LES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS CHAPITRE 2

1. GENERALITES:
Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer ces derniers
en deux catégories.
 Capteurs actifs
 Capteurs passifs
1.1- Capteurs actifs :
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur effet
physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie à la grandeur physique à
prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement.
Les effets physiques les plus rencontrés en instrumentation sont :
 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 d'origine
thermique e(T1,T2).
 Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-
électriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge
électrique de signe différent sur les faces opposées.
 Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit
électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objet métallique).
 Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un
rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique.
 Effet Hall : Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau une
différence de potentiel UH.
 Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN
illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.

Tableau 1 : Grandeurs d’entrée et de sortie et effet utilisé pour les capteurs actifs

Grandeur physique Effet utilisé Grandeur de

mesurée sortie

Température Thermoélectricité Tension

Photoémission Courant
Flux de rayonnement
optique Effet photovoltaïque Tension
Effet photo-électrique Tension
Force Charge
Piézo-électricité électrique
Pression
Accélération Induction
électromagnétique Tension
Vitesse
Position (Aimant)
Effet Hall Tension
Courant
1-2- Capteurs passifs :
Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur
mesurée. La variation d'impédance résulte :

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  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, pression accélération
(Armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensomètre liée à une
structure déformable).
Tableau 2 : Type de matériau utilisé et caractéristique électrique des capteurs passifs
Caractéristique
Grandeur mesurée Type de matériau utilisé
électrique
Température sensible
Résistivité Métaux : platine, nickel, cuivre ...
Très basse
Constante diélectrique Verre
température
Flux de rayonnement
Résistivité Semi-conducteur
optique
Résistivité Alliage de Nickel, silicium dopé
Déformation
Perméabilité Alliage ferromagnétique
magnétique Matériaux magnéto résistants :
Position (aimant) Résistivité
bismuth, antimoine d'indium
Humidité Résistivité Chlorure de lithium

2. CAPTEURS A EFFET PIEZOELECTRIQUE:

Fig. 1 : L’effet piézoélectrique
2-1- L’effet piézoélectrique:

Une force appliquée à une lame de

quartz induit une déformation qui donne
naissance à une tension électrique.

V U

Fig. 2 : Principe d’un capteur de force

2-2- Capteur de force:
Mise
Ampli en forme
VS
La tension VS de sortie sera
proportionnelle à la force F :
VS = k.(F+F) = 2k.F avec k constante.
Métal

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 2-3- Capteur de pression:

Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force F sur une paroi S (surface); on
peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci- dessous :
Sachant que :
Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P.
Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la force F0
(pression extérieure P0).
Fig. 3 : Principe d’un capteur de pression

Ampli Us

Enceinte à la pression P F Fo

Capteur de force de surface S

On a F = P.S ; F0 = P0.S et uS = k.(F+F0) ( capteur de force, k = constante ).

Donc uS = k.S ( P + P0 ) = k' ( P + P0 )  uS = k' ( P + P0 ) .
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P0 et de la pression
de l'enceinte P.
2-4- Capteur d’accélération: Fig. 4 : Principe d’un capteur d’accélération

L'augmentation de vitesse V
du véhicule donne une accélération a Masse m
qui induit une force F exercée par la suspendue
masse sur le capteur. F
On a donc : Capteur de Force
F = m.a mais uS = 2k.F
Tension Us en sortie V
et donc uS = 2k.m.a

2-5- Capteur ultrason:

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.

3. CAPTEURS A EFFET HALL:

Fig. 5 : L’effet Hall
3-1- L’effet Hall: I
B
B B
Un barreau de semi-conducteur soumis à un
champ magnétique uniforme B et traversé par un
courant I, est le siège d'une force électromotrice UH
sur deux de ses faces.
La tension de Hall UH est définie par la relation ci- e
contre : I V UH

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 RH : constante de Hall (dépend du semi-conducteur)
I : intensité de la source de courant (A)
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium.
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au champ magnétique B :
UH = k.B avec k constante égale à

3-2- Capteur de champ magnétique:

Fig. 6 : Principe d’un capteur de champ magnétique

I
Générateur Capteur Ampli
HALL UH U =A.U Us
de courant s H

La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.

3-3- Autres applications:
Fig. 7 : Capteur de proximité
3.3.1 Capteur de proximité:
Capteur de
champ N S
Le capteur détecte l'approche de
magnétique
l'aimant placé au préalable sur un objet. Aimant

3.3.2 Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit:
Fig. 8 : Mesure de courant en boucle fermée
Le courant I crée un champ magnétique Conducteur parcouru
par un courant I
proportionnel à ce courant :

Le capteur donne une tension US = k.B = k'.I Entrefer

avec k et k' constantes.
C'est le principe des pinces ampèremétriques
(mesure de forts courants de 1000A et plus). Capteur de champ
magnétique
Tore de métal de
perméabilité µ

4. CAPTEURS A EFFET PHOTOELECTRIQUE:

4-1- 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.

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 4-2- Les photorésistances:
Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit.
Exemple:
 Obscurité : R0 = 20 MΩ (0 lux)
 Lumière naturelle : R1 = 100 kΩ (500 lux)
 Lumière intense : R2 = 100 Ω (10000 lux).
Caractéristique lumière/tension:

R (Ω)
8
10
7
10

102 E (Lux)
0 -2 2 3
10 10 10

Avantages :
 Bonne sensibilité
 Faible coût et robustesse.

Inconvénients :
 Temps de réponse élevé
 Bande passante étroite
 Sensible à la chaleur.

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

4-3- Les photodiodes:

Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux.
Courbe : Le graphe I = f(U) pour une photodiode dépend de l'éclairement en (Lux) de la jonction PN.
Fig. 9 : Caractéristique courant/tension d’une photodiode en fonction de l’éclairement

Photodiode
Obscurité (diode normale)
I=f(U)
Eclairement moyen (500 lux)
4
3 Eclairement fort (10000 lux)
2
1
0
0,5 0 0,5 1

On constate que lorsque la diode est éclairée, elle peut se comporter en générateur (I = 0, U= 0,7V
pour 1000lux). On a donc affaire à une photopile (effet photovoltaïque).

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 Avantages :
 Bonne sensibilité
 Faible temps de réponse (bande passante élevée).

Inconvénients :
 Coût plus élevé qu'une photorésistance
 Nécessite un circuit de polarisation précis
Fig. 10 : Emetteur/Récepteur infrarouge
Utilisations :
 Transmission de données
 Télécommande IR
6  Transmission de données par fibre
optique Emetteur
 Détection de passage Rayon lumineux ou Récepteur
(diode IR) fibre optique (photodiode)

 Roue codeuse Fig. 11 : Principe de la roue codeuse

 Mesures d'angle et de vitesse

 Comptage d'impulsions
(souris de PC)
Emetteur Récepteur
diode IR Photodiode

5. CAPTEURS A RESISTANCE VARIABLE PAR DEFORMATION :

5-1- Capteurs potentiométriques de déplacement:

5.1.1 Principe:
Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un
potentiomètre (schéma ci-dessous).
Fig. 12 : Principe d’un capteur potentiométrique
Position 1

(1-x).R
C E C
R
x.R
Position x (0<x<1) U

On applique une tension continue E entre les extrémités A et B du potentiomètre. La tension U en sortie
aura l'expression suivante :
La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur.

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 Avantages :
 Simplicité d’utilisation
 Faible coût.
Inconvénients :
 Usure mécanique

5.1.2 Utilisations:
 Mesure de déplacement réctilogne
 Mesure d’angles de rotation
 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.
Fig. 13 : Mesure de débit

Piste
Curseur
résistive
Ressort
de rappel
Fluide

5-2- Capteurs à jauges d’extensiométrie:

5-2-1. Principe:
La résistance d'un conducteur est donnée par la « fameuse » relation :

 : Résistivité en Ω.m
 L : longueur en m
 S : section en m2
La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R.
La relation générale pour les jauges est où Kest le facteur de jauge.
5-2-2 Fonctionnement d’une jauge simple:
La jauge est constituée d'une piste résistive collée sur un support en résine. Le tout est collé
sur le corps dont on veut mesurer la déformation.
 Corps au repos (pas d’allongement)
Fig. 14 : Jauge d’extensiométrie

Corps
Support
déformable

Résistance
mesurée Ro
Ω
Piste
résistive

Longueur l

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  Corps ayant subi un étirement (effort de traction)
Fig. 15 : Jauge d’extensiométrie ayant subi un étirement

F
Ω F
Résistance mesurée
Ro + R

Longueur l+ l

Remarque : Dans le cas d’une contraction, la résistance de la jauge serait Ro - R.

 Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)

Fig. 16 : Conditionneur de signal
La tension de sortie v du pont a
l'expression suivante :
Jauge au repos
R R0
En général, la variation R est petite
V
devant R0; la relation se simplifie alors
E
pour devenir quasi-linéaire : R0+ R
R
La tension de sortie v du pont a Jauge après
Résistances quelconques
l'expression suivante :
étirement

En général, la variation R est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire :

Remarque : On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un pont à 2 résistances

et 2 jauges symétriques R0 + R et R0 - R.
Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une parfaite linéarité.

6. CAPTEURS DE TEMPERATURE :
6-1- Thermomètre à thermocouple: Fig. 17 : Principe de fonctionnement d’un thermocouple

On constate que si la température T2 est

V
différente de T1 alors il apparaît une tension U
aux bornes des deux fils soumis à la
T1 T1
U
température T1. métal B métal A
Le phénomène inverse est aussi vrai : si on
Température à
applique une tension, alors il y aura un
échauffement ou un refroidissement au point mésurer T2
Soudure
de liaison des deux conducteurs (modules à
effet Peltier).

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 Application: Mesure des hautes températures : 900 à 1300 °C.

6-2- Thermistance:
Une thermistance est un composant dont la résistance varie en fonction de la température. En
première approximation, la relation entre résistance et température est la suivante :

: La résistance à la température
: La résistance à la température 0°C
: Le coefficient de température.
Remarque:
 si a > 0 alors on a une thermistance CTP (R quand )
 si a < 0 alors on a une thermistance CTN (R quand ).
Application: On insère la thermistance dans un pont de jauge. On obtient ainsi une tension V en sortie du
pont . Si on prend , on obtient .
On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant. La tension à ses bornes sera donc
proportionnelle à la résistance.

6-3- Capteurs à sortie numérique directe:

On trouve actuellement sur le marché, des capteurs de température à sortie numérique directe de
type série. Il s'agit notamment des capteurs DALLAS qui sont classés en deux catégories :
6-3-1 Les capteurs à sortie I2C (2fils) DS1621:
Ce capteur DS1621 peut mesurer une température
variant de -55°C à 125°C avec une précision de 0,5°C.
Pour transmettre la mesure (9 bits), il utilise la norme I2C
qui consiste à transmettre en série les bits de mesure sur
la ligne SDA en synchronisation avec la ligne SCL
(horloge).
Tableau 3

Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions :

 Il est adressable physiquement sur 3 bits (A0, A1 et A2), ce qui permet d'en utiliser 8 sur la même
ligne SDA-SCL.
 Il possède une fonction thermostat qui permet de commander un chauffage (températures TH et TL)
par l'intermédiaire de la ligne TOUT même lorsque le capteur est déconnecté du matériel
informatique.

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 6-3-1 Les capteurs à sortie I2C (2fils) DS1621:

Ce capteur DS1820 peut mesurer une température variant

de -55°C à 125°C avec une précision maximale de 0,125°C.
Pour transmettre la mesure ( résolution réglable de 9 à12 bits ),
il utilise la norme i-button qui consiste à transmettre en série
sur un seul fil, le résultat de la mesure.
La ligne VD peut être connectée à la masse GND et la ligne DQ
supportera à la fois l'alimentation et la transmission des
données, d'où l'appellation 1 Wire.
Il suffit donc de deux fils (DQ et GND) pour alimenter et
communiquer avec ce capteur.

Tableau 4

Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions :

 Il est doté d'une adresse (numéro de série) affectée en usine et définitive. Elle est codée sur 8
octets ce qui permet d'utiliser, en théorie, un très grand nombre de DS1820 sur la même ligne.
 Une alarme de température peut être paramétrée et la consultation de celle-ci se fait par lecture
d'une zone mémoire (adresse – donnée).

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