déplacement, et dont la phase est relative au sens du déplacement.

Principe de fonctionnement :

Compléter les chronogrammes suivants.

On suppose que lorsque le capteur est en face d'une zone transparente le signal produit est « 1 » et « 0 » lorsque le capteur est sur une zone opaque.


4mm3mm

Capteur BCapteur A

+

t

t

A

B

t

t

A

B

En comparant ces deux chronogrammes on s'aperçoit que :

à chaque front montant de l'un correspond un état de l'autre capteur.

Il y a huit combinaisons fronts/états possibles (4 sens positif, 4 sens négatif)

Ce principe de capteur nécessite une remise à zéro de comptage pour l'étalonner.

Avantages :

• simple et robuste

• ces capteurs sont très précis car on arrive à dessiner des règles très fines : 0,05 μm et 1' d'arc de résolution

• il n'y a pas de contact donc pas d'usure mécanique

Inconvénients : • sensibilité aux poussières

• s'il se produit un défaut de transmission, il peut y avoir une perte de pas

• s'il se produit une coupure d'alimentation, il y a perte de la position

3.4 Capteur logique absolu

Ces capteurs sont constitués d'une règle ou d'un disque portant pour chaque position un codage transparent et d'un ensemble de capteur optique de détection de mot binaire.

Le capteur comporte N pistes. Celle qui est la plus au centre étant le MSB.

Le nombre de positions possibles est 2N.

Il existe deux types de codage : code binaire naturel et code gray.


l'inconvénient du code naturel c'est le changement non synchrone des états. Cela entra^ne des défauts d'interprétation. Ce défaut est corrigé avec le code gray mais le traitement doit comporter un transcodage gray/naturel.

Remarque : les résolutions vont jusqu'à 16 à 20 bits, le code est donc souvent envoyé sous forme série RS232, RS422, ...)

Avantages :

• en cas de coupure de courant l'information est conservée

• on ne peut pas perdre de pas

Inconvénients :

• le capteur est plus difficile à fabriquer pour la même précision que l'incrémental

• il faut plus de capteurs optiques que dans le cas de l'incrémental

• le prix est plus élevé

4- CAPTEURS A JAUGES EXTENSOMÉTRIQUES (FORCES, COUPLES, PRESSION, ...)

Principe

L'effort est évalué par la déformation du matériau. A sa surface est collé un conducteur L, orienté dans le sens de l'effort à mesurer, sa résistance est R.

On sait que la résistance d'un conducteur électrique est :

R= . Ls L: longueur s: section ρ: résistivité

La résistance est donc proportionnel à l'allongement du matériau.

Quand le matériau s'allonge sa longueur augmente en même temps que sa section diminue : la résistance augmente.

Ces variations sont extrêmement faibles l'exploitation du résultat est donc délicate. De plus la température ne doit pas influencer la mesure. (emploi d'alliages de nickel, tungstène, etc...)

De manière à miniaturiser le capteur la piste décrit un certain nombre d'aller et retour dans la direction de l'effort à mesurer.

Avantages :

principe de mesure simple

Inconvénients :

variation très faibles de la résistance

Effet de la température sur la résistance


4.1 Jauges nues

Elles sont employées pour faire des mesures sur des machines outil ou des ouvrages d'art en béton armé.

En fonction des mesures a effectuer, plusieurs formes existent.

4.2 Capteurs de forces

Ce sont des capteurs qui mesurent des forces allant de quelques Newtons à plusieurs millions de Newtons.

Le traitement de l'information se fait à l'extérieur du capteur.

Le branchement se fait directement sur les jauges de contraintes (extensométriques)

4.3 Capteurs de couples

Ils utilisent des jauges de contraintes fixées sur l'axe tournant.

4.4 Capteurs de pression, pressostat

Un certain nombre d'entre eux utilisent une membrane déformée sous l'effet de la pression.

Un groupe de jauges de contraintes sont déposées sur la membrane ce qui permet d'avoir une image de la déformation et donc de la pression.

On trouve des capteurs de pression absolue et différentielle. On peut mesurer la pression de l'air, d'un liquide ou d'un gaz.

5- CAPTEURS DE TEMPÉRATURE

5.1 Résistor PT100

C'est un résistor à coefficient De température positif.

Il est constitué d'un film ou d'un fil de platine, sa résistance vaut : 100 Ω à 0°C – 138,5 °Ω à 100 C

Avantages :

• simplicité de la mise en œuvre

• mesure de températures élevées et très basses (-220°C à 780 °C)

• Précision

Inconvénients :

• sujet à l'auto échauffement

• prix


5.2 Résistor à CTN

C'est un résistor à coefficient de température négatif.

Sa loi de variation est moins bien connue que le PT100.

Avantages :

• simplicité de la mise en oeuvre

• très économique (moins d'un euro)

Inconvénients :

• La variation n'est pas très linéaire

• la température ne doit pas excéder 120à 150°C

5.3 Résistor à CTP

C'est un résistor à coefficient de température positif.

Sa courbe de variation n'est absolument pas linéaire et présente un seuil marqué.

On l'utilise pour détecter le seuil de température pour lequel il est fabriqué.

Avantages :

• très économique (quelques euros)

Inconvénients :

• on ne peut pas faire de mesure mais seulement de la détection


5.4 Capteurs à thermocouple

Principe

La soudure de deux fils métalliques de natures différentes présente une différence de potentiel lorsqu'elle est portée à une température T.(effet de Seebeck )

Avantages :

• les températures peuvent être très élevées 1100°C à 2320°C

• Prix

Inconvénients :

• non linéaire

• amplitude très faible de la tension à pleine échelle

• sensibilité très faible


5.5 Capteurs à variation Zéner (LM335)

Principe

La tension Zener est proportionnelle à la température.

En polarisant correctement le composant électronique qui sert donc de capteur, on obtient un fonctionnement très correct.

Avantages :

• simplicité de mise en œuvre

• linéarité

• amplitude relativement importante

Inconvénients :

• on ne peut pas faire de mesure mais seulement de la détection


6- CAPTEURS OPTIQUES, PHOTOÉLECTRIQUES

Ils sont utilisés comme détecteurs de franchissement pour le comptage, la détection de passage, le détection de fin de course, la présence d'un être humain... L'onde est souvent de type Infra Rouge.

Ils sont en général prêt à l'emploi dans un boîtier.

6.1 Barrière optique

Ils sont constitués d'un émetteur et récepteur. L'occultation du faisceau est détecté par le récepteur.

Avantages :• détection sans contact

• Émetteur et récepteur sont situés dans 2 boîtiers séparés cela permet d’avoir des distances entre les deux importantes (30 m).

• Ils sont bien adaptés aux environnements difficiles (fumées, poussières)

• détection d'objets brillants

Inconvénients :

• 2 boîtiers à câbler (émetteur et récepteur séparés)

• Réglage difficile sur longue distance

6.2 Capteur à réflexion

Dans la barrière à réflexion l'émetteur et le récepteur sont montés du même côté. La réflexion se fait pas l'objet lui-même.

Avantages :• un seul boîtier (émetteur + récepteur),• détection de cible à coefficient de réflexion élevé (de 0,6 à

0,9).Inconvénients :• faibles distances de détection,• sensible au coefficient de réflexion de l'objet (couleur et état de surface),• zone aveugle,• sensible à l'arrière plan

Remarque : Sensibilité fixe ou réglable.


6.3 Détection par blocage de la lumière émise

Dans la barrière à réflexion l'émetteur et le récepteur sont montés du même côté. Un réflecteur se trouve de l'autre côté de la barrière.

Avantages :

• portée courte ou moyenne

• un seul boîtier (émetteur + récepteur),

• facilité de mise en oeuvre.

Inconvénients :

• sensible aux objets brillants,

• zone aveugle liée au type de réflecteur

Remarques :

• en général l'objet à détecter doit être plus grand que le réflecteur,

• éviter les réflexions parasites (objets brillants ou l'arrière plan)

7- CAPTEURS MAGNÉTOÉLECTRIQUES

7.1 Détecteurs d'objet métallique

Ce capteur détecte des objets métalliques qui viennent perturbé la production d'un champ magnétique de quelques dizaines de kilohertz.

7.2 Capteur à effet hall

Un capteur à effet hall donne un signal lorsqu' il détecte et mesure un champs magnétique. La tension de Hall (du nom de celui qui remarqua le phénomène en 1879) est amplifiée dans le capteur .

Ce capteur peut servir comme détecteur de champ magnétique.

Il est aussi utilisé pour faire des mesures de courant dans un fil dans la mesure ou ce courant génère un champs magnétique. Cette mesure présente l'avantage de ne aps ouvrir le circuit électrique.

Il peut également servir de détecteur de position en détectant des pièces métalliques.

7.3 Dynamo tachymétrique

C'est un capteur de vitesse de rotation. Il est constitué d'un aimant sur le rotor tournant devant un bobinage fixe. La fréquence de la tension induite est proportionnelle à la vitesse de rotation.


8- CAPTEURS À ULTRASONS

8.1 Principe

La face active du capteur comporte un élément piézoélectrique vibrant à une fréquence de 50Khz à 200Khz. Un matériau placé devant le capteur, réfléchit l'onde qui est captée en retour par l'élément piézoélectrique.

Le principe consiste à mesurer le temps de propagation de l’onde acoustique entre le capteur et la cible.La vitesse de propagation est de 340 m/s dans l’air à 20 °C, par ex. pour 1 m le temps à mesurer est del’ordre de 3 ms. Ce temps est mesuré par le compteur d’un microcontrôleur.L’avantage des capteurs ultrasons est de pouvoir fonctionner à grande distance (jusqu’à 10 m), maissurtout d’être capable de détecter tout objet réfléchissant le son indépendamment de la forme et de lacouleur.

8.2 Applications

Excité par le générateur haute tension le transducteur (émetteur-récepteur) génère une onde ultrasonique pulsée (de 100 à 500 kHz suivant le produit) qui se déplace dans l’air ambiant à la vitesse du son.

Dès que l’onde rencontre un objet, une onde réfléchie (écho) revient vers le transducteur. Un microprocesseur analyse le signal reçu et mesure l’intervalle de temps entre le signal émis et l’écho.

Par comparaison avec les temps prédéfinis ou appris, il détermine et contrôle l’état des sorties. En connaissant la vitesse de propagation du son, une distance peut être déduite selon la formule :

D : distance du détecteur à l’objet,

T : temps écoulé entre l’émission de l’onde et sa réception,

Vs : vitesse du son (300 m/s).

Avantage :

Ils permettent une détection de tous les objets objets.

9- CAPTEURS CAPACITIFS

9.1 Principe

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.

Avantages :• pas de contact physique avec l’objet détecté possibilité de détecter des objets fragiles,

fraîchement peints• pas d’usure, durée de vie indépendante du nombre de manoeuvres• détecteur statique, pas de pièces en mouvement• produit entièrement encapsulé dans la résine (étanche)• très bonne tenue à l’environnement industriel (atmosphère polluante)

Inconvénients :• Portée faible (50mm)


D = T.Vs / 2

10- PERFORMANCE D'UN CAPTEUR

10.1 Étendue de la mesure

Elle définit la zone dans laquelle les caractéristiques du capteur sont assurées parrapport à des spécifications données. On peut classer cette zone en trois familles

10.2 Résolution

Elle correspond à la plus petite variation du mesurande que le capteur est susceptiblede déceler.

10.3 Caractéristique d’entrée-sortie d’un capteur

Elle donne la relation d’évolution de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d’entrée. Elle est donnée classiquement par une courbe en régime permanent. Elle ne donne

pas d’informations sur les caractéristiques transitoires du capteur.

10.4 Sensibilité

Elle détermine l’évolution de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d’entrée en un point donné. C’est la pente de la tangente à la courbe issue de la caractéristique du capteur.

Dans le cas d’un capteur linéaire, la sensibilité du capteur est constante.

Sensibilité= d (mesurande)d (Grandeur desortie)

Il faut noter que la sensibilité d’un capteur peut être fonction du conditionneur auquel il est associé.

10.5 Finesse

C’est la qualité d’un capteur à ne pas venir modifier par sa présence la grandeur à mesurer. Cela permet d’évaluer l’influence du capteur sur la mesure. On la définit non seulement vis à vis du capteur mais aussi vis à vis de l’environnement d’utilisation du capteur.

Par exemple, dans le cas d’une mesure thermique, on cherchera un capteur à faible capacité calorifique vis à vis des grandeurs l’environnant.

Finesse et sensibilité sont en général antagonistes. Il peut y avoir un compromis à faire.Pour un capteur d’induction B, un capteur à forte perméabilité sera très sensible, par contre sa présence aura

tendance à perturber les lignes de champ et la mesure de l’induction ne sera pas celle sans capteur, d’où une mauvaise finesse. Mais cette erreur peut être évaluée en vue d’une correction post-mesure et ainsi faire abstraction de la présence du capteur.

10.6 Linéarité

Zone dans laquelle la sensibilité du capteur est indépendante de la valeur dumesurande.Cette zone peut être définie à partir de la définition d’une droite obtenue

comme approchant au mieux la caractéristique réelle du capteur, par exemple par la méthode des moindres carrés.

On définit à partir de cette droite l’écart de linéarité qui exprime en % l’écart maximal entre la courbe réelle et la droite approchant la courbe.

10.7 Rapidité

C’est la qualité d’un capteur à suivre les variations du mesurande.


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