GÉNÉRALITÉS SUR LES CAPTEURS I. Les chaînes de mesure : La structure de base d’une chaîne de mesure comprend au minimum 3 étages : 1. Un capteur : Le capteur est un dispositif qui soumis à l'action d'un mesurande non électrique, fournit une information ou un signal qui peut être :Mécanique ; Electrique : Tension, intensité... ; Et de nature logique ou Analogique. 2. Un conditionneur : son rôle consiste à traiter le signal généré par le capteur : linéarise, filtre, convertit, amplifie... 3. Un afficheur ou un lecteur : Permet la lecture du mesurande sur : Une échelle graduée d'un appareil à cadre mobile. Exemple : Voltmètre. Grandeur physique Capteur Un enregistreur papier…. Condition neur Signal électrique Afficheur Signal traité II- Capteur Dispositif de métrologie chargé de traduire les variations d'un procédé physico-chimique en une grandeur exploitable. 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 afin de faire le contrôle ou C’est également, l’élément qui va permettre sous l’effet du mesurande d’en délivrer une image exploitable (signal électrique par exemple). On parle aussi de transducteur, la grandeur physique d’entrée (le mesurande) étant transformée en une autre grandeur physique de sortie ou en un signal électrique. Mesurande : c’est la grandeur physique d’entrée du capteur ou la grandeur direct ou intermédiaire qu’on cherche à mesurer. Dans les automatismes industriels on cherche souvent à mesurer : la température, la pression, le niveau, le débit, le couple, le déplacement, la vitesse, l’accélération, la distance,… Grandeur de sortie : elle est généralement de type électrique. Elle peut être soit : une charge, une tension, un courant ou une impédance (R, L, C). Les capteurs sont des composants de la chaîne d'acquisition dans une chaîne fonctionnelle. Les capteurs prélèvent une information sur le comportement de la partie opérative et la transforment en une information exploitable par la partie commande. Une information est une grandeur abstraite qui précise un événement particulier parmi un ensemble d'événements possibles. Pour pouvoir être traitée, cette information sera portée par un support physique (énergie), on parlera La figure ci-dessous montre les différents types de signaux que l’on peut rencontrer. Signal analogique Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné. Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit, niveau. Forme : C'est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie, impact. Signal numérique Un signal est numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une puissance de 2. Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un état bivalent d'un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée. Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état. Exemple III- Classifications des capteurs: On peut classifier les capteurs sur la base de consommation ou pas de l’énergie. Dans ce cas on pourrait les classifier en deux catégories : capteurs actifs ou passifs. un capteur actif produit lui-même le signal de sortie électrique par conversion de l’énergie fournie par la grandeur d’entrée ou de ses variations. On peut schématiser (figure ci-dessous) ce Les principes physiques mis en jeu sont présentés ci-dessous. Effet thermoélectrique : c’est le principe de tout thermocouple. C’est un circuit constitué de deux conducteurs de nature chimique différente et dont les jonctions sont à des températures différentes T1 et T2. Il apparaît aux bornes de ce circuit une tension (force électromotrice) liée à la différence de température (T1-T2). Pyroélectricité : certains cristaux présentent une polarisation électrique proportionnelle à leur température. Ainsi, en absorbant un flux de rayonnement, le cristal pyroélectrique va s’échauffer et ainsi sa polarisation va se modifier entraînant une variation de tension détectable. Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées. Le phénomène est réversible. Effet d'induction électromagnétique (Loi de Faraday): La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique. Effet piézoélectrique et effet induction électromagnétique Effet photoélectrique : sous l’influence d’un rayonnement lumineux, le matériau libère des charges électriques et celles-ci en fonction du rayonnement. Effet Hall : un semi-conducteur de type parallélépipède rectangle, placé dans une induction B et parcouru par un courant I, voit l’apparition, dans la direction perpendiculaire au courant et à l’induction, d’une différence de potentiel qui a pour expression : a) Effet photoélectrique – b) effet Hall CAPTEURS À EFFET PHOTOÉLECTRIQUE 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. 2Les photorésitances 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 ). Avantages : - bonne sensibilité - faible coût et robustesse. Inconvénients : - temps de réponse élevé - bande passante étroite - sensible à la chaleur. 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 ( Lux ) de la jonction PN. 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). 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. L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu'en intégrant le capteur dans un circuit de conditionnement électronique qui permet son alimentation et l’adaptation du signal à la sortie. schéma blocs d’un capteur passif Le tableau ci-dessous résume, en fonction du mesurande, les effets utilisés pour réaliser la mesure. On peut également classer les capteurs, en fonction du type de grandeurs physiques à mesurer, en 6 familles : - Capteurs Mécaniques : déplacement, force, masse, débit etc… - Capteurs Thermiques : température, capacité thermique, flux thermique etc... - Capteurs Electriques : courant, tension, charge, impédance, diélectrique etc… - Capteurs Magnétiques : champ magnétique, perméabilité, moment magnétique etc… - Capteurs Radiatifs : lumière visible, rayons X, micro-ondes etc... VI- CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION 1- Capteurs à jauges a- Principe La résistance d'un conducteur est donnée par la relation: La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R. 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) 2- 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 : 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). 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 ) 3- Capteur de force Schéma : La tension VS de sortie sera proportionnelle à la force F : VS = k.(F+F) = 2k.F avec k constante.
