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    Cours Capteurs

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    TS Capteurs

    Capteurs

    Ce cours est destiné à donner un aperçu :


    - des possibilités de mesure des grandeurs physiques ;
    - des principales caractéristiques dont il faut tenir compte lors de l’utilisation d’un capteur.

    Bibliographie
    • Aspect et mise en oeuvre : Guide du technicien en électrotechnique - édition Hachette
    Technique.
    • Théorie : Les capteurs en instrumentation industrielle - Georges Asch - éd. Dunod -
    4e édition 1991.

    1. Position du problème
    On désire mesurer tous les types de grandeurs physiques pour les traiter et les exploiter.
    Pour cela on transforme la grandeur à mesurer, en un signal facilement exploitable : une tension
    ou un courant électriques.

    2. définitions
    Le mesurande : grandeur physique objet de la mesure.
    Capteur : dispositif qui soumis à l’action d’un mesurande non électrique présente une
    caractéristique électrique.

    Grandeur physique Grandeur électrique


    d'entrée Capteur de sortie
    le mesurande m la réponse s
    ou excitation

    s = f(m)
    Pour faciliter l’exploitation de la réponse, on s’efforce de réaliser des capteurs dont la relation
    s=f(m) est linéaire. Dans ce cas s et m sont proportionnels.

    3. Les principes physiques mis en oeuvres


    3.1 Capteurs passifs

    Il s’agit d’impédances (très souvent des résistances) dont l’un des paramètres déterminants est
    sensible au mesurande.

    1/9/97 ©Claude Divoux, 1999 1/5


    TS Capteurs
    Mesurande Caractéristique électrique Types de matériaux
    sensible utilisés
    Température Résistivité Métaux : platine, nickel,
    cuivre.
    Semi-conducteurs.
    Très basse température Constante diélectrique Verres.
    Flux lumineux Résistivité Semi-conducteurs.
    Déformation Résistivité Alliages de nickel, silicium
    dopé.
    Perméabilité magnétique Alliage ferromagnétique.
    Position (aimant) Résistivité Matériaux magnétorésistants
    : bismuth, antimoniure
    d’indium.
    Humidité Résistivité Chlorure de lithium.
    Constante diélectrique Alumine ; polymères.

    3.2 Capteurs actifs

    Ils fonctionnent en générateurs en convertissant la forme d’énergie propre au mesurande en


    énergie électrique.

    Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie


    Température Thermoélectricité Tension
    Flux lumineux Pyroélectricité Charge
    Photoémission Courant
    Effet photovoltaïque Tension
    Effet photoélectromagnétique Tension
    Force
    Pression Piézoélectricité Charge
    Accélération
    Vitesse Induction électromagnétique Tension
    Position (aimant) Effet Hall Tension

    Effet thermoélectrique. Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente


    dont les jonctions sont à des températures T1 et T2 est le siège d'une force électromotrice
    e(T1, T2). Application : détermination à partir de la mesure de e d'une température inconnue T1
    lorsque T2 (0°C par exemple) est connue. (Fig. 1.3a).

    Effet pyroélectrique. Certains cristaux dits pyroélectriques, le sulfate de triglycine par exemple,
    ont une polarisation électrique spontanée qui dépend de leur température. Application : un flux
    de rayonnement lumineux absorbé par un cristal pyroélectrique élève sa température ce qui
    entraîne une modification de sa polarisation qui est mesurable par la variation de tension aux
    bornes d'un condensateur associé (Fig. 1.3b).

    Effet piézo-électrique. L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte


    mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques, le quartz par exemple, entraîne une
    déformation qui suscite l'apparition de charges électriques égales et de signes contraires.
    Application : mesure de forces ou de grandeurs s'y ramenant (pression, accélération) à partir de
    la tension que provoquent aux bornes d'un condensateur associé à l'élément piézo-électrique les
    variations de sa charge (Fig. 1.3c).

    Effet d'induction électromagnétique. Lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ


    d'induction fixe, il est le siège d'une f.é.m. proportionnelle à sa vitesse de déplacement.
    Application : la mesure de la f.é.m. d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement
    qui est à son origine (Fig. 1.3d).

    1/9/97 ©Claude Divoux, 1999 2/5


    TS Capteurs

    Effets photoélectriques. On en distingue plusieurs, qui diffèrent par leurs manifestations mais
    qui ont pour origine commune la libération de charges électriques dans la matière sous
    l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement électromagnétique, dont la
    longueur d'onde est inférieure à une valeur seuil, caractéristique du matériau.

    Effet photoémissif. Les électrons libérés sont émis hors de la cible éclairée et forment un
    courant collecté par application d'un champ électrique.

    Effet photovoltaïque. Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction de
    semi-conducteurs P et N illuminée ; leur déplacement dans le champ électrique de la jonction
    modifie la tension à ses bornes.

    Effet photoélectromagnétique. L'application d'un champ magnétique perpendiculaire au


    rayonnement provoque dans le matériau éclairé l'apparition d'une tension électrique dans la
    direction normale au champ et au rayonnement. Applications. Les effets photoélectriques sont à
    la base de méthodes de mesure des grandeurs photométriques d'une part, et ils assurent d'autre
    part, la transposition en signal électrique des informations dont la lumière peut être le véhicule
    (Fig. 1.3e).

    Fig. 1.3. exemples d’application d’effets physiques à la réalisation de capteurs actifs : (a)
    thermoélectricité, (b) pyroélectricité, (c) piézoélectricité, (d) induction électromagnétique, (e)
    photoélectricité, (f) effet Hall.

    Effet Hall. Un matériau, généralement semi-conducteur et sous forme de plaquette, est parcouru
    par un courant I et soumis à une induction B faisant un angle θ avec le courant. Il apparaît, dans
    une direction perpendiculaire à l'induction et au courant une tension vH qui a pour expression :
    VH = K H . I . B . sin θ
    où KH dépend du matériau et des dimensions de la plaquette. Application : un aimant lié à l'objet
    dont on veut connaître la position détermine les valeurs de B et θ au niveau de la plaquette : la
    tension v qui par ce biais est fonction de la position de l'objet en assure donc une traduction
    électrique (Fig. 1.3f).

    1/9/97 ©Claude Divoux, 1999 3/5


    TS Capteurs
    4. Caractéristiques métrologiques
    4.1 Les erreurs
    Le capteur et toute la chaîne de traitement de la mesure introduisent des erreurs : bruit, décalage,
    référence, linéarité...
    L’erreur globale de mesure ne peut être qu’estimée. Une conception rigoureuse de la chaîne de
    mesure permet de réduire les erreurs et donc l’incertitude sur le résultat.
    On parle de : fidélité, justesse, précision, incertitude, linéarité.

    4.2 Etalonnage
    L’étalonnage permet d’ajuster et de déterminer, sous forme graphique ou algébrique, la relation
    entre le mesurande et la grandeur électrique de sortie. Très souvent l’étalonnage n’est valable
    que pour une seule situation d’utilisation du capteur.

    4.3 Limites d’utilisation


    Les contraintes mécaniques, thermiques ou électriques auxquelles un capteur est soumis
    entraînent, lorsque leurs niveaux dépassent des seuils définis, une modification des
    caractéristiques du capteur. Au dessus d’un certain seuil l’étalonnage n’est plus valable, au
    dessus d’un autre plus grand le capteur risque d’être détruit.

    4.4 Sensibilité
    Plus un capteur est sensible plus la mesure pourra être précise. C’est une caractéristique
    importante pour l’exploitation et l’interprétation des mesures.

    4.5 Rapidité - Temps de réponse


    La rapidité est la spécification d’un capteur qui permet d’apprécier de quelle façon la grandeur
    de sortie suit dans le temps les variations du mesurande.

    4.6 Finesse
    C’est une spécification qui permet d’estimer l’influence de la présence du capteur et de ses
    liaisons sur la valeur du mesurande. La finesse doit être la plus grande possible.

    5. Conditionneurs des capteurs passifs


    Exemple d’un capteur résistif

    5.1 Montage potentiométrique

    5.1.1 Linéarisation par approximation des petits signaux


    Exercice

    5.1.2 Linéarisation en utilisant une source de courant


    Exercice

    5.1.3 Linéarisation par montage push-pull


    Exercice

    5.2 Montage en pont


    Exercice : voir sujet BTS Microtechniques 1996

    1/9/97 ©Claude Divoux, 1999 4/5


    TS Capteurs
    6. Conditionneurs du signal
    Le conditionneur du signal a pour fonction de recupérer le signal du capteur et de le traiter pour
    ren extraire une information exploitable. Il se charge en particulier des opérations suivantes :
    - amplifier le signal ;
    - linéariser le signal ;
    - extraire l’information relative au mesurande ;
    - adapter le signal à l’interface utilisateur (affichage numérique, ordinateur, ...).

    7. Quelques capteurs
    • Capteurs de position et de déplacement • Capteurs d’humidité
    Potentiomètre résistif
    Capteurs inductifs • Capteurs magnétiques
    Capteurs capacitifs
    Capteurs de proximité • Capteurs de température
    Varistances
    • Capteurs de déformation, de force, de pesage, de Thermocouples
    couple Capteurs au silicium
    Jauges d’extensiométrie Thermistances CTN
    Capteurs piézoélectriques Thermistances CTP

    • Capteurs tachymétriques (de vitesse) • Capteurs optiques


    Génératrice à courant continu Photorésistances (LDR)
    Capteur à reluctance variable Phototransistors
    Tachymètre optique Photodiodes
    Diodes électroluminescentes
    • Capteurs de pression Fibre optique

    Source et extraits : les capteurs en instrumentation industrielle, Georges Asch et


    collaborateurs, edition Dunod, 1991.

    1/9/97 ©Claude Divoux, 1999 5/5

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