SMP- S6 (option automatique) 2018

Introduction générale

1- Capteur : Définition
Dispositif sensible à certains phénomène physique qu‘il capte ou détecte.
Synonyme : Détecteur
2- Capteurs: Type mesurande
a- Définition :
L’état d'un système est caractérisé par des grandeurs physiques ou chimiques appelées
mesurandes
Autres définition : le mesurande c’est de la mesure ou tout simplement la grandeur à mesurer
b- Exemples :
❖ Mécanique : déplacement, vitesse, accélération, force, pression, masse, débit, ...
❖ Electrique : courant, charge, impédance, ...
❖ Thermique : température, flux thermique, ...
❖ Magnétique : champ magnétique, perméabilité, ...
❖ Radiation : lumière visible, rayons X, radioactivité, ...
❖ Chimique: humidité, détection de gaz, sucre, hormones, paramètres vitaux…
3- Capteur : Type de sortie
Le signal électrique délivré peut être de plusieurs types :
a- Analogique:
Peut prendre toutes les valeurs dans un intervalle donné 
Signal continue en temps et en amplitude
b- Numérique:
Codé sur N bits donnant possibilités
c- Tout ou rien :
Ne peut prendre que deux valeurs : 0 ou 1 Signaux évoluant selon deux états possibles, selon
la valeur du mesurande par rapport à un seuil (Tout-ou-Rien, TOR) DÉTECTEUR

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Exemples

4- Capteur: composition
a- Corps d’épreuve:
Élément (mécanique) qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer. Il transforme la grandeur
à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable. Ex: pression vers une déformation.
Autrement dit : c'est un dispositif qui traduit le mesurande étudié en une autre grandeur physique
non électrique appelée mesurande secondaire.
Exemples de corps d’épreuve
Pour mesurer une force  Corps d'épreuve est un ressort.
La force mesurande primaire, élongation est la mesurande secondaire

b- Transducteur:
L’élément actif d’un capteur est le transducteur C’est un élément qui converti une forme
d’énergie en une autre. Il fournit une grandeur physique en réponse à une autre grandeur
Exemple : Transducteur Piézoélectrique:
Force  tension ou tension  force (ou déformation)
On distingue :
Transducteur électroacoustique, électromécanique, magnétoélectrique, optoélectronique,
thermoélectrique, magnétostrictif ou à ultrasons……

c- Conditionneur:
Le capteur transforme une grandeur en un signal électrique mesurable. Ce signal, il est
caractérisé par une amplitude souvent faible, pas directement exploitable. Toutes les fonctions
électroniques additionnelles qui permettent d’exploiter correctement ce signal (ou les variations
transmises).
En règle générale, le conditionneur est un composant électronique ou circuit qui transforme un
signal électrique vers une forme plus adaptée pour la chaîne de mesure.
Exemple pour capteur passif:
❖ Montage potentiomètre.
❖ Montage pont
❖ Montage en pont Oscillateur sinusoïdale………

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5- Capteurs: Chaîne de mesure

Généralement, elle est constituée de 3 parties:
❖ Capteurs, conditionneurs, amplificateurs, multiplexage.
❖ Transformation des données (CAN ou CN

❖ Traitement des données (calculateur)

6- Capteurs : Phénomènes physiques mis en jeu

a- L’effet Thermoélectrique
Deux conducteurs A et B de natures chimiques différentes,
dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, forment
un circuit qui est le siège d’une f.e.m e(T1,T2).. de qq.
Microvolts!! e(T1,T2) = a(T2-T1)  Mesure de T

b- L’effet Piézoélectrique
L’application d’une force ou d’une contrainte
mécanique sur les matériaux piézoélectriques entraîne une
déformation générant des charges électriques égales et de
signes contraires sur les faces opposées du matériau. Q = CV
avec Q = d11 F

c- L’effet piézo-résistif (voir capteurs de déformation) :

L’application d’une force ou d’une contrainte mécanique sur les matériaux piézo-résistifs
entraîne une variation de la résistivité en plus du volume (dimensions). La résistance,
fonction de la résistivité, et de la géométrie.


d- L’effet thermo-résistif (voir capteurs de températures)
La température influence la résistivité d’un conducteur ( )  ( )  (1  (T  T ))

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Le phénomène n’est pas linéaire, mais pour certain matériaux et sur une certaine plage de
température on peut faire l’approximation suivante
 = Coefficient thermique [K-1]  = Résistivité[m]  Mesure de T
e- L’effet magnéto-résistif
La résistivité de certains matériaux dépend du champ magnétique  mesure du champ
f- L’effet photo-résistif
La résistivité de certains matériaux (semi-conducteurs) dépend de l’intensité lumineuse
 mesure de l’éclairement, détecteur de proximité
g- Induction électromagnétique
Si un conducteur (circuit) se déplace dans un champ magnétique, il est le siège d’une f.e.m.
proportionnelle au flux coupé par unité de temps. e=-dF/dt=B*S*sin(t)
La mesure de la f.e.m. induite  détermination de la vitesse de rotation...

h- Effet Hall
Une plaquette d’un matériau semi-conducteur ou métallique parcourue par un
courant est soumise à un champ magnétique B . Un champ électrique (et donc une tension
VH) apparaît dans une direction perpendiculaire à l’induction et au courant.  Champ de
hall E VH=k*B*I sin() ( angle entre la direction de I est B),
 Mesure de champ, capteurs de proximité,…, position.
i- Effet pyroélectrique
Certains matériaux ont une polarisation spontanée en l’absence de champ électrique
extérieur, une variation de température induit une variation de cette polarisation et donc
l’apparition de charges électriques à la surface du matériau.
7- Capteurs : Classification
Les capteurs peuvent être classés selon :
❖ Les grandeurs physiques à mesurer: mécanique, optique, magnétique; (bio) chimique:
Exemples: capteur de déplacement, de vitesse, de rayonnement, de température…
❖ Source du signal: Capteurs soient actifs ou passifs (capteurs résistifs, cellules solaires,
photodiodes..)
❖ Les phénomènes physiques mis en jeu (capteurs piézoélectriques, à effet hall..)
❖ Nature de l’information restituée: analogique, logique ou numérique
❖ Un critère fonctionnel (contrôle de paramètres de fabrication, contrôle de qualité,
contrôle de sécurité, contrôle d'environnement
a- Capteurs actifs
Le principe des capteurs actifs repose sur un effet (physique ou chimique) qui assure la
conversion de la forme d’énergie propre au mesurande en une énergie électrique.
Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie
Température Thermoélectricité TENSION
Pyroélectricité Charge
Photoémission Courant
Flux lumineux Effet photovoltaïque Tension
Effet photoélectrique Tension
Force
Pression Piézoélectricité Charge
Accélération
Vitesse Induction magnétique Tension
Position Effet Hall Tension

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b- Capteurs passifs
Corps d’épreuve : est une impédance (qui peut être résistif, capacitif ou bien inductif) l’un de
ces paramètres est sensible au mesurande.
Les variations d'impédance ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit
électrique.

8- Capteur : caractéristiques métrologiques

Objectifs de cette partie : Donner les bases nécessaires pour lire et comprendre les fiches
techniques des capteurs et pour faire un bon choix.
Définitions :
La métrologie c’est la science de la mesure
Caractéristiques métrologiques: constituent les liens effectifs entre un capteur (signal de
sortie) et la grandeur qu'il mesure.
Caractéristiques statiques: lorsque grandeur d’entrée constantes ou varie lentement avec
le temps.
Caractéristiques dynamiques: grandeur(s) d’entrées variables avec le temps.

a- Caractéristiques statiques
✓ Etalonnage/fonction de transfert
Le capteur converti le mesurande m en une grandeur électrique que l’on appellera s (signal).
s (impédance, une charge électrique, un courant ou une différence de potentiel...)
La relation qui lie s à m, soit s = F(m), appelée aussi loi du capteur ou fonction de transfert,
dépend de:
❖ La loi physique régissant le capteur.
❖ La construction pratique du capteur.
❖ L'environnement du capteur.
La relation s =F(m), sous forme graphique ou mathématique est établie par une opération
que l'on appelle l'étalonnage.
Pour différentes valeurs de m (connues avec précision à l’aide d’étalons, références), (m1,
m2…mi…) on relève les signaux électriques délivrés par le capteur (s1, s2…si…)
La courbe s = F(m) est appelée courbe d'étalonnage du capteur.
L’étalonnage ne peut être effectué que si on dispose de valeurs de référence, stables et
connues avec suffisamment de précision.

Remarque: On peut aussi donner une loi physique ou les paramètres d’une régression qui
représente cette loi, l’important c’est que les paramètres sont obtenus par étalonnage.
Exemple: Loi physique (thermistance)
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(  )

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R(T )  R0 exp T T0

b- Conditions de fonctionnement
✓ Grandeur d'influence
On appelle grandeurs d'influences, toutes les grandeurs physiques autres que la grandeur à
mesurer, susceptibles de perturber la mesure ou susceptibles de modifier les caractéristiques
métrologiques du capteur.
✓ Grandeurs interférentes : grandeur d’influence qui interfère avec le mesurande
✓ Grandeur modifiante : grandeur d’influence qui modifie les caractéristiques du système
✓ Domaines de fonctionnement
Intervalle entre deux mesures extrêmes (portées) pour lesquelles les indications d'un capteur,
ne sont pas entachées d'une erreur supérieure à celle maximale tolérée et indiquée par le
constructeur. C’est aussi la plage de mesure dans laquelle le constructeur garantie les
performances métrologiques (dans la limite de la tolérance).
❖ Portée minimale: valeur minimale mesurable
❖ Portée maximale: valeurs maximale mesurable

✓ Le zéro est la valeur de sortie du capteur correspondant à la portée minimale. Le zéro ne

correspond pas systématiquement à une sortie nulle.
✓ La différence entre la portée maximale et la portée minimale est aussi appelé étendue de
mesure (d’échelle) ou plage ou gamme de mesure.
✓ Domaine de non détérioration
Il est limité par les valeurs extrêmes que peuvent prendre la grandeur à mesurer et les
grandeurs d'influence sans que les caractéristiques métrologiques ne soient altérées après
retour dans le domaine nominal d'emploi.
Dans la plage de non détérioration, le constructeur ne garantit plus les performances du
capteur (ce qui ne signifient pas nécessairement qu’elles soient dégradées).
✓ Domaine de non destruction
Il précise les limites que pourront prendre les grandeurs à mesurer et d'influence sans
destruction du capteur, mais avec une détérioration certaine et permanente de ses
caractéristiques métrologiques.
Quand, par accident, un capteur est utilisé, même pendant une courte durée, dans ce domaine,
il est indispensable de procéder à un réétalonnage complet du capteur.
Si le capteur est utilisé hors des limites du domaine de non destruction, on provoquera
destruction totale du capteur.

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c- Sensibilité
Pour une valeur donnée de la grandeur à mesurer m , la sensibilité S s'exprime par le quotient
de la variation de la grandeur de sortie s par la variation correspondante de la grandeur
mesurée autour de la valeur mi.
 s   ds 
S   S  
 m  m  m i  dm  mm i
d- Fidélité
Qualité de fournir des valeurs groupées (non dispersées) si la mesure est répétée dans des laps
de temps courts à plusieurs reprises et dans le même sens.
e- La justesse
C’est l’aptitude à donner des indications proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée
(qui ne sont pas entachés d'erreur systématiques voir plus loin).
Un instrument est d'autant plus juste que la valeur moyenne est proche de la valeur vraie.
f- Précision
Caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des indications proches de la valeur vraie de la
grandeur mesurée.
Illustrations de la fidélité et de la justesse

g- Résolution
La plus petite variation de la mesurande que le capteur (l’instrument) est capable de déceler.
Donnée en valeur absolue en en pourcentage de plein échelle (entrée ou sortie)
La résolution est définie pour le système de mesure entier: capteur, conditionneur,
convertisseur.

h_Finesse
Finesse: C'est la qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à donner la valeur de la
grandeur sans modifier celle-ci par sa présence. Cela permet d’évaluer l’influence du capteur
sur la mesure.
I__Linéarité
Définit la constance de la sensibilité sur toute la plage de mesure.
j- La répétabilité
Capacité d'un opérateur à répéter de façon cohérente la même mesure de la même pièce, à l'aide
de la même instrumentation, dans les mêmes conditions.
k- La reproductibilité
Capacité d'une instrumentation, utilisée par plusieurs opérateurs, à reproduire de façon cohérente
la même mesure de la même pièce, dans les mêmes conditions.

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9- Capteurs: Types d’erreurs.

Deux grandes classes d’erreurs.

a- Erreurs systématiques
Décalage constant des mesures, difficiles à détecter. faciles à corriger (étalonnage)
L'erreur systématique se détecte en comparant les valeurs moyennes d'une même mesurande,
données par deux capteurs différents sous les mêmes conditions.
Origine : Usure ; Mauvais étalonnage ; Erreur d’utilisation ; Position du capteur ; Rapidité du
capteur ; Grandeur d’influence ….

b- Erreurs aléatoires
Dispersion des mesures, faciles à détecter, difficiles à corriger
Origine: Perturbations électriques ; Vibrations mécaniques ; Limite de résolution de
l’instrument ; Erreurs de lecture ; Grandeurs d’influence ; Erreurs d’origines inconnues.

Types d’erreurs:
a-Erreur de fidélité
L’erreur de fidélité correspond à l’écart type  obtenu sur une série de mesures correspondant
à un mesurande constant et s’exprime en pourcentage de l’étendue de mesure.
Un capteur est fidèle si l’écart-type qu’il fournit est faible
La reproductibilité est la marge de fluctuation de la sortie à long terme, lorsque le même
mesurande est appliqué au capteur à plusieurs reprises et dans le même sens.

b-Erreur de justesse
L’erreur de justesse est la différence entre la moyenne des valeurs mesurées et la vraie valeur.
Erreur de justesse= estimation.
c- Erreur de précision
L'erreur de précision est la somme de l'erreur de justesse, liée à la moyenne, et de l'erreur de
fidélité, caractérisée par l'écart type.
En pratique, la précision est une donnée qui fixe globalement l'erreur maximum pouvant être
commise lors d'une mesure
Classe de précision=100* Plus grande erreur possible/EM.
f-Ecart (Erreur) de Linéarité (voir exposé)
g-Méthodes des moindres carrés (voir exposé)
h-Traitement statistique des erreurs aléatoires (voir exposé)
10- Capteurs : exemples grandeurs d’influence
Grandeur physique autre que 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 fémd’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)

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Solutions :
❖ Réduire les grandeurs d’influence (tables anti-vibration, blindages magnétiques…)
❖ Stabiliser les grandeurs d’influence à des valeurs parfaitement connues
❖ Compenser l’influence des grandeurs parasites par des montages adaptés (pont de
Wheastone)
11-Critère de choix d’un capteur
Le type de mesure définira le type du capteur. Le choix du capteur adéquat dépend de
différents critères :
❖ Nature du mesurande, capteur basé sur quel principe physique ?
❖ Performances (résolution, précision, plage de mesure, ...) ?
❖ Caractéristiques d‘environnement, grandeurs d‘influence ?
❖ Encombrement ?
❖ Prix ?
❖ Fiabilité?
❖ Temps de réponse ?
❖ Durée de vie (la robustesse) ?
12- Caractéristique dynamique d’un capteur (voir exposé)
13-Fiche Technique (voir exposé)