Capteurs & actionneurs

Généralité sur les capteurs

Introduction :
1. Définition :
Capteur : Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une
grandeur physique d'entrée, appelée mesurande [m], une autre grandeur physique de nature
différente (très souvent électrique) appelée réponse [s].. Cette grandeur représentative de la
grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.

La grandeur de la sortie est de type électrique. Elle peut être soit :

-un courant
-Une tension
-Une charge
-Une impédance (R, L, C)

Domaine d’emploi des capteurs :

Les capteurs sont destinés à réaliser une mesure. Dans le domaine industriel cette opération est
importante et intervient dans deux grand domaines : le domaine du mesurage et celui du contrôle
de processus.
Tous les domaines d’activité nécessitent l’emploi de capteurs comme : l’automobile (domaine
principal), contrôle de la production, agriculture, sécurité, médical (domaine du micro capteur),
électroménager…

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2. Éléments de métrologie (définitions) :

Le mesurage :
C'est l'ensemble des opérations ayant pour but de déterminer une valeur d'une grandeur.

La mesure (x) :
C'est l'évaluation d'une grandeur par comparaison avec une autre grandeur de même nature prise
pour unité.
Exemple : 2 mètres, 400 grammes, 6 secondes.

La grandeur (X) :
Paramètre qui doit être contrôlé lors de l'élaboration d'un produit ou de son transfert.
Exemple : pression, température, niveau.
On effectue des mesures pour connaître la valeur instantanée et l'évolution de certaines grandeurs.
Renseignements sur l'état et l'évolution d'un phénomène physique, chimique, industriel.

L'incertitude (dx) :
Le résultat de la mesure x d'une grandeur X n'est pas complètement défini par un seul nombre. Il
faut au moins la caractériser par un couple
(x, dx) et une unité de mesure. dx est l'incertitude sur x. Les incertitudes proviennent des
différentes erreurs liées à la mesure.
Ainsi, on a : x-dx < X < x+dx
Exemple : 3 cm ±10%, ou 3 cm ± 3 mm.

Erreur absolue (e) :

Résultat d'un mesurage moins la valeur vraie du mesurande. Une erreur absolue s'exprime dans
l'unité de la mesure.
e=x-X
Exemple : Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance.

Erreur relative (er) :

Rapport de l'erreur de mesure à une valeur vraie de mesurande. Une erreur relative s'exprime
généralement en pourcentage de la grandeur mesurée.
er = e/X ; er% = 100 er
Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la distance réelle).

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3. es types d’erreurs classiques :

a. Erreurs systématiques :

b. Erreurs accidentelles :

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4. Les caractéristiques d’un capteur :

Les capteurs sont les premiers éléments d’une chaîne de mesure ou chaîne d’acquisition de données.

Ce sont les interfaces entre le "monde physique" et le "monde électrique".

Il est fondamental de connaître avec précision les caractéristiques d’un capteur afin de pouvoir déterminer
les limites de fonctionnement de celui-ci.

Sensibilité :
Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée.

Exemple : Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV / °C.

Précision :
Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.

Rapidité :
Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.

Caractéristique d’une chaîne de mesure :

Généralement, elle est constituée de 3 parties :

- acquisition des données (analogique) capteurs, conditionneurs, amplificateurs,
multiplexage.
- transformation des données
Conversion Analogique Numérique
- traitement des données calculateur

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-on appelle corps d’épreuve celui en contact direct avec le mesurande

-Un capteur sensible aux variations d'une grandeur physique et qui, à partir de ces variations,
délivre un signal électrique.

-Un conditionneur de signal dont le rôle principal est l'amplification du signal délivré par le
capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unité de numérisation; cet étage peut parfois
intégrer un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal.

-Une unité de numérisation qui va échantillonner le signal à intervalles réguliers et affecter un

nombre (image de la tension) à chaque point d'échantillonnage.

- L'unité de traitement informatique peut exploiter les mesures qui sont maintenant une suite de
nombres (enregistrement, affichage de courbes, traitements Mathématiques, transmissions des
données …)

5. Classification des capteurs :

. Classification des capteurs en fonction :
du mesurande qu'il traduise (capteur de température, de pression, ...)
de leur rôle dans un processus industriel (contrôle de produits finis, de sécurité, ...)
du signal qu’ils fournissent
- capteur analogique (catégorie la plus importante)
- capteur logique (key sensor)
- capteur digitaux
de leur principe de traduction du mesurande (capteur résistif, à effet de Hall, ...)
de leur principe de fonctionnement :

-Capteurs passifs :
Il s’agit d’impédances (très souvent des résistances) dont l’un des paramètres déterminants est
sensible au mesurande.
- Capteurs actifs :
Fonctionnent en générateur en convertissant la forme d’énergie propre au mesurande en énergie
électrique.

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a. Capteurs passif :
Le capteur se comporte en sortie comme un dipôle passif qui peut être résistif, capacitif ou
inductif.
Le tableau résume les effets utilisés pour réaliser la mesure en fonction du mesurande.

b. Capteurs actifs :

La sortie du capteur est équivalente à un générateur. C’est un dipôle actif qui peut être du type
courant, tension ou charge.

Le tableau résume les principes physiques mis en jeu.

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Effet thermoélectrique :

C’est le principe de tout le thermocouple. C’est un circuit formé de deux conducteurs

chimiquement différents dont les jonctions J1 et J2 sont à des températures différentes (T1
et T2) induisent une force électromotrice (fém.) proportionnelle à la différence de
température.
Ex. : Thermocouple

Courbes caractéristiques pour différents thermocouples :

Tension des thermocouples en fonction de la température.

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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 photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous

l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde
électromagnétique.

- Effets piézo-électrique :
L’application d'une contrainte mécanique à certains matériaux (Ex. cristaux de
quartz) entraîne une déformation qui crée des charges électriques égales et de
signes opposés sur les faces sous charge.

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Illustration du comportement d’une pastille piézo-électrique : La force appliquée crée un

signal électrique

Effet direct de la piézo-électricité : FORCE ⇨ DEFORMATION ⇨ TENSION

Effet d'induction électromagnétique:

La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension
électrique (l’apparition d’une force électromotrice)
détection de passage d'un objet métallique.
 d
e
dt

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Effet Hall :
Ce qu’on appelle effet Hall est l’apparition d’une différence de potentiel et d’un champ
électrique transversal dans un conducteur, lorsque celui-ci est parcouru par un courant
électrique et plongé dans une induction magnétique perpendiculaire à la direction de ce
courant. On peut le schématiser relativement simplement par le dessin suivant:

La tension qui règne entre les deux faces est appelée tension de Hall :
vH  HE  vBH
avec H : distance parcouru par les électrons ; v : vitesse des électrons

La vitesse des électrons est liée à l’expression de I par la relation :

I  Nqav

Ou N est le nombre de porteurs de charge par et a=HZ la section du conducteur (Z

étant l’épaisseur du conducteur).
Tension hall :
1 I
vhall  B
Nq Z
Constante de Hall :
1
K hall 
Nq

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Performance du capteur :
De manière à classer les capteurs en fonction de leurs performances, on est amené à définir
des paramètres qui permettent de les sélectionner en fonction de l’application.

Etendue de mesure :

Elle est la plage de valeurs du mesurande pour lesquelles le capteur répond aux
spécifications des constructeurs.

Résolution :

Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.

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.

Sensibilité :
La sensibilité d’un capteur est une grandeur qui donne la valeur de la grandeur de sortie en
fonction du mesurande c.à.d. Variation du signal de sortie par rapport à la variation du
signal d'entrée.
La sensibilité S(m) d'un capteur est égale au rapport de la variation du signal électrique sur
la variation du signal physique.
 s 
S ( m)   
 m m

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Caractéristique statique d’un capteur :

Fidélité :
Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner, pour une même valeur de la grandeur
mesurée, des mesures concordant entre elles.

Justesse :
Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des mesures proches de la valeur vraie de
la grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n'étant pas prise en compte.

Précision :
Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner une mesure M proche de la valeur vrai m
de la grandeur mesurée.
Précision = Fidélité + Justesse

Exemple :

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Fidélité, justesse et précision :

a : capteur ni fidèle, ni juste (erreurs et incertitudes de mesure importantes)

b : capteur fidèle mais non juste

c : capteur juste mais non fidèle

d : capteur juste et fidèle, donc précis (erreurs et incertitudes de mesure réduites)

Rapidité :
La rapidité c’est le temps de réaction du capteur. Elle est liée à la bande passante.

Choix du capteur :
Le choix d’un capteur approprié s’effectue en vérifiant que ses caractéristiques
métrologiques sont compatibles avec les conditions imposées par le cahier des charges.
Ces conditions sont de deux types :
- Conditions sur la mesurande
- Conditions sur l’environnement de la mesure

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Exemple de condition à prendre en compte :

Mesurande Capteur
(conditions imposées) (caractéristiques métrologiques)
Plage de variation Etendue de la mesure
Variation minimale à mesurer résolution
Spectre de fréquence ou vitesse de rotation Bande passante
Précision de mesure Erreur de linéarité, erreur d’hystérésis
Composition de l’atmosphère protection

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