IV- Exemple de capteurs
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Le capteur, premier élément d'une chaîne de mesure a pour fonction essentielle de traduire une grandeur physique en une autre grandeur physique, généralement électrique, utilisable par l'homme directement ou par le biais d'un instrument approprié. Tous les domaines d'activité nécessitent l'emploi de capteurs. On peut citer ainsi l'existence de capteurs de longueur, masse, temps, forces, couples, pressions, accélération, température, débits, humidité, de toutes les grandeurs électriques ou optiques, etc. Pour chacune de ces grandeurs, les principes utilisables sont multiples. Ainsi, par exemple, pour mesurer une pression on peut utiliser des dispositifs fondés sur la piézoélectricité, la thermodynamique, des variations d'impédance, des modifications de propriétés optiques, etc... En outre les conditions d'implantation et d'environnement des capteurs pouvant varier considérablement d'une application à une autre, il en résulte une très grande diversification des produits et il est évident qu'un individu, aussi compétent soit-il, ne pourra jamais être en mesure de maîtriser l'ensemble de ce gigantesque domaine. http://212.198.113.17/evariste/site/tpdistcce/orphy/capteur.htm I- Généralités II- Les caractéristiques des capteurs III- Les principaux types de capteurs IV- Exemple de capteurs La notion de grandeur La notion de mesure nous est familière. La mesure consiste à donner une valeur numérique dans une échelle conventionnelle. Mais que mesure-t-on ? En fait on mesure une grandeur (la pression, l'intensité, la longueur, etc.). Lorsque l'on fait une mesure d'une grandeur on prend une valeur de cette grandeur pendant un instant t. I- Généralités Le capteur ou transducteur est un dispositif qui fournit un équivalent électrique de la grandeur physique mesurée (T, P, pH , etc. ) . Le capteur est le premier élément de la chaîne d'acquisition. Soumis à l'action de la grandeur physique non électrique (température, pression, force, flux lumineux, pH), il présente une caractéristique de nature électrique (tension, courant, résistance) fonction de la grandeur physique. La fonction de transfert d'un capteur est la relation ou la fonction qui transforme la grandeur physique en grandeur électrique. PhG/PPCP/Capteur/Ressource-élève Sept 2002 Voici quelques exemples de capteurs dont la sortie électrique est proportionnelle ou en relation avec la variation de la grandeur physique considérée. Grandeur physique Capteur Grandeur électrique Température Thermocouple Tension Température Thermistance Résistance Éclairement Photodiode Courant Le capteur est actif si la grandeur électrique est un courant ou une tension : Il fonctionne en générateur. Si la grandeur électrique est faible, il doit être amplifié. Le capteur est passif si la grandeur électrique délivrée est une résistance. Les variations de résistance ne sont mesurables que par des modifications de courant ou de tension qu'elles entraînent dans un circuit alimenté par une source de tension extérieure. Pour les capteurs industriels, l'ensemble capteur et conditionneur délivre un signal standardisé 0 à 5 Volts pour une tension, et 4 à 20 mA pour un courant. II- Les caractéristiques des capteurs Le choix du capteur est primordial car l'interprétation de la mesure est faite à partir du signal délivré par le capteur et non par l'information donnée au capteur. Il faut donc bien choisir son capteur et bien connaître ses caractéristiques et ses limites de fonctionnement. La plupart du temps le capteur s'appuie lui même sur un phénomène physique et sa réalisation concrète conduit à des caractéristiques techniques propres au capteur. A/ La sensibilité du capteur C'est l'évolution de la tension de sortie fournie par le capteur par rapport à l'amplitude de la variation de la grandeur de physique mesurée. Exemple : Elle s'exprime par exemple en °C/V (capteur de température 1°C/10 mV). B/ Plage de mesures C'est la gamme de mesures du capteur. Exemple : Pour un capteur de température (ex 0-100°C ). C/ La fonction de transfert. C'est la caractéristique principale. Elle permet d'avoir la fonction mathématique de conversion "signal électrique – grandeur physique". Elle est fournie par le constructeur ou déterminée par l'expérience. PhG/PPCP/Capteur/Ressource-élève Sept 2002 D/ Constante de temps du capteur. C'est le temps que met le capteur à s'équilibrer, c'est à dire l'inertie du capteur à fournir la mesure dans lequel il se trouve. E/ Reproductibilité. C'est sa qualité de reproduction de mesures réalisées dans les mêmes conditions qui donnent les mêmes résultats. III- les principaux types de capteurs Le classement des capteurs peut se faire selon la grandeur à mesurer : longueur, force, poids, pression, position, vitesse, température, tension, intensité, débit, pH, etc. A chacune de ces grandeurs à mesurer, il existe un ou plusieurs capteurs fonctionnant selon un phénomène spécifique : variation de tension, de résistance, d'induction magnétique, etc. Phénomène physique Capteurs Phénomène physique Capteurs Température Thermocouple Thermistance Pyromètre à infrarouge Pression et force Jauge de contrainte Potentiomètre Microphone Position Potentiomètre Capteur optique Capteur à ultrasons Capteur inductif Lumière Cellule photoélectrique Capteur CCD pH Electrodes Niveau et débit Capteur à flotteur Débitmètre à ultrasons IV- Exemple de capteurs Capteurs à variation de résistance. 1/ Capteur potentiométrique Le capteur potentiométrique est le capteur de base de la mesure des positions ou des déplacements. En effet l'objet dont on désire mesurer la position ou le déplacement est rendu solidaire mécaniquement du curseur d'un potentiomètre rotatif ou linéaire. Ainsi la variation de résistance entre le point curseur et une extrémité de la référence est directement linéairement traduite par une variation de tension. PhG/PPCP/Capteur/Ressource-élève Sept 2002 2/ Thermistance La résistance d'un conducteur métallique varie avec la température. Basés sur des matériaux comme le cuivre, le nickel ou le platine, ces capteurs sont précis mais leur plage de température est réduite. Pour ces deux types de capteurs, le montage consiste essentiellement en une alimentation "source de courant" et d'un système de mesure pour prélever la variation de tension due à la variation de résistance. PhG/PPCP/Capteur/Ressource-élève Sept 2002 Faire correspondre à une grandeur physique souvent non électrique que l'on désire mesurer ou contrôler une grandeur électrique. Cas du pendule, capteur de position ou capteur potentiométrique : On cherche à mesurer un angle par rapport à une position d'équilibre, et on utilise un potentiomètre rotatif à faible frottement. Ce potentiomètre est monté en montage potentiomètrique, alimenté par une alimentation 05 V, ensuite on mesure la tension aux bornes de la résistance variable créée par le curseur du potentiomètre qui se déplace. Potentiomètre Piste et curseur du potentiomètre Le capteur potentiométrique est le capteur de base de la mesure des positions ou des déplacements. En effet l'objet dont on désire mesurer la position ou le déplacement est rendu solidaire mécaniquement du curseur d'un potentiomètre rotatif ou linéaire. Ainsi la variation de résistance entre le point curseur et une extrémité de la référence est directement linéairement traduite par une variation de tension. PhG/PPCP/Capteur/Ressource-élève Sept 2002 http://www.serpe-iesm.com/serpe-iesm/Hydro_New/Fr/Main/data/dirvent.html CAPTEUR VITESSE ET DIRECTION VENT Le capteur Vitesse & Direction de vent 5103 est un capteur de haute performance . De conception robuste, sa simplicité et sa fabrication dans un matériau résistant à la corrosion en font un capteur idéal pour une large gamme d'applications dans les mesures de vent. YOUNG ® Le capteur de vitesse est constitué d'une hélice à 4 pales. La rotation de cette hélice produit une tension alternative AC avec une fréquence directement proportionnelle à la vitesse. Le capteur de direction est une girouette robuste, de faible poids assurant une bonne fidélité des mesures dans les fluctuations de vent. Le transducteur est un potentiomètre de précision intégré dans un volume étanche. Une tension régulée appliquée aux bornes du potentiomètre permet d'obtenir une tension de sortie proportionnelle à la direction du capteur. Une bague de montage permet un alignement correcte à la direction de référence (Nord) lorsque le capteur est déposé pour maintenance. Cet instrument est fabriqué dans un plastique résistant aux UV avec des pièces en acier inox et aluminium anodisé . La base du capteur se monte sur un tube standard Ø 1 ''. CAPTEUR DIRECTION VENT Le capteur de direction GPM23M mesure la direction du vent à l'aide d'un potentiomètre à rotation continue. L'effet du vent sur le drapeau de la girouette met en mouvement un potentiomètre de précision de 5000W alimenté à tension constante. De cette façon, la tension de sortie est directement proportionnelle à la direction du capteur. PRECIS MECANIQUE ® PhG/PPCP/Capteur/Ressource-élève Sept 2002 CAPTEUR ANEMOMETRIQUE Le capteur TAVID 87 mesure la vitesse du vent et transmet cette mesure par un signal dont la fréquence varie linéairement avec la vitesse. Ce capteur est un anémomètre de principe fréquencemètrique. Equipé d'un moulinet à trois coupelles, il tourne à une vitesse proportionnelle à celle du vent. Un générateur d'impulsions solidaire du moulinet délivre un signal dont la fréquence varie en CHAUVIN ARNOUX ® fonction de la vitesse de vent. CAPTEUR D'ENSOLEILLEMENT Ce capteur SCD1 est destiné à mesurer la durée d'ensoleillement, celle-ci étant définie lorsque le rayonnement solaire direct est supérieur à 120W /m². Il peut par ailleurs fournir une mesure du niveau de rayonnement direct . KIPP & ZONEN ® Il peut être utilisé dans les applications suivantes : - météorologie - recherche agricole (évaporation) - information touristique ( nombre d'heures d'ensoleillement ). Les avantages de ce capteur sont nombreux : - Utilisation à tout degré de latitude, facilité de fonctionnement - Large gamme de température - Haute précision - Aucune pièce mobile - Trois capteurs identiques , facilité de recalibration - Faible consommation. CAPTEUR DE PRESSION ATMOSPHERIQUE La série des transmetteurs PTB200 sont des baromètres digitaux totalement compensés conçu pour mesurer une large gamme de pression . Ces transmetteurs utilisent la cellule de pression absolue BAROCAP® développée par Vaisala pour les applications de mesure de pression atmosphérique . Cette cellule a d'excellentes caractéristiques concernant la répétition de la mesure, l'hystérésis sa dépendance vis à vis de la température ainsi que sa stabilité long terme. PhG/PPCP/Capteur/Ressource-élève Sept 2002
