Les capteurs

Principes physiques mis en œuvre dans les
capteurs
Remarques préliminaires
Un capteur est le premier élément d'une chaîne de mesure ou d'asservissement. Il capte la
grandeur à mesurer et la convertit en une grandeur qui peut être prise en compte par l'appareil
indicateur ou par l'asservissement lui-même. Les quelques capteurs décrits ci-après font
correspondre une grandeur électrique (tension le plus souvent) à la grandeur à mesurer.
Certains capteurs donnent une information binaire (tout ou rien) : présence d'un objet en un
lieu donné, niveau atteint par un liquide dans une cuve…
Le plus souvent, les capteurs fournissent une grandeur analogique qui, de préférence, est une
fonction linéaire de la grandeur à mesurer. Cette grandeur analogique peut être utilisée telle
quelle ou numérisée pour son utilisation.
Structure d'un capteur
Un capteur obéit au schéma fonctionnel suivant :
 Un élément sensible qui saisit la grandeur à mesurer et la convertit en une grandeur
intermédiaire facile à convertir en signal électrique ;
 Un transducteur ou convertisseur qui assure la conversion de la grandeur intermédiaire
en un signal électrique, généralement une tension ou une fréquence,
 Un organe de traitement qui facilite le transfert du signal électrique vers son utilisation
: dispositif de linéarisation, convertisseur analogique numérique, amplificateur, filtre,
modulateur …
 Un interface de connexion avec la ligne de transmission qui peut être une ligne
électrique, une fibre optique ou un réseau hertzien.
Les grandeurs à capter et les moyens mis en œuvre
Les grandeurs
Présence ou passage d'un objet en un lieu
donné
Position angulaire d'une pièce appartenant à
un système
Les moyens mis en oeuvre
Détection magnétique si l'objet est ferreux
(variation d'inductance)
Détection optique (cellule photo-électrique)
Détection mécanique (contact)
Variation de résistance d'un potentiomètre
mono-tour ou multi-tours,
Roue codée,
Disque perforé ou réfléchissant associé à une
cellule photoélectrique et un compteur,
Transmetteurs synchrones (arbres selsyn)
Position linéaire d'une pièce appartenant à un
système
Volume
Niveau d'un fluide
Débit d'un fluide
Force et en particulier le poids
Pression ou pression différentielle
Vitesse linéaire
Vitesse angulaire
Accélération
Température
Humidité
Son
Lumière
Durée d'un phénomène
Transformation de la position linéaire en
position angulaire et utilisation de l'un
moyens ci-dessus,
Transformateur à noyau plongeant,
Variation de mutuelle inductance,
Pour les faibles déplacements : variation de
capacité d'un condensateur inséré dans un
circuit résonant.
Indirecte par détection du niveau atteint par le
fluide dans son contenant (voir ci-dessous)
Flotteur associé à un détecteur de position
linéaire ou angulaire,
Système à contacts si le fluide est conducteur,
Détecteur à thermistances à CTP,
Détecteur à ultrasons : Sonar
Détection par variation de pression
différentielle,
Hélice ou turbine ramenant la mesure d'un
débit à celle d'une vitesse angulaire,
Déformation mécanique d'un organe mesurée
par l'un des moyens évoqués ci-dessus
(capteurs de position) ou par une jauge de
contrainte.
Déformation mécanique d'un organe
(membrane, capsule,…) associé soit à un
capteur de position soit à une jauge de
contrainte.
"Radar" : cinémomètre à effet Doppler
Dynamo tachymétrique,
Génératrice tachymétrique asynchrone,
Alternateur tachymétrique,
Disque perforé ou réfléchissant associé à une
cellule photoélectrique et un compteur,
Système à variation de réluctance,
La mesure d'une accélération est ramenée à
une mesure de pression.
Variation de résistance avec la température,
Thermocouples (effet thermoélectrique),
Capteurs à thermistance,
Capteurs LM 135 (effet Zener variable)
Humidimètre à condensateur
Capteur résistif
Transducteurs magnétiques de type
microphone piézoélectrique
Photo-résistances,
Cellules photoélectriques,
Photodiodes, phototransistors.
Horloge électronique associée à un compteur
Tension ou différence de potentiel
Intensité d'un courant
Capture directe ou par l'intermédiaire d'un
transformateur de mesure (TP)
Capture directe ou par l'intermédiaire d'un
transformateur de mesure (TI)
Conversion en tension par un capteur à effet
Hall,
Conversion en tension par une résistance
étalon de faible valeur (shunt).
Quelques principes physiques mis en œuvre dans les
capteurs
L'effet Hall
Si une plaque mince de semi-conducteur est parcourue par un courant I, il n'existe aucune
différence de potentiel entre deux points M et M' situés à la même distance des électrodes.
Si l'on place maintenant la plaque de semi conducteur perpendiculairement à un champ
magnétique, les électrons sont déviés sous l'effet de la force de Laplace et la densité de
charges négatives augmente sur une face du cristal, la densité de trous augmente donc sur la
face opposée. L'accumulation de charges électriques sur ces faces crée une différence de
potentiel entre elles notée Uh.
Ce phénomène porte le nom d'effet Hall et Uh est la tension de Hall. Uh est proportionnelle au
courant et à l'intensité du champ magnétique et inversement proportionnelle à l'épaisseur d de
la plaque :
Uh = Rh . I . B / d
Rh est la constante de Hall, elle est légèrement dépendante de la température
Semi-conducteurs utilisés : antimoniure d'indium, arséniure d'indium, arséniure de gallium.
Mise en oeuvre :
Pour la mesure d'un champ magnétique une source de courant génère le courant qui circule
dans le semi-conducteur : la sonde réalise une conversion champ magnétique - tension.
Pour la mesure des courants, une source de courant intégrée au capteur et associée à un
bobinage génère le champ magnétique : la sonde réalise alors une conversion courant tension.
L'effet piézo-électrique
Si l'on exerce une compression ou une traction sur les faces opposées de certains cristaux, le
quartz est le plus connu, ou de certaines céramiques (titanate de baryum, zirconate de plomb),
on constate l'apparition de charges électriques de signes contraires sur certaines faces du
cristal (les faces perpendiculaires aux précédentes dans le cas du quartz). Inversement, si l'on
crée une différence de potentiel, donc un champ électrique, entre deux faces du cristal celui-ci
se déforme.
L'effet piézo-électrique s'explique par une modification de position des barycentres des
charges électriques du cristal et l'apparition d'un dipôle électrique.
Si on constitue un condensateur en métallisant les faces d'une lame taillée dans un cristal
piézoélectrique est utilisée comme diélectrique d'un condensateur, en appliquant entre les
armatures de ce condensateur une tension alternative sinusoïdale de fréquence variable, on
constate l'apparition de vibrations mécaniques : il y a résonance au voisinage d'une fréquence
f, appelée fréquence propre du cristal.
Mise en œuvre :
L'effet piézo-électrique est mis en œuvre :
 dans des dispositifs statiques : capteurs de pression, capteurs de force, accéléromètres,
capteurs de pression électro-acoustique (microphones courants), allume gaz ou
briquets …
 dans des dispositifs résonants (génération ou filtrage de fréquences, génération
d'ultrasons …)
Les effets thermoélectriques
Les thermocouple mettent en œuvre deux effets simultanés : l'effet Peltier et l'effet Thomson
qui, réunis, constituent l'effet Seebeck.
l'effet Peltier
Lorsque deux métaux, à la même température, sont en contact, on peut mesurer une différence
de potentiel de quelques millivolts entre leurs extrémités.
Exemples, à 0°C :
fer-cuivre
u = 3 mV
cuivre-zinc
u = 3 mV
bismuth-cuivre
u = 21 mV
Si les deux métaux en contact sont traversés par un courant il peut se produire un dégagement
ou une absorption de chaleur.
Si, par exemple, un courant va du bismuth vers le cuivre la différence de potentiel de contact
u joue le rôle d'une force contre électromotrice et la puissance u.I est absorbée au niveau du
contact, elle est transformée en énergie thermique et ce dégagement de chaleur s'ajoute à
l'effet Joule.
Si le courant passe du cuivre vers le bismuth, la différence de potentiel de contact joue le rôle
de force électromotrice, il y a production d'énergie électrique et absorption d'énergie
thermique. Si le dégagement du à l'effet Joule est inférieur à cette absorption la température
des métaux s'abaisse.
De nombreux semi-conducteurs se sont révélés plus intéressants que les métaux vis-à-vis de
l'effet Peltier car leur tension de contact est plus élevée. Par ailleurs, leur mauvaise
conductibilité thermique est un avantage car leurs extrémités peuvent être à des températures
différentes.
La loi de Volta
L'expérience montre que dans une chaîne de conducteur à température uniforme, la différence
de potentiel de contact entre les conducteurs extrêmes est la même que s'ils étaient
directement en contact. Du cuivre, excellent conducteur de la chaleur est fréquemment
employé pour relier les semi-conducteurs d'une batterie Peltier entre eux. Des batteries de
réfrigération, appelées batteries à effet Peltier, sont réalisées avec du tellurure de bismuth
dopé P et N réunis par des conducteurs en cuivre.
Des différences de température dépassant 100°C peuvent être obtenues entre face chaude et
face froide de telles batteries.
L'effet Thomson
Une différence de potentiel apparaît entre les extrémités d'un conducteur métallique lorsque
celles-ci sont portées à des températures différentes. Cette différence de potentiel est très
faible (2,2 V/°C pour le cuivre et 8,4 V/°C pour le fer). Cette différence de potentiel est
due à une différence de mobilité des électrons de conduction liées à la différence de
température.
L'effet Thomson seul présente peu d'application car dans un circuit formé d'un même métal et
dont deux points sont à des températures différentes aucun courant ne circule car l'effet
Thomson génère deux tension opposées entre les points du circuit.
Si le circuit comporte un générateur, la circulation d'un courant crée un refroidissement du
métal si celui-ci circule dans le sens des températures croissantes pour certains métaux
(cuivre, zinc,…) et au contraire une élévation de température pour d'autres métaux (fer,
aluminium,…). Pour les premiers on parle d'effet Thomson positif et d'effet négatif pour les
autres.
L'effet Seebeck
Si l'on réunit deux conducteurs de nature différente, dont les contacts sont portés à des
températures différentes, il est possible d'obtenir un courant dans le circuit ainsi formé : c'est
l'effet Seebeck qui consiste en une juxtaposition des effets Peltier et Thomson.
En effet :
 les différences de potentiel de contact sont différentes car les températures des
contacts sont différentes,
 les différences de potentiel le long de chacun des conducteurs dues à l'effet Thomson
sont aussi différentes.
 l'introduction d'un métal d'apport au niveau des soudures ne modifie pas les
différences de potentiel de contact (loi de Volta).
La différences de potentiel résultante n'est pas nulle et l'ensemble est équivalent à un
générateur. L'ensemble formé par ce dispositif est appelé couple thermoélectrique. Avec les
métaux, les fem sont très faibles (fer/constantan : 52,3 V/K, cuivre/constantan : 42,8 V/K,
nickel-chrome/constantan : 40,8 V/K, platine/platine rhodié : 6,4 V/K - NB : le constantan
est un alliage cuivre-nickel).Avec des semi-conducteurs tels que les tellurures et séléniures de
bismuth ou d'antimoine on atteint 200 V/K.
Mise en œuvre :
Les thermocouples à semi-conducteurs sont utilisés pour la mesure de températures, ils
constituent aussi de bon capteurs de rayonnement infra-rouge.
Les effets photoélectriques
Lorsque certains corps sont éclairés, c'est-à-dire s'ils interceptent les photons d'un
rayonnement lumineux, ils peuvent :
 émettre des électrons : c'est l'effet photoélectrique proprement dit,
 voir leur résistivité se modifier : c'est la photoconduction ou effet photoélectrique
interne,

présenter une fem à leurs bornes : c'est l'effet photovoltaïque. Ce dernier effet est
réversible : si une différence de potentiel est appliquée à leurs bornes ils émettent un
rayonnement lumineux.
L'effet photoélectrique
L'effet photoélectrique est mis en œuvre dans une cellule comportant une cathode
photoémissive et une anode le plus souvent réduite à un fil pour éviter qu'elle n'intercepte le
rayonnement lumineux; L'ensemble est placé dans une ampoule en verre où règne un vide
poussé.
Une différence de potentiel est établie entre l'anode et la cathode.
En l'absence de rayonnement lumineux il ne circule aucun courant dans le circuit. En présence
de rayonnement lumineux et pour une valeur minimale de la tension anode-cathode, il circule
un courant dont l'intensité dépend linéairement du flux lumineux reçu par la cathode.
Un photon, porteur d'une énergie Ep = hoù  représente la fréquence de la radiation
lumineuse et h est la constante de Planck), communique cette énergie à un électron de la
cathode. Si cette énergie est supérieure à l'énergie d'extraction Eex de l'électron du matériau
constituant la cathode, l'électrons est émis avec une énergie cinétique maximale Ec = Ep - Eex.
Un faisceau de photons peut ainsi libérer un jet d'électrons avec cependant un rendement
quantique relativement faible (de 1 à 30 % selon le matériau de la cathode et la couleur du
faisceau de photons).
Les matériaux constituant les photocathodes sont choisis parmi les métaux alcalins du fait de
leur faible énergie d'extraction. Ces alcalins sont généralement associés à l'antimoine (SbCs3,
SbNa2K) ou sous forme de structure complexe comme Ag-O-Cs. A chaque matériau
correspond une fréquence seuil en dessous de laquelle il ne peut y avoir émission d'électrons.
Matériau
Energie de sortie Fréquence seuil
théorique
Césium
de 1,38 à 1,49 eV 3,4.1014 Hz
Potassium de 1,75 à 2,26 eV 4,6.1014 Hz
Sodium
de 2,06 à 2,46 eV 5,3.1014 Hz
Lithium de 2,28 à 2,42 eV 5,8.1014 Hz
Longueur d'onde Couleur
correspondante
882 nm
infrarouge
652 nm
orange
566 nm
jaune
517 nm
vert
Mise en œuvre :
Les cellules photoélectriques sont mises en œuvre soit pour détecter la présence d'un objet ou
d'une personne (l'objet coupe alors le rayon lumineux), soit comme convertisseur flux
lumineux -courant. Elles peuvent être associées à des photo-multiplicateurs pour mesurer des
flux lumineux extrêmement faibles. Certaines cathodes sont étudiées pour la mesure de
rayonnements photoniques plus puissants (X, , , ,…).
La photoconduction
Les photo-résistances sont des dipôles dont la résistance diminue avec l'éclairement car les
photons incidents libèrent des électrons qui participent ensuite à la conduction. Elles sont
réalisées avec des semi-conducteurs très faiblement dopés (sulfure de cadmium, sulfoséléniure de cadmium).
Ces composants ont l'inconvénient de ne pas présenter une relation linéaire entre l'éclairement
et la résistance. Par exemple une photo-résistance CdSe présentant une résistance de 100 M
dans l'obscurité, aura une résistance de 100 k pour un éclairement de 1 lux et de 300  à
1000 lux.
Mise en œuvre :
Les photo-résistances sont mises en œuvre dans le luxmètres, colorimètres, capteurs de
lumière ou d'infrarouge, détecteurs d'incendie…
L'effet photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est constituée :
 Soit par une plaquette de semi-conducteur globalement dopée N, par exemple, sur
laquelle on un dopage P superficiel suffisamment mince pour permettre aux photons
d'atteindre la jonction.
 Soit par un semi-conducteur disposé sur une électrode métallique joua,nt le rôle de
support et recouvert d'une couche métallique fine et transparente.
Les photons incidents libèrent des porteurs minoritaires dans le voisinage de la jonction PN
ou de la jonction métal - semi-conducteur qui sont accélérés par le champ interne de jonction
et crée une fem. La fem est peu dépendante de l'éclairement, le courant débité dans le circuit
de charge de la cellule croît très rapidement avec l'éclairement.
Mise en œuvre :
Les cellules photovoltaïques sont essentiellement utilisées comme générateur (les photopiles),
elles équipent aussi les luxmètres et des capteurs d'éclairement de faible précision en
présentant l'avantage de ne nécessiter aucune source d'énergie externe.
Photodiodes et phototransistors
Les photodiodes procèdent du même principe : leur jonction peut être éclairée à travers une
perle de verre. La photodiode est insérée en inverse dans un circuit. Dans l'obscurité, la
jonction n'est pas passante. Lorsque la jonction est éclairée, la photodiode devient passante en
inverse : le courant inverse est sensiblement proportionnel à l'éclairement reçu.
Dans le phototransistor c'est la jonction base collecteur qui peut être éclairée. Le
phototransistor peut être utilisé avec une polarisation base émetteur ou en base ouverte, ce qui
est le cas le plus fréquent. Le courant de collecteur est sensiblement proportionnel à
l'éclairement reçu.
Le rendement d'une photodiode ou d'un phototransistor est maximal pour certaines fréquences
de radiation lumineuse.
Mise en œuvre :
Ces deux composants sont utilisés en mesure de l'éclairement, comme détecteur de
rayonnement lumineux ou infrarouge. Ils forment aussi l'élément récepteur d'un optocoupleur.
Diode électroluminescente et diode laser
Une diode électroluminescente est une diode qui émet un rayonnement lumineux lorsqu'elle
est passante en direct. Le spectre d'émission est très étroit et dépend de la nature du matériau
semi conducteur : infrarouge pour l'arséniure de gallium, rouge ou jaune pour le phosphorure
d'arséniure de gallium, verte pour le phosphorure de gallium, bleu pour le nitrure de gallium.
Leur tension de seuil est toujours plus importante que celle d'une diode à jonction (de 1,2 V à
1,8 V).
La diode laser est une diode électroluminescente dont la région active forme une cavité
électromagnétique résonante. En dessous d'un certain seuil de tension appliquée la diode
fonctionne comme une diode électroluminescente, au-dessus de ce seuil l'effet laser apparaît
c'est-à-dire une émission sensiblement monochromatique et cohérente. Contrairement aux
lasers à gaz, les diodes laser doivent être collimatées pour obtenir un faisceau très fin car , leur
cône naturel d'émission est de l'ordre de 30°. Leur puissance optique d'émission continue
varie entre 5 et 20 mW.
Mise en œuvre :
Les diodes électroluminescentes servent essentiellement en signalisation. Les diodes laser
sont utilisées dans les capteurs de vitesse angulaire comme générateur de lumière. Ces deux
diodes constituent l'émetteur des opto-coupleurs.
L'effet Doppler
L'effet Doppler survient lorsque une source d'onde et l'observateur sont animés d'une vitesse
relative qui modifie la période du signal observé. Dans un cinémomètre Radar, une onde de
période T est générée par un émetteur fixe O en direction d'un objet O' en mouvement à la
vitesse v dirigée vers O (véhicule par exemple). Celui-ci réfléchit l'onde et agit donc comme
un émetteur secondaire pour l'observateur situé en O.
En mécanique classique, en supposant que le signal se propage à une vitesse V on peut écrire :
Si à t = 0 la distance OO' = x, le signal arrive en O' au bout d'un temps t1 tel que V.t1 = x
Le signal homologue suivant émis de O à l'instant T arrivera en O' à l'instant t2 tel que
V.t2 = x - v.T
Un observateur placé en O' recevrait donc deux signaux homologues à l'intervalle
T ' = T + t 2 - t1
T ' = T + x/V - v.T/V - x/V
T ' = T (1 - v/V)
C'est ce signal de période T' qu'il renvoie en tant qu'émetteur secondaire. L'effet Doppler agit
donc de la même façon pour un observateur placé en O recevant le signal émis de O'. Il le
reçoit à la période apparente Tr = T' (1 - v/V) = T (1 -v/V)²
La fréquence f ' du signal reçu par l'observateur placé en O est donc égale à la fréquence du
signal émis multipliée par un facteur k = V²/(V - v)².
Le calcul de k au premier ordre donne :
k = 1 + 2v/V
La mesure de la vitesse se ramène donc à une mesure de fréquence.
L'onde émise par le Radar étant un signal électromagnétique sa célérité de propagation est très
proche de c et les lois de la mécanique classique doivent être remplacées par celles de la
mécanique relativiste. En appliquant la transformation de Lorentz, tous calculs effectués, on
obtient une légère variation par rapport à la relation précédente :
f ' = k'.f
Avec k' = cv qui ne diffère de la relation précédente qu'au deuxième ordre de c/v.
cv
Mouvement transversal
Si le mouvement de O' comporte une composante transversale par rapport à l'axe OO' les
relations de la mécanique classique n'induisent pas d'effet Doppler pour cette composante. En
mécanique relativiste, cette composante v' de la vitesse influe mais au second ordre en v'/c par
rapport à l'effet longitudinal.