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
Les moyens mis en oeuvre
Présence ou passage d'un objet en un lieu
donné
Détection magnétique si l'objet est ferreux
(variation d'inductance)
Détection optique (cellule photo-électrique)
Détection mécanique (contact)
Position angulaire d'une pièce appartenant à
un système
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
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.
Volume
Indirecte par détection du niveau atteint par le
fluide dans son contenant (voir ci-dessous)
Niveau d'un fluide
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
Débit d'un fluide
Détection par variation de pression
différentielle,
Hélice ou turbine ramenant la mesure d'un
débit à celle d'une vitesse angulaire,
Force et en particulier le poids
Déformation mécanique d'un organe mesurée
par l'un des moyens évoqués ci-dessus
(capteurs de position) ou par une jauge de
contrainte.
Pression ou pression différentielle
Déformation mécanique d'un organe
(membrane, capsule,…) associé soit à un
capteur de position soit à une jauge de
contrainte.
Vitesse linéaire
"Radar" : cinémomètre à effet Doppler
Vitesse angulaire
Dynamo tachymétrique,
Génératrice tachymétrique asynchrone,
Alternateur tachymétrique,
Disque perforé ou réfléchissant associé à une
cellule photoélectrique et un compteur,
Système à variation de réluctance,
Accélération
La mesure d'une accélération est ramenée à
une mesure de pression.
Température
Variation de résistance avec la température,
Thermocouples (effet thermoélectrique),
Capteurs à thermistance,
Capteurs LM 135 (effet Zener variable)
Humidité
Humidimètre à condensateur
Capteur résistif
Son
Transducteurs magnétiques de type
microphone piézoélectrique
Lumière
Photo-résistances,
Cellules photoélectriques,
Photodiodes, phototransistors.
Durée d'un phénomène
Horloge électronique associée à un compteur

Tension ou différence de potentiel
Capture directe ou par l'intermédiaire d'un
transformateur de mesure (TP)
Intensité d'un courant
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