Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on a besoin de contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position, vitesse, luminosité, ...). Le capteur est l'élément indispensable à la mesure et au contrôle de ces grandeurs physiques.

1. Définition.

Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.

 

2. Classification.

    Si on s’intéresse à la nature de la commande, on distingue les capteurs à commande mécaniques et les capteurs à commande électronique.

 

2.1. Les capteurs à commande mécanique.

    Dès qu’une grandeur physique est détectée (ou change d’état), ils délivrent en sortie un signal électrique ou une pression pneumatique. Ils fonctionnent en Tout Ou Rien (TOR). Par exemple :

• Les capteurs à commande manuelle destinés à l’équipement des pupitres et des postes de commande comme des boutons poussoirs, les boutons à 2 ou 3 positions. La commande est fournie par l’opérateur ;
• Les interrupteurs de position situés sur la partie opérative, ils détectent par contact la présence d’une partie mobile (par ex : la tige d’un vérin).

 

2.2. Les capteurs à commande électronique.

    Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs électroniques, on peut les classer en deux catégories : les capteurs actifs et les capteurs passifs.

 

a) 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). Les effets physiques les plus classiques 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 U_H.
• 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 de conversion grandeurs physiques - signal électrique

Grandeur physique mesurée	Effet utilisé	Signal de sortie
Température	Thermoélectricité	Tension
Flux de rayonnement optique	Photo-émission	Courant
Flux de rayonnement optique	Effet photo-voltaïque	Tension
Flux de rayonnement optique	Effet photo-électrique	Tension
Force	Piézo-électricité	Charge électrique
Pression	Piézo-électricité	Charge électrique
Accélération	Induction électromagnétique	Tension
Vitesse	Induction électromagnétique	Tension
Position (Amant)	Effet Hall	Tension
Courant	Effet Hall	Tension

b) 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 :

• 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).

Quelques matériaux de base des capteurs

Grandeur mesurée	Caractéristiques électrique sensible	Type de matériau utilisé
Température	Résistivité	Métaux: Platine, Nickel, Cuivre
Très basse température	Constante diélectrique	Verre
Flux de rayonnement optique	Résistivité	Semi-conducteur
Déformation	Résistivité	Alliage de Nickel, Silicium dopé
Déformation	Permébilité magnétique	Alliage ferromagnétique
Posistion (Aimant)	Résistivité	Matériaux magnéto-résistants: Bismuth, Antimoine d'Indium
Humidité	Résistivité	Chorure de Lithium

 

3. Exemples de capteurs.

3.1. Capteurs à effet piézoélectrique.

a) Effet piézoélectrique.

Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une tension électrique.

b) Capteur de force.

 

c) Capteur de pression.

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.

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).

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.

d) Capteur d'accélération.

e) Récepteur à 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.

3.2. Capteurs à effet hall.

a) L'effet Hall.

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 U_H sur deux de ses faces.

b) Capteur de champ magnétique.

La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :

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

c) Autres applications.

• Capteur de proximité.

Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé au préalable sur un objet.

• Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit.

Avantage :

• Plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
• as de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit).
• Rapidité d'intervention.

3.3. Capteurs à effet photoélectrique.

a) 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.

b) Les photorésistances.

Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit.

Exemple :

• Obscurité                               R₀ = 20MΩ (0lux).
• Lumière naturelle                  R₁ = 100kΩ (500lux).
• Lumière intense                     R₂ = 100Ω (10000lux).

Courbe :

Avantage :

• 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).

c) Les photodiodes.

Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux.

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).

Avantage :

• Bonne sensibilité ;
• Faible temps de réponse (bande passante élevée).

Inconvénients :

• Coût plus élevé qu'une photorésistance ;
• Nécessite un circuit de polarisation précis.

Utilisations : Transmission de données.

Courbe : Le graphe I = f(U) pour une photodiode dépend de l'éclairement (Lux) de la jonction PN.

d) Codes à barres.

Ce procédé de détection, dont l’invention remonte en 1950, permet une identification précise et sans erreur d’un produit. Il est très employé dans les domaines agro-alimentaires, pharmaceutiques et industriels. Une étiquette, composée de barres noires et blanches alternées verticales, est lue par un crayon optique. Il existe deux familles de codes :

• Les codes dits ”alimentaires” composés de barres et d’espaces dont la largeur peut varier de 1 à 3 ;
• Les codes industriels toujours composés de barres et d’espaces larges représentant le 1 logique et de barres et d’espaces minces représentant le 0 logique ;

Le lecteur/décodeur a pour rôle de lire, de décoder puis de transmettre l’information d’une étiquette particulière vers une unité de traitement. Il fonctionne comme une caméra vidéo analysant une image électronique.

Avantage :

L’information portée par un code à barres est fiable (un code mal imprimé demeure lisible), facile à imprimer, économique, se limitant à une étiquette donc simple.

3.4. Capteurs à résistance variable par déformation.

a) Capteurs potentiométriques de déplacement.

Principe.

Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un

potentiomètre (schéma ci-dessous).

La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur.

Avantages.

• Simplicité d'utilisation ;
• Faible coût.

Inconvénient.

• Usure mécanique (utilisation déconseillée dans les asservissements très dynamiques).

Utilisations.

• Mesures de déplacements rectilignes (potentiomètre rectiligne) ;
• Mesures d'angles de rotations (potentiomètre rotatif mono-tour ou multi-tour) ;
• 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.

b) Capteur à jauges d’extensiométrie.

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).

Remarque : Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R₀ - ∆R.

Conditionneur de 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". Il est ici constitué d'un générateur de tension associé à 4 résistances dont une est la jauge (schéma ci-dessous) :

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.

3.5. Capteurs de température.

a) Thermomètre à thermocouple.

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

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

b) 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 :

c) 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 :

• Les capteurs à sortie I2C (2 fils) 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).

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 T_OUT même lorsque le capteur est déconnecté du matériel informatique.

• Les capteurs 1 Wire ou i-button (1 fil) DS1820. 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 à 12 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. 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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2016-12-12 06:20:24 / mazoughou@magoe.gn