Cours d'automatique : Capteurs et instrumentation industrielle

H. EL FADIL 1
CHAPITRE 1 : Introduction à l’étude des capteurs
1.1 Définition de l’instrumentation :
L’instrumentation est une technique de mise en œuvre d’instruments de mesure,
d’actionneurs, de capteurs, de régulateurs, en vue de créer un système d'acquisition de
données ou de commande.
L'instrumentation est utilisée dans divers domaines et secteurs d'activités (industrie, recherche
et développement, universités, etc.). Elle va par exemple permettre :
 d'automatiser ;
 de faire des tests sur des produits (exemple : crash test) ;
 d'observer des phénomènes (travaux pratiques dans l'éducation) ;
 de simuler des vieillissements (tests répétitifs) ;
 de faire des contrôles qualité (sur des chaînes de production) ;
 d'alerter ou de surveiller.
1.2 Le rôle du capteur dans la régulation:
Le schéma s’un système en boucle fermée (BF) peut se présenter comme suit (figure 1.1):
Figure 1.1 : Schéma d’une régulation

Capteurs Ch-1 : Généralités
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On y voit bien l’importance de la mesure (notamment du capteur) dans la régulation
industrielle.
Exemple 1 : Régulation de niveau
Figure 1.2 : Exemple d’une régulation de niveau
Exemple 2 : Régulation de température :
Exemple 3 : Variation de vitesse d’un moteur électrique:
La commande vectorielle, aussi appelée commande à flux orienté (field-oriented control en
anglais), est une méthode de commande des variateurs de vitesse d'un moteur électrique à
courants alternatifs (figure 1.4). Dans cette figure on y voit clairement la nécessité de mesurer
les courants statoriques et l'angle de Park (la position du rotor).
Figure 1.3 : Régulation de température d’un échangeur thermique

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Figure 1.4 : Exemple de commande vectorielle d'un moteur triphasé
1.3 Définition d’un capteur:
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) (figure
1.5). Cette grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
Figure 1.5 : Rôle d’un capteur
1.4 Nature des signaux mesurés:
Selon le type de capteur, le signal électrique de mesure peut être de différentes natures:
 Signal de mesure analogique: il est lié au mesurande par une loi continue, parfois
linéaire:
 Courant: 0-20mA, 4-20mA
 Tension 0-10V, 0-5V
 Signal de mesure numérique: 2 modes: mode parallèle ou mode série.
Régulateurs
pro

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 Signal de mesure logique: il ne comporte que deux valeurs possibles, c’est un tout ou
rien.
1.5 Le capteur actif
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé sur un effet physique
qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d’énergie propre à la grandeur à
prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement.
Les plus classiques sont:
1.5.1 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 V proportionnelle à
12 TTT 
(voir figure 1.6).
1.5.2 Effet piézo-électrique:
L’application d’une contrainte piézo-
électrique (le quartz par exemple) entraîne
l’apparition d’une déformation et d’une même
charge électrique de signe différent sur les faces
opposées (figure 1.7).
1.5.3 Effet d’induction électromagnétique:
la variation du flux d’induction magnétique dans
un circuit électrique induit une tension électrique
(figure 1.8).
Fig 1.6 : Effet thermoélectrique
L’application d’une contrainte déforme le
cristal
Fig 1.7 : Effet piézo-électrique
Fig 1.8 : Effet d’induction électromagnétique

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1.5.4 Effet photo-électrique:
La libération de charge électriques dans la matière sous
l’influence d’un rayonnement lumineux ou plus
généralement d’une onde électromagnétique dont la
longueur d’onde est inférieure à un seuil caractéristique
du matériau (figure 1.9).
1.5.5 Effet Hall:
L'effet Hall dit « classique » a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant
électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension
perpendiculaire à celui-ci (figure 1.10).
Figure 1.10 : Effet Hall
La tension de Hall est proportionnelle au courant I et au cham magnétique B :
ZBI
VH
H
(1.1)
avec
H
le coefficient de Hall et
Z
étant l’épaisseur du conducteur.
1.5.6 Effet photovoltaïque:
Des électrons et des trous sont libérés au voisinage
d’une jonction PN illuminée, leur déplacement
modifie la tension à ses bornes (figure 1.11).
La figure 1.12, montre le transfert d’énergie des photons
Fig 1.9 : Effet photo-électrique
Z
Fig 1.11 : Effet photovoltaïque