TP N°1 : CAPTEURS TOR

Introduction :
Les Travaux Pratiques sur les Capteurs TOR (Tout Ou Rien) constituent une
exploration essentielle dans le domaine de l'automatisation industrielle et du contrôle
de processus. Les capteurs TOR, également connus sous le nom de capteurs
binaires, jouent un rôle fondamental dans la détection d'états discrets, tels que la
présence ou l'absence d'un objet, le déclenchement ou l'arrêt d'un processus, ou
encore la position d'un élément mécanique.

But de TP :
L'objectif de ce TP est d'explorer et de confronter les performances de divers
capteurs industriels dans la détection d'objets en déplacement. Pour ce faire, nous
utiliserons un banc de capteurs de proximité TOR (tout-ou-rien), un capteur inductif
et un capteur optique.

1. Banc de Capteurs de Proximité TOR :

On aura besoin d’une maquette contient un capteur à contact Reed à l’approche

des 2 aimants, capteur à contact à mercure et capteur de fin de course avec les
positions normalement ouvert et fermé.

On réalise le montage suivant :

1
  Capteur à contact Reed à l’approche des 2 aimants :

Un capteur à contact Reed est un type de capteur magnétique utilisant un

interrupteur Reed. Un interrupteur Reed est constitué de deux contacts
métalliques sensibles au champ magnétique. Lorsqu'un champ magnétique
suffisamment fort est appliqué à proximité, les contacts se ferment, permettant
ainsi le passage du courant électrique. Ce type de capteur est souvent utilisé
pour détecter la présence ou l'absence d'un champ magnétique.

LED est éteinte LED est allumée

Cas d’absence d’objet magnétique Cas de présence d’objet magnétique

 Capteur à contact à mercure :

2
Un capteur à contact à mercure utilise une petite quantité de mercure dans un tube
en verre. Lorsque le capteur est incliné ou que le mercure est déplacé, il ouvre ou
ferme un circuit électrique, signalant ainsi un changement de position ou de
mouvement. En position verticale, le mercure repose au fond du tube, ne reliant pas
les contacts électriques. Mais lorsqu'il est incliné à un certain angle, le mercure se
déplace pour fermer le circuit, indiquant un changement d'état.

LED est éteinte LED est allumée

Cas d’une position verticale Cas d’une position inclinée

 Capteur de fin de course :

3
Un capteur de fin de course est un dispositif utilisé pour détecter la présence ou
l'absence d'un objet à un point spécifique de son trajet. Les positions normalement
ouvert (NO) et normalement fermé (NC) sont deux configurations possibles pour ces
capteurs :

Position Normalement Ouvert (NO) : Dans cette configuration, le circuit électrique du

capteur est ouvert lorsqu’aucun objet n'est détecté à proximité. Lorsque l'objet atteint
la position du capteur, il active le mécanisme du capteur, fermant ainsi le circuit
électrique. Cela permet d'envoyer un signal indiquant la présence de l'objet.

LED est éteinte LED est allumée

Pas de détection d’objet à proximité Détection d’objet à proximité

Position Normalement Fermé (NC) : À l'inverse, dans cette configuration, le circuit

électrique est fermé en l'absence d'objet. Lorsque l'objet atteint le capteur, il
ouvre le circuit en activant le mécanisme du capteur, ce qui envoie un signal
indiquant la présence de l'objet.

4
 LED est éteinte LED est allumée

Détection d’objet à proximité Pas de détection d’objet à proximité

2. Capteur Inductif :

Un capteur inductif est un type de capteur actif utilisé pour détecter la présence
ou l'absence d'objets à proximité, sans contact physique direct. Ce type de
capteur fonctionne en exploitant le principe de l'induction électromagnétique.

On réalise le montage suivant :

5
Les matériaux Métaux Plastique La main Bois
Détection  × × ×

Dans le cas de détection des différents métaux, la lampe s’allume.

La lampe est éteinte pendant la détection des autres matériaux.

On conclut que le capteur inductif détecte, sans contact physique, la présence

de tout objet en matériau conducteur avec une portée limitée.

3. Capteurs Optiques (Détecteur Réflex) :

Un capteur optique de type détecteur réflex est un dispositif qui utilise la lumière pour
détecter la présence ou l'absence d'un objet. Ce type de capteur comprend une
source de lumière (habituellement une LED) et un récepteur de lumière (tel qu’une
photodiode) disposés de manière à détecter les variations de lumière causées par la
présence ou l'absence d'un objet dans la zone de détection.

6
 Matériaux Métaux Plastique Corps noir Réflecteur Caoutchou
c
Détection     

La lampe s’allume lors de la détection des tous les matériaux.

Ce capteur permet de détecter tous les différents types des matériaux.

Matériaux Switch On Switch Off

Métal 30 cm 44,5 cm
Plastique 31 cm 76 cm
Corps noir 33 cm 68 cm
Caoutchouc 13 cm 84 cm

Lorsqu'un objet entre dans la zone de détection du capteur optique, il intercepte le

faisceau lumineux émis par la source lumineuse. Cette interruption de la lumière
réfléchie est détectée par le récepteur optique, ce qui active la sortie du capteur pour
indiquer la présence de l'objet. (Switch On)

Lorsque l'objet quitte la zone de détection, le faisceau lumineux n'est plus

interrompu, et le capteur désactive sa sortie (Switch Off).

Remarque : On remarque que le réflecteur peut être détecté d’une grande distance.

7
 TP N°2 : Capteurs de Température
Test d’un thermocouple de type K
Introduction :

Ce TP sur les thermocouples vise à comprendre le principe de fonctionnement d’un

thermocouple, en mesurant la différence de température entre deux jonctions et en
utilisant cette mesure pour déterminer la température à la jonction chaude.

But du TP :

Comprendre le principe du thermocouple et comment dresser ses caractéristiques en

fonction de variation de la température.

Montage :

Manipulation :

1) Un thermocouple est constitué de deux fils métalliques différents, formant deux

jonctions de température : une à la température à mesurer (jonction chaude) et
une à une température de référence connue (jonction froide). Une différence de
température entre ces jonctions crée une force électromotrice (FEM)
proportionnelle à cette différence, mesurée par un voltmètre. La relation entre la
FEM et la température est déterminée par des tables de référence ou des
équations spécifiques à chaque type de thermocouple. La température ambiante
à la jonction froide doit être maintenue constante pour des mesures précises,
souvent réalisée par des dispositifs de compensation de température ou en
contrôlant la température de la jonction froide.

8
2) L'effet Seebeck est un phénomène thermodynamique découvert par le physicien
allemand Thomas Johann Seebeck en 1821. Cet effet décrit la production d'une
tension électrique ou d'une différence de potentiel électrique entre deux points
d'un conducteur électrique ou d'un semi-conducteur lorsque la température entre
ces points est différente. En d'autres termes, lorsque deux matériaux conducteurs
différents sont placés en contact et qu'il y a une différence de température entre
les deux points de contact, cela crée une différence de potentiel électrique.

3) Dans un thermocouple de type K, les deux métaux utilisés sont le nickel (Ni) et le
chrome (Cr). Ce type de thermocouple est l'un des plus couramment utilisés en
raison de ses excellentes propriétés de conductivité thermique et de robustesse,
ce qui le rend adapté à une large gamme d'applications industrielles.

4) La gamme de mesure typique est d'environ -200°C à +1250°C (-328°F à

+2282°F). Cependant, cette gamme peut varier légèrement en fonction des
spécifications du fabricant et des conditions d'utilisation spécifiques.
5)

Tc(°C) 23 30 40 50 60 70 80 90
R (Ω ) 18,62 19,29 20,2 20,68 21,28 22,1 22,68 23,24

Tc(°C) 90 80 70 60 50 40 30 23
R (Ω ) 23,24 21,1 20,3 19,58 19,01 18,61 18,26 18,00
6

9
6) La représentation graphique de résistance en fonction de température

On a erreur d’hystérésis : le résultat dépend de la mesure précédente.

7) Avant le chauffage, le voltmètre affichera une valeur de tension correspondant à

la température ambiante. Après le chauffage, la tension mesurée augmente à
mesure que la température du thermocouple augmente, reflétant ainsi la variation
de température détectée par le thermocouple. Cela montre que le thermocouple
réagit de manière appropriée aux changements de température.

10
 TP N°3 : capteurs de déformation, de force et de pression
I Balance à jauges de contrainte :
Un capteur de déformation et de force est un appareil conçu pour quantifier la
déformation ou la force exercée sur un objet ou une structure. Son rôle principal est
de transformer cette déformation ou cette force en un signal électrique
proportionnel, tel qu'une tension, un courant ou une résistance, ce qui
permet à un système électronique de mesurer et d'analyser cette
information.

1. Qu’est-ce qu’une masse ?

La masse d'un objet est une mesure de la quantité de matière qu'il
contient. Elle est souvent exprimée en kilogrammes (kg) et représente
la résistance d'un objet au changement de son état de mouvement,
selon la deuxième loi de Newton.

2. Qu’est-ce qu’une balance à jauge de contrainte ?

Une balance à jauge de contrainte utilise des capteurs appelés jauges
de contrainte pour mesurer la masse d'un objet. Les jauges de
contrainte changent leur résistance électrique en réponse à une
contrainte mécanique, telle que le poids d'un objet. Lorsque le poids est
appliqué sur la balance, les jauges se déforment, ce qui modifie leur
résistance électrique. Cette variation est mesurée et convertie en une lecture de
poids, permettant ainsi de mesurer la masse de l'objet.

3. Le but de ce TP :
Cette partie du TP a le but de :

 Apprendre comment les capteurs de déformation et de force détectent les

changements dans les forces appliquées ou les déformations subies par un
objet.
 Connaitre les types d’erreurs d’un capteur
 La mesure de la tension
 L’intérêt de l’utilisation du pont de Wheatstone :
4. L’intérêt de l’utilisation du pont de Wheatstone :
Le pont de Wheatstone est un circuit électrique utilisé pour mesurer des résistances
inconnues avec une grande précision. Son principal avantage réside dans sa
sensibilité élevée, ce qui le rend idéal pour détecter de petites variations de
résistance. Il est couramment utilisé dans les applications de mesure de force, de
température et de pression.

11
 5. Le montage d’expérience :

Nous avons un dispositif pédagogique pour mesurer la masse, composé de quatre

jauges à contrainte montées sur un pont complet (pont de Wheatstone). Ce système
est installé sur un corps d'épreuve cylindrique. Pour la connexion, nous disposons de
quatre fils : deux blancs pour récupérer la mesure Vm et deux noirs pour une
alimentation CC de 12 V.

Les résultats expérimentaux sont regroupés dans le tableau suivant :

Masse 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
en Kg
Poids 0 9.81 19.62 29.43 39.24 49.05 58.86 68.67 78.48 88.29 98.1
en N
Vm en 10 10.5 11 11.4 11.9 12.4 12.8 13.3 13.8 14.2 14.6
mV

De même, on relève la tension Vm dans le sens décroissant des masses :

Masse 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
en Kg
Poids 0 88.29 88.29 68.67 58.85 49.05 39.24 29.43 19.62 9.81 0
en N
Vm en 10 10.95 10.9 11.3 11.7 12.2 12.65 13.15 13.65 14.2 14.6
mV

6. La représentation graphique des deux tableaux (la tension en fonction de la

masse) :

12
L’équation ascendante est :

On a : V= a .m + 10 ;

Avec a= ΔV/ΔM= (11-10.5) / (2-1) =0.5 mV ⁄Kg ;

∆v :la variation de tension en mV

∆m :la variation de masse en Kg

D’où : V= 0.5m +10

L’équation descendante :

On a: V= s.m + 10;

ΔV 10.9−10 mV
Avec s= = =0.45 ;
ΔM 2−0 Kg

∆v : la variation de tension en mV

∆m : la variation de masse en Kg

D’où : V= 0.45m +10

Remarque :

D’après notre cour, on a 4 types d'erreurs qu’un capteur peut présenter : l’erreur de
zéro (Offset), de linéarité, de sensibilité (Gain) et d'hystérésis. Ces erreurs affectent
la précision des mesures et peuvent être minimisées par des techniques de
calibration et de correction.

13
Dans notre cas, on a erreur d’hystérésis : le résultat dépend de la mesure
précédente.

7. La résolution de cette chaine de mesure est :

11.4-11=0 .4 mV

8. Synthèse :
La réalisation de ce cette partie de (TP) en utilisant une balance à jauges de
contrainte et un capteur de masse a permis d'appréhender de manière concrète et
précise les concepts de mesure de masse et de force dans un contexte
expérimental. L'expérience a illustré la fiabilité et l'efficacité des jauges de contrainte
pour convertir les déformations mécaniques en signaux électriques mesurables,
offrant ainsi une méthode hautement précise pour la détermination de la masse.

II Mesure de la pression :
1 Qu’est-ce qu’un capteur de pression ?
Un capteur de pression mesure la force exercée par un fluide, liquide ou gaz, sur une
surface. Il transforme cette pression en un signal électrique, souvent une tension, un
courant ou une résistance, interprétable par un système électronique.

2 Qu’est-ce qu’une pression ?

La pression est la force exercée sur une surface donnée. Elle est définie comme la
force par unité de surface et est généralement exprimée en pascals (Pa) dans le
système international d'unités.

En bref, la pression absolue est mesurée par rapport au vide parfait, tandis que la
pression relative est mesurée par rapport à la pression
atmosphérique existante.

3 Qu’est-ce qu’un vérin à double effet :

Un vérin à double effet est un dispositif hydraulique ou
pneumatique qui peut effectuer un mouvement dans les
deux sens grâce à l'application de pression dans deux
chambres distinctes, permettant ainsi un contrôle bidirectionnel du déplacement d'un
piston ou d'une tige.

4 Qu’est-ce qu’un manomètre à tube de bourdon :

Le manomètre à tube de Bourdon est un instrument
de mesure de la pression qui utilise un tube en
forme de spirale qui se déforme en réponse à la
pression, faisant ainsi bouger une aiguille
indicatrice sur une échelle graduée.

14
 5 Le montage d’expérience :

Un vérin à double effet, combiné avec le support de la cellule à jauges, est utilisé
pour mesurer expérimentalement la tension en fonction de la pression. La pression
d'air comprimé, fournie par un compresseur et mesurée par un manomètre à tube de
Bourdon, est associée à cette expérience.

Les résultats expérimentaux sont regroupés dans le tableau suivant :

P (bar) 0 1 2 3 4 5 6
V (mV) 10 .2 11.6 13.7 15.6 17.7 19.7 21.9

De même, on relève la tension Vm dans le sens décroissant des masses :

P (bar) 6 5 4 3 2 1 0
V (mV) 21.9 19.25 17.3 15.3 13.25 11.3 10.2

6 La représentation graphique des deux tableaux (la tension en fonction de la

Pression) :

15
L’équation ascendante est :

On a: V= a. P + 10.2 ;

Avec a= ΔV/ΔP= (17-15.6) / (4-3) =2.1 mV ⁄Bar;

∆v :la variation de tension en mV

∆P :la variation de pression en bar

D’où : V= 2.1P+10.2

L’équation descendante :

On a: V= s .m + 10;

Δ V 17.3−15.3 mV
Avec s= = =2
ΔP 1 ¯¿ ¿ ;

∆v : la variation de tension en mV

∆P : la variation de pression en Bar

D’où : V= 2P +10.2

Dans notre cas, on a erreur d’hystérésis : le résultat dépend de la mesure

précédente.

Synthèse :

L'effet hystérésis dans un capteur de pression se produit lorsque sa réponse à une

augmentation de pression diffère de sa réponse à une diminution de pression, même
16
lorsque la pression revient à sa valeur initiale. Cela entraîne une déviation de la
courbe de réponse lorsqu'une pression croît puis décroît. Les causes incluent des
imperfections matérielles, des frottements internes ou des déformations élastiques.
Cet effet peut impacter la précision des mesures ; il est donc essentiel de le
considérer dans la conception et l'utilisation des capteurs, et d'appliquer des mesures
correctives pour atténuer son impact.

17
 TP N°4 : Capteurs à Ultrasons et Capteurs de Gaz
Introduction :
Dans Ce TP, nous allons continuer à étudier Les capteurs à travers les capteurs
ultrasons et de gaz, que nous examinerons brièvement le fonctionnement, les
applications et les performances de ces deux types de capteurs.

Partie théorique :
 Capteur ultrasonique :
Le principe de fonctionnement des capteurs à ultrasons est d’émettre à
intervalles réguliers de courtes impulsions sonores à haute fréquence. Ces
impulsions se propagent dans l’air à la vitesse du son. Lorsqu’elles rencontrent un
objet, elles se réfléchissent et reviennent sous forme d’écho au capteur.

Avec :
et la vitesse de son dans l’air est 340m/s

 Description d’un gaz et ses caractéristiques :

Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi
indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume
propre ce qui les rend compressibles. Un gaz tend à occuper tout le volume
disponible. Cette phase constitue l'un des quatre états dans lequel peut se trouver un
corps pur.
Le capteur de gaz est modélisé par une résistance semi-conductrice. Cette
résistance fonctionne sous une condition d'échauffement, sa valeur diminue en
fonction de la présence du gaz.

Manipulation :
 Capteur d’ultrasons :
Soit le montage réalisé à l’aide de la maquette 6806 comme suite :

18
1. A l’aide d’un fréquencemètre, On règle la fréquence de l’oscillateur autour du
NE555 à 40KHz, et puis on visualise le signal Ve à l’oscilloscope.

Commentaires :
Le signal Ve est un signal alternatif rectangulaire périodique de fréquence f =
40 kH.

2. Le signal reçu par le capteur d’ultrasons est amplifié par un montage

amplificateur inverseur dont le signal de sortie Vs obtenu est comme suite :

19
 Commentaires :

Vs est un signal périodique presque sinusoïdal qui a une fréquence égale à

celle du signal Ve
3. Pour une distance donnée entre l’émetteur et le récepteur, on fait varier la
fréquence de l’oscillateur et on mesure la tension crête à crête de Vspp.

Commentaires :

Il existe deux fréquences de résonance : 20 kHz et 40 kHz.

4. On note les résultats obtenus dans le tableau ci-dessous :

20 kHz 40 kHz
0 1 ,06 0,97
5 0,49 0 ,441
10 0,443 0,435
15 0,388 0,332

Commentaires :

On remarque que la distance entre l’émetteur et le récepteur à un impact sur la

tension mesuré Vssp, en effet à chaque fois qu’on éloigne l’émetteur du récepteur, la
tension mesurée diminue.

 Capteur de Gaz :
1) La variation de la résistance du capteur de gaz est insérée dans un circuit
de conditionnement et d’amplification.
Soit le schéma réalisé suivant :

20
Expliquons son fonctionnement :
L’étage de conditionnement du signal du capteur a un rôle très important. Il converti
en tension la grandeur de sortie du capteur, adapte l’impédance pour le capteur et
limite l’amplification en mode commun.
Il doit être optimisé pour éliminer les bruits électromagnétiques.
2) On réalise le montage précédent :

Commentaires :

En absence du gaz, la tension mesurée varie lentement. Lorsqu’on décharge le gaz

sur le capteur, la tension mesurée augmente proportionnellement au temps de
décharge (quantité du gaz). Alors qu’en arrête de décharge, la tension varie très
lentement.

3) Alarme de Gaz :

21
On réalise le montage, et on règle l’offset de telle manière à ce que la LED s’allume
dès qu’une petite décharge de Gaz est détectée.

Commentaires :

On remarque dès que le capteur détecte le gaz, la LED s’allume en rouge

On connecte la sortie de l’amplificateur différentiel à l’entrée du bloc « comparateurs

» dont la sortie est branchée à l’entrée de l’alarme. En mettant le niveau d’alarme au
maximum.
o Pour une décharge partielle du gaz on aura juste les premières LED
allumées comme suite :

22
 o Pour une décharge de grande quantité du gaz on aura toutes les LEDs
allumées comme suite :

Commentaires :

On remarque que l’allumage des LED, se fait selon le degré d’alarme d’une part et la
quantité du gaz déchargée d’autre part ce qui confirme les résultats précédents.

23