Capt Eurs

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1. Dé Défi fini niti tion on Un capteur est un composant qui permet de prélever et coder une information. Il convertit une grandeur physique à mesurer mesurer ou Mesurande Mesurande : température, température, vitesse, position, pression, pression, niveau, débit, débit, en une autre grandeur physique mesurable qui est un signal généralement électrique ou pneumatique. Figure 1 : Rôle général général d’un capteur Grandeur physique à mesurer

Grandeur physique mesurable

Prélever et Coder

2. Clas Classifi sificati cation on des capte capteurs urs Selon la nature du signa signall de sortie des capteurs on peut les classer classer en trois catégories : Signal Signal logique logique : L’information ne peut peut prendre que les valeurs valeurs 1 ou 0. On parle alors d’un détecte détecteur ur Tout Ou Rie Rienn "TOR "TOR"". La figure figure 2a présente la caractéristique caractéristique d’un thermostat réglé à une température température de 25°C. 

Sign Signal al anal analog ogiq ique ue : L’information peut prendre toutes les valeurs possibles entre 2 certaines valeurs limites. limites. On parle alors alors d’un capteur analogique. analogique. La figure 2b montre montre la caractéristique caractéristique d’un thermomètre analogique. 

Signa Signall numériq numérique ue : L’information fournie par le capteur est un nombre binaire codé sur n bits. On parle alors d’un codeur numérique. numérique. La figure figure 2c illustre la caractéristique caractéristique d’un d’un thermomètre numérique. numérique. 

Figure 2 : Classification Classification des des capteurs capteurs Sortie logique

Sortie Sortie analo analogiq gique ue 2a

1 0 25

°C

5V

Sortie Sortie numéri numérique que 2b

0V 25

°C

2c

111111

000000 25

°C

3. Cara Caractér ctéristi istiques ques d’un d’un capteur capteur Les principales caractéristiques caractéristiques d’un capteur sont sont : L'étendue de la mesure : C'est la différence différence entre le plus petit signal détecté détecté et le plus grand perceptible sans sans risque de destruction destruction du capteur. 

La sensibilité : Ce paramètre paramètre caractérise caractérise la capacité du capteur capteur à détecter détecter la plus petite petite variation de la grandeur grandeur physique à mesurer. mesurer. C’est le rapport rapport entre la variation variation   V du signal signal électrique de sortie pour pour une variation donnée   Xm de la grandeu grandeurr physique physique d’entrée d’entrée à mesure mesurerr : S = V/ Xm. 

La fidélité : Un capteur est est dit fidèle fidèle si le signal qu’il qu’il délivre en sortie ne varie pas dans le temps pour une série de mesures concernant la même valeur de la grandeur physique d’entrée à mesurer.



La précision : Elle caracté caractérise rise l'aptit l'aptitude ude d'un d'un capteur capteur à donner donner une mesure mesure proche proche de la valeur valeur réelle réelle de la grandeur grandeur physique d’entrée à mesurer. mesurer. 

La rapidité : C'est le temps de réponse ou ou de réaction réaction d'un capteur. capteur. Il caractérise le temps mis entre la variation de la grandeur physique d’entrée à mesure et la variation variation correspondante correspondante du du signal signal de sortie. 

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4. Capteurs logiques TOR : Tout Ou Rien Les capteurs logiques TOR fournissent une information logique, généralement sous forme d'un contact électrique qui se ferme ou s'ouvre suivant l'état du capteur.

41. Capteurs avec contact : Détecteurs de position Un détecteur de position, appelé souvent détecteur de présence, est un interrupteur commandé par le déplacement d'un organe de commande. Lorsque ce dernier est actionné, il ouvre ou ferme un contact électrique. La figure 3a donne la gamme des interrupteurs de position. Figure 3 : Détecteurs de position 3a

Symbole

42. Capteurs sans contact : Détecteurs de proximité 421. Détecteur de proximité inductif Ce type de capteur est réservé à la détection sans contact d'objets métalliques. La technologie des détecteurs de proximité inductifs est basée sur la variation d'un champ magnétique à l'approche d'un objet métallique(conducteur du courant électrique). Figure 4 : Détecteur de proximité inductif 3 fils

2 fils

Symboles 422. Détecteur de proximité capacitif Les détecteurs capacitifs présentent l'avantage de pouvoir détecter à courte distance la présence de tous types d'objets. La technologie des détecteurs de proximité capacitifs est basée sur la variation d'un champ électrique à l'approche d'un objet quelconque(toute matière). Figure 5 : Détecteur de proximité capacitif

Symbole

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423. Détecteur de proximité magnétique Un interrupteur à lame souple ILS est constitué d'un boîtier à l'intérieur duquel est placé un contact électrique métallique souple sensible aux champs magnétiques. Lorsque le champ est dirigé vers la face sensible du capteur le contact se ferme. La figure 6a illustre le principe de fonctionnement d’un capteur ILS. Figure 6 : Capteur de proximité magnétique ILS Présence d’un champ magnétique : Absence d’un champ magnétique : Contact fermé Contact ouvert

6a Aimant permanent

Symbole 424. Détecteur de proximité photoélectrique

Les cellules photoélectriques permettent de détecter sans contact tous les matériaux opaques ou réfléchissants, conducteurs d’électricité ou non. Ce type de capteurs se compose essentiellement d'un émetteur de lumière associé à un récepteur photosensible(voir figure 7a). On distingue trois systèmes de base pour détecter un objet à l’aide d’un capteur de proximité : Système barrage(voir figure 7b) : L’émetteur et le récepteur sont dans deux boîtiers séparés. L’objet est détecté lorsqu’il interrompt le faisceau lumineux. Ce système autorise les plus grandes distances,  jusqu’à 30m.  Système reflex(voir figure 7c) : L’émetteur et le récepteur sont dans un même boîtier. Le faisceau lumineux émis est renvoyé vers le récepteur par un réflecteur. La détection se fait par coupure du faisceau. La portée est plus faible que dans le système barrage(10 à 15m).  Système proximité(voir figure 7d) : L’émetteur et le récepteur sont dans un même boîtier. La détection se fait lorsque le faisceau lumineux est renvoyé par l’objet. La portée est plus faible qu’avec le système reflex, elle est fonction de la couleur de l’objet, de son pouvoir réfléchissant et de ses dimensions. Elle augmente si l'objet est de couleur claire ou de grande dimension. Figure 7 : Détecteur de proximité photoélectrique 

7b

7a Cible

Emetteur

Récepteur

Symbole

Emetteur Récepteur

Récepteur

Emetteur

7c Cible

7d Emetteur Récepteur

Cible

Réflecteur

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5. Capteurs numériques 51. Codeur optique incrémental Pour déterminer la position angulaire d'un axe on peut fixer sur cet axe un disque comportant au maximum 3 pistes :  Une

piste principale A divisée en « N » fentes régulièrement réparties.  Une piste d’indication de sens de rotation B décalée par rapport à A de 90°(1/4 de tour).  Une piste « top zéro » Z qui ne contient qu’une seule fente et permet de compter le nombre de tours ainsi que la réinitialisation du compteur à chaque tour. La figure 8a montre un exemple d’un codeur optique incrémental de 16 positions. Un système optique est disposé à proximité du disque pour « lire » les secteurs(voir figure 8b). Le comptage-décomptage des impulsions par l’unité de traitement permet de définir la position angulaire du mobile(voir figure 8c). La résolution q du capteur est telle que q=360°/N(capteur à N positions). Figure 8 : Codeur optique incrémental B A

D

Q

Up/Down Position N

Ck Ck

8a

8c

8b

52. Codeur optique absolu Le codeur absolu utilise un principe comparable mais fournit un signal numérique codé en binaire sur N bits. A chaque bit correspond une piste de manière que la lecture de toutes les pistes en parallèle donne un mot binaire image de la position angulaire du disque. Le code utilisé pour représenter les positions est généralement le code Gray. La résolution de ce type de capteur est de 360°/2N, on dit aussi qu'il s'agit d'un capteur à 2N positions. La figure 9a montre un exemple d’un codeur optique absolu de 16 positions. La figure 9b représente un exemple d’un codeur optique absolu de 256 positions. Figure 9 : Codeur optique absolu 256 Positions

16 Positions

9b

9a

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6. Capteurs analogiques 61. Classification des capteurs analogiques 611. Capteurs passifs Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La figure 10 résume les paramètres caractéristiques pour chaque type de capteur passif. Figure 10 : Capteurs passifs Grandeur de traduction R

C

L



Transformations possibles Résistance R : R=f(, L, S).  résistivité, L longueur, S section. Capacité C : C=f(S, e,  ). S surface des armatures, e distance entre armatures,   permittivité. Inductance L : L=f(L, S, n, ). L longueur de la bobine, S surface d’une spire, n nombre de spires,  perméabilité.

Remarque :

Les capteurs passifs sont souvent associés aux conditionneurs pour réaliser la mesure de la grandeur physique sous forme d’un signal électrique. Les types de conditionneurs les plus généralement utilisés sont :  Montage

potentiométrique.  Pont de « Wheatstone ».  Circuit oscillant. 612. Capteurs actifs Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à prélever : énergie thermique, mécanique ou de rayonnement.

62. Effets physiques les plus classiques 621. Effet piézoélectrique (figure11a) L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique sur une lame de quartz entraîne une déformation du cristal qui donne naissance à une tension électrique  e= .F Applications : Mesure de force, pression, accélération, etc. 622. Effet photoélectrique (figure 11b) Le principe se base sur la libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux(éclairement) ou plus généralement d'une onde électromagnétique  e= . Application : Mesure du flux lumineux(éclairement).

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623. Effet thermoélectrique (figure 11c) Le principe de la mesure est basé sur l’association de deux fils en métaux de nature différente(fer et cuivre par exemple) connectés à leurs deux extrémités. Un courant continu circulera dans la boucle ainsi formée s’il y a une différence de température entre les extrémités appelées « jonctions » ou « soudures ». On distingue la jonction chaude portée à la température T c et la jonction froide portée à la température T f. La tension obtenue e est directement liée à la différence de température et un coefficient   dépendant de la nature des deux métaux constituant le thermocouple   e= .(T c-T f)= . T  Application : Mesure de T c dans le cas où T f=0°C    thermocouple. 624. Effet Hall (figure 11d) 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 e sur deux de ses faces. C’est la tension de Hall définie par la relation e=(RH.I.B)/d avec :  RH : Constante de Hall (dépend du semi-conducteur).  I : Intensité du courant(A).  B : Intensité du champ magnétique(T).  d : Epaisseur du barreau de silicium(m). Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension proportionnelle au champ magnétique B : e=k.B avec k constante égale à (RH.I)/d. Application : Mesure de l’intensité du champ magnétique. Figure 11 : Effets physiques les plus classiques Eclairement Force

11a

11b

11c

i Matière

e

e

Cristal

11d

Fer

I

Jonction T c Jonction T f Cuivre

V e

Cuivre

d

B

B

I e

63. Exemples de quelques capteurs analogiques usuels 631. Capteurs de température 6311. Thermistances

Les thermistances sont des résistances dont la valeur varie avec la température. On appelle CTN une thermistance à Coefficient de T empérature Négatif : sa résistance diminue lorsque la température augmente. On appelle CTP une thermistance à Coefficient de T empérature Positif : sa résistance augmente lorsque la température croît. La figure 12a représente un exemple de caractéristique d’une thermistance CTN. Pour traduire la température mesurée sous forme d’un signal électrique, on utilise, à titre d’exemple, le montage conditionneur de la figure 12b. On aura ainsi une tension Vs image de la température mesurée VS=VCC.[RCTN/(RCTN+R)]

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Figure 12 : Thermistances CTN

+VCC

12a

12b

R

CTP

-

RCTN

+

VS

Symboles 0V 6312. Circuit intégré spécialisé

IL existe des composants électroniques spécialisés, conçus pour la mesure de température. Ces circuits permettent d’avoir une tension qui varie linéairement avec la température. A titre d’exemple on propose le LM335 qui se loge dans des différents types de boîtiers comme l’indique la figure 13a. La figure 13b illustre la caractéristique du LM335 donnant la tension Vz image de la température   . Pour mettre en œuvre le LM335, on propose le montage de la figure 13c avec :  La résistance R doit être déterminée de telle sorte que I z soit compris entre 0,4mA et 5mA.  Le potentiomètre P est facultatif. Il permet d’ajuster la tension du 0°C(décalage). Figure 13 : Capteur de température LM335 SO-8

13a

+VCC

13b

Iz

13c

R Vz TO-92

Iz

TO-46

P

Vz

Symbole

0V 632. Capteurs de lumière 6321. Photorésistance LDR

C’est un résistor qui possède une résistance qui varie en fonction de l’intensité lumineuse reçue. Cette résistance est très élevée dans l’obscurité(de 1 à 100 M ), puis elle diminue pour atteindre quelques centaines d’Ohms sous un éclairement intense(10 3 lux par exemple). La figure 14a représente un exemple de caractéristique d’une photorésistance donnant sa résistance en fonction de l’éclairement. Figure 14 : Photorésistance R(M ) LDR Symbole

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14a

10 0 50

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Eclairement E(Lux)

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6322. Photodiode PD

C’est une diode à jonction qui fonctionne en polarisation inverse. Son boîtier est transparent à une de ses extrémités et comporte une lentille convergente pour la concentration des rayons lumineux. Ces rayons éclairent la jonction, créant un courant inverse, appelé courant photoélectrique, qui est proportionnel à l’intensité lumineuse reçue. La figure 15a représente un exemple de caractéristique d’une photodiode donnant le courant qui la traverse en fonction du rayonnement. Figure 15 : Photodiode PD I(µA)

I V

15a

20

PD 0

Symbole

20

Rayonnement (nW/Cm2)

6323. Photopile

Utilisant le principe de la photodiode, une cellule photovoltaïque(aussi appelée souvent pile solaire ou photopile) se comporte comme un générateur en présence de lumière. On la distingue d'une photodiode par le fait que sa surface est nettement plus grande afin d'obtenir un courant plus important. Figure 16 : Cellules photovoltaïques

633. Capteurs potentiométriques de déplacement Principe de mesure du déplacement

Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un potentiomètre. On applique une tension continue VCC entre les extrémités A et B du potentiomètre(voir figure 17a). La tension de sortie V S aura l'expression VS=x.VCC qui est donc proportionnelle à la position x du curseur. Pour la mesure de déplacements rectilignes, on utilise les potentiomètres rectilignes et pour la mesure d’angles de rotations, on utilise les potentiomètres rotatifs monotour ou multitours. Figure 17 : Capteurs potentiométriques de déplacement A

VCC

P

P1 Px P0

Position x : Px=xP avec 0 x 1 Position 0 : P0=Pmin=0 Position 1 : P1=Pmax=P

17a (1-x)P VCC

C

C xP

VS

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A

VS=x.VCC

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634. Capteurs à base de jauges d’extensiométrie 6341. Principe

La résistance d’un conducteur est donnée par la relation R=( .l)/s. La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R. La relation générale pour les jauges est ( R/R0)=k.( l/l) avec k le facteur de la jauge qui dépend du matériau de celle-ci. Figure 18 : Jauge d’extensiométrie

R+ R

R- R Symboles

6342. 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. La figure 19 illustre le fonctionnement d’une jauge extensiométrique lors d’un effort de traction. Figure 19 : Fonctionnement d’une jauge d’extensiométrie Résistance mesurée R0 Support

Cor s déformable

Résistance mesurée R0+ R

Piste résistive Longueur l+ l Corps ayant subi un étirement (effort de traction)

Longueur l Corps au repos (pas d’allongement) 

Remarque :

Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait (R0- R). 6343. Conditionneur du signal(Pont de Wheatstone)

La jauge étant un composant purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique pour obtenir une tension image de la déformation. Le circuit souvent utilisé est appelé "pont de Wheatstone" dont le schéma du montage est celui de la figure 20. Figure 20 : Conditionnement du signal « Pont de Wheatstone »

VCC

R

R0 VS

R

R0 : Résistance réglée à la valeur R0 de la jauge au repos. RJ : Résistance de la jauge  de valeur égale à R0+ R. R : Résistances quelconques mais identiques.

RJ

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On démontre que VS=VCC. R/(4R0+2 R). En général, la variation  R est petite devant R0, la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire VS=VCC. R/4R0=k. R. La différence de potentiel est par conséquent proportionnelle aux variations de résistance et donc à celle de la contrainte(force). 

Remarque :

On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un pont à deux résistances et deux jauges symétriques(voir figure 21a) : La 1ère jauge RJ1=(R0+ R) et la 2ème jauge RJ2=(R0- R). Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une parfaite linéarité et éviter le problème de dérive avec la température(voir figure 21b). Figure 21 : Amélioration de la sensibilité et la linéarité de mesure RJ1

RJ1

RJ2

R0

VCC

RJ2 VCC

VS

RJ1 VS

RJ2

RJ3

RJ4

RJ2 R0

RJ1 RJ3

Modèle de 2 jauges

21a

RJ4 Modèle de 4 jauges

21b

6344. Applications des jauges d’extensiométrie

Parmi les capteurs construits à base des jauges extensiométriques, on cite à titre d’exemple les capteurs de force(figure 22a), de couple(figure 22b) et de pression(figure 22c). Figure 22 : Applications des jauges d’extensiométrie 22a

22b

22c

635. Capteur de vitesse C’est une machine à courant continu qui fonctionne en génératrice. En tournant elle développe une force contre électromotrice qui est proportionnelle à la vitesse. Figure 23 : capteur de vitesse

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