Métrologie et capteurs : Généralités et propriétés

Chapitre 1 : Métrologie et généralités sur les capteurs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------
1
1. Généralités :
1. Définition
Un capteur est un organe chargé de prélever une grandeur physique(
température, humidité, distance, concentration, force…..) à mesurer et de la
transformer en une grandeur électrique exploitable (courant, tension, charge ….).
C'est le premier maillon de toute une chaîne de mesure, acquisition de données,
de tout système d'asservissement, régulation, de tout dispositif de contrôle, ...
On peut classer les grandeurs physiques en 6 familles
 Mécanique : déplacement, force, masse, débit etc…
 Thermique : température, capacité thermique, flux thermique etc...
 Electrique : courant, tension, charge, impédance, diélectrique etc…
 Magnétique : champ magnétique, perméabilité, moment magnétique etc…
 Radiatif : lumière visible, rayons X, micro-ondes etc...
 (Bio)Chimique : humidité, gaz, PH, sucre, hormone etc…
Exemple:Quels sont les différents capteurs que l'on peut retrouver dans une voiture moderne ?
- Capteur de température d’eau, huile et
air
- Capteur de position de pédale
- Capteur PMH et Capteur d'arbres à
cames
- Capteur de pression d'admission
- Capteur pression carburant / injection
- Sonde à oxygène / lambda
- Capteur de pression échappement
- Capteur de cliquetis
- Capteur de vitesse
- Capteur d'accélération
- Capteur d'angle volant / de braquage
- Capteur de pluie, Capteur de luminosité, Détecteur d'obstacle (radar de recul) ,
Capteur de pression des pneus , camera stéréo, radar , capteurs de niveau (huile
carburant et eau)…..

Chapitre 1 : Métrologie et généralités sur les capteurs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------
2
Notre perception de l’univers est basée sur nos cinq sens : la vue, l’odorat, l’ouïe,
le goût, le toucher. Bien que ces sens suffisent amplement pour la vie courante, il
reste des domaines interdits : on ne peut pas voir à travers une paroi opaque par
exemple. On ne peut pas non plus voir dans l’obscurité, toucher des objets
derrière une vitre, entendre un son de fréquence très haute (ultrason) ou très
basse (infrason),…
Par ailleurs, le besoin de l’automatisation nécessite de remplacer nos sens par
des dispositifs artificiels dans des contextes pénibles ou dangereux pour des
humains. Ainsi, la caméra remplace l’oeil, le micro remplace l’oreille, le palpeur
remplace le toucher. Des nez et des langues électroniques sont en passe de
pouvoir goûter les aliments, ...En bref, les dispositifs, qui nous aident à « sentir »
le monde extérieur, soit pour remplacer nos sens existants, soit pour élargir nos
capacités de perception sont appelés « capteurs ».
Par exemple la caméra est un capteur optique car son fonctionnement est basé
sur des principes de transmission de la lumière. Le palpeur est un capteur
mécanique. Le nez électronique est un capteur chimique. Le capteur inductif, lui,
fait partie de la famille des capteurs électromagnétiques basses fréquences, car
ce sont les champs électrique et magnétique de basses fréquences qui
transmettent les informations.

Chapitre 1 : Métrologie et généralités sur les capteurs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------
3
2 - Classification des capteurs
La grandeur de sortie du capteur peut varier :
 de manière binaire (information vraie ou fausse), c'est le capteur Tout
Ou Rien (TOR);
 de façon progressive (variation continue), c'est le capteur analogique;
 d'échelon de tension ou de courant, c'est le capteur numérique.
3- Propriétés statiques
3.1. Sensibilité S
C’est le coefficient qui lie la grandeur physique d’entrée à mesurer à la
grandeur électrique de sortie (courant, tension, charge).
)(
)(
Entréed
Sortied
S
Exemple : - Un capteur de pression a pour fonction de transfert : V(P) = a.P + V0
(P : pression et V la tension à la sortie du capteur) => la sensibilité est
Sc = dV/dP = a = 1mV/hPa.
- Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV / °C.
- un microphone : S = 46,2 mV/Pa
- un thermocouple : S = quelques dizaines de μV/°C (selon leurs types)

Chapitre 1 : Métrologie et généralités sur les capteurs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------
4
3.2 Linéarité
Un capteur est linéaire si sa sensibilité est constante. La relation entre la
grandeur physique à mesurer et la grandeur électrique est alors linéaire
(équation d’une droite).
Exemple : variation de la résistance avec la température :
o Cas d’une résistance à fil de platine (sonde Pt100):
R(T)= R0 (1 + a T) => Sc = dR/dT = a.R0 = 0,385Ω/°C est une constante => capteur linéaire.
o Cas d’une thermistance (matériau semi-conducteur) : R(T) = a.e b/T =>
T
b
2
ce
T
ab
T
R
S
=> Sc dépend de T => capteur non linéaire.
La linéarité est une caractéristique qui définit la constance de la sensibilité sur
toute la plage de mesure. Le polynôme de l'équation décrivant la relation entre le
signal d'entrée x et le signal de sortie y doit être de premier degré (y = mx + b)
pour que le capteur soit considère comme linéaire. Si le capteur n'est pas
linéaire, la relation entrée/sortie peut être approximée par une équation du
premier degré, mais il faut accepter l'imprécision causée par cette
approximation.
L'écart de linéarité est exprimé par un pourcentage de l'étendue de mesure. Par
exemple, si un capteur de force ayant une étendue de mesure de 0 a 5 000 N a
un écart de linéarité de 0.5 % E.M., cela implique une erreur (due à la non-
linéarité) de 25 N dans le pire des cas. Voyons, par un exemple, comment se
calcule la linéarité. Soit un capteur de déplacement dont on mesure la tension de
sortie pour différentes positions. La Table suivante donne le résultat de ces
mesures.

Chapitre 1 : Métrologie et généralités sur les capteurs
----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- -------
5
Selon le manufacturier, le capteur de déplacement possède une étendue de
mesure de 0 à 90 millimètres et génère une sortie variant de 0 à 5 volts. Pour
calculer la linéarité, il faut évaluer dans un premier temps, la pente et l'ordonnée
à l’ origine de la droite approximant le mieux les mesures faites. Pour la méthode
de la régression linéaire, les équations à appliquer sont pour trouver la pente :
Dans ces deux équations, les xi représentent les valeurs en entrée (mesurande)
et les yi sont les valeurs en sortie du capteur. Le nombre de points considère
dans ce calcul est n. En appliquant ces équations sur les valeurs de la Table
précédente, on trouve que la pente de la caractéristique du capteur est 0.0577
V/mm et son ordonnée à l’ origine est de -0.019 volts. A partir de ces valeurs la
caractéristique théorique est :
3.3 Non-linéarité
La non-linéarité est la déviation maximale de la réponse du capteur sur l'étendue
de mesure, par rapport à la fonction de transfert linéaire.
Erreur relative de linéarité