Introduction - Nathalie Rion

Montage n° 24 - résumé
Notion de capteur ; applications à la commande électronique d'un appareil d'utilisation
Introduction
Une des tâches essentielles du scientifique est la mesure des grandeurs physiques, qui lui permet de comprendre et
d’interpréter des phénomènes (mesure de pH, mesure de température, mesure de pression…). L’ingénieur a lui aussi
besoin de mesurer des grandeurs physiques pour réaliser par exemple des systèmes complexes de commande
d’appareils. Nous pouvons citer l’asservissement en température d’un four, la mise en route automatique des essuie-
glace en cas de pluie ou des phares en cas d’obscurité. Pour réaliser la mesure de ces grandeurs physiques, on
utilise des capteurs qui transforment l’information physique en grandeur électrique, ce qui permet son
exploitation ultérieure dans un circuit électronique.
Il existe 2 grandes familles de capteurs : Les capteurs actifs qui n’ont pas besoin d’une source extérieure pour
fonctionner. La grandeur physique mesurée créé directement une fem ou un courant en sortie de capteur (ex : le
thermocouple, la photopile, teslamètre) ; Les capteurs passifs qui eux, nécessitent une source extérieure pour
fonctionner. La grandeur physique mesurée modifie l’impédance du capteur. Un circuit de conditionnement est
nécessaire pour transformer cette variation d’impédance en tension ou courant (thermistance, photorésistance…)
Il convient d’utiliser un capteur approprié à la grandeur que l’on désire mesurer (=mesurande) et à l’exploitation des
données que l’on désire faire derrière. Pour cela, on caractérise un capteur par :
 précision : La précision d’un capteur est caractérisée par l’incertitude absolue obtenue sur la grandeur
électrique obtenue en sortie du capteur. Elle s’exprime en fraction de la grandeur physique mesurée. Cette
précision doit être en adéquation avec la précision que l’on souhaite de la mesure : il ne sert à rien d’utiliser
un capteur précis au millième, si une précision au dixième nous suffit (pbl de coût)
 sensibilité : Ce paramètre caractérise l’aptitude du capteur à détecter la plus petite variation de la grandeur à
mesurer. (S=sortie/mesurande)
 linéarité : Un capteur est dit linéaire s’il présente la même sensibilité sur toute l’étendue de sa plage d’emploi.
 étendue de mesure : cette caractéristique donne la plage de fonctionnement du capteur pour la grandeur à
mesurer. Elle est souvent notée E.M. (on n’utilisera pas une capteur capable de mesurer une pression de 0 à
1 N pour mesurer la valeur de la pression atmosphérique…)
 fidélité : Un capteur est dit fidèle si le signal qu’il délivre ne varie pas pour une série de mesures concernant
la même valeur de la grandeur d’entrée.
 Son temps de réponse : en régulation, un temps de réponse très long du capteur peut être dommageable
Dans ce montage, nous allons étudier des capteurs de température, puis des capteurs de luminosité, et nous allons
réaliser avec chacun de ces capteurs, une application de commande d’un appareil d’utilisation.
I. Capteurs de température
Dans un congélateur, un réfrigérateur ou un four, la température doit être régulièrement mesurée pour la contrôler et
éventuellement la réguler. La mesure de la température se fait à l'aide d'un thermomètre.
Ces capteurs sont sensibles à une variation de température. On peut mesurer une température avec un thermomètre
à dilatation (mercure ou alcool) ou avec un thermomètre de Galilée, mais on ne récupère pas de grandeur électrique
en sortie : ce ne sont pas des capteurs. Les différents capteurs de températures que nous allons utiliser dans ce
montage sont : la résistance de platine (100 à 0°C), la thermistance CTN (Coeff de Température Négatif) (la valeur
annoncée par le constructeur correspond à la valeur de la résistance à 20°C ; 1 k à 20°C) et le thermocouple. Les 2
premiers sont des capteurs passifs, dont la résistance varie en fonction de la température.
I.1 Caractéristique tension-courant
I.1.1 Tracé de la courbe Quaranta IV p.77 - Duffait capes p.143 - Quaranta IV p.466
Matériel : alimentation continue variable 0-30V ; résistance de protection réglable.
Traçons, pour la CTN, la caractéristique I=f(U) à une température donnée (on ne trace que 3 points : c’est une
droite !!!). On peut le faire dans un bain d’eau glacée pour limiter l’échauffement (dissipation thermique due à RI2).
Conclusion : c’est un droite  Caractère résistif des capteurs.
I.1.2 Evolution de la caractéristique en fonction de la température Q IV p.78 – Duf cap p.143
Visualisation de la caractéristique à l’oscillo (fonction test de l’oscillo : Metrix 0X800). Augmenter la température en
plongeant la CTN dans un bécher d’eau chaude. La pente de la caractéristique (=1/R) augmente avec T : R diminue
avec T. Pour la suite, nous allons pouvoir utiliser directement un ohmmètre pour mesurer cette résistance.
I.2 Courbe d’étalonnage Duffait ca p.143 - Duffait ag p.111 – Bell p.237 – Quara III p.432 - Quaranta IV p.466
On vient de voir que R varie avec la température. Mais comment ?
Attention : à faire dès le début de la préparation, car très long (il faut attendre que la température se stabilise) : on
parcourt la plage 0°C – 100°C. Mettre les capteurs sur des supports. Il faut qu’ils soient assez proches les uns des
autres pour mesurer la même température. Travailler sous agitation.
On mesure la résistance de CTN et Platine, et on mesure la température avec un thermocouple (très précis). On trace
RCTN = f(t) et Rplat=f(t). Conclusion :
 Pour la résistance de platine, R augmente avec la température. En effet, la conductivité  d’un matériau (inverse
de la résistivité) est proportionnelle au nombre n de porteurs et à leur mobilité . Lorsque l’on augmente la
température, la mobilité diminue.
 Pour la CTN (semi-conducteur), quand la température augmente, la mobilité diminue également, mais cet effet
est très largement compensé par l’augmentation exponentielle du nombre de porteurs (création de paires
électrons-trous), donc R diminue.
 Comparer le temps de réponse des 2 capteurs

 On remarque que la CTN n’est pas un capteur linéaire (la sensibilité, qui représente la tangente à la courbe, n’est
pas constante), contrairement à la résistance de platine.
 Par contre, la sensibilité de la CTN est meilleure pour des températures allant jusqu’à 40°C (pente plus
importante)
I.3 Applications
I.3.1 Mesure de température
Maintenant que l’on a tracé cette courbe d’étalonnage, on peut utiliser ces capteur pour mesurer une température.
On mesure la température d’un bain d’eau tiède (celui qui a servi à faire les mesures en préparation) avec chacun des
capteurs (CTN, platine, thermocouple, thermomètre à alcool). précision
I.3.2 Commande d’un ventilateur Bellier p.237 (transistor) ou Duffait capes p.145 (AOP)
mise en route de la climatisation ou d’un ventilateur quand la température de la pièce atteint une température X
(ou thermostat : mise en route de la chaudière ou d’un radiateur quand la température de la pièce est en dessous de
X degré – dans ce cas, on fait le montage inverse)
Comme il s’agit de capteurs passif, il est nécessaire d’utiliser un circuit de conditionnement qui est soit composé :
Un transistor (dans le cas de R grand) (NPN 2N2222A) ; Un AOP (R petit) ; Pont de Wheastone (R très petit)
On utilisera ici, un montage à transistor. R2 : boîte de résistance. On règle R2 à 300  environ.
Réglage de R2 : régler R2 pour que le moteur ne tourne pas à température ambiante (iB faible (<100A) et iC faible
(20mA)). Plonger la CTN dans l’eau chaude. RCTN diminue, donc iB et iC augmentent. Le moteur doit tourner. R2
permet en fait de régler le seuil de température
Explication du montage : on utilise le transistor en dipôle commandé (= en commutation). Si UBE < 0,6 V, alors iB=0.
Le transistor est bloqué et se comporte comme un interrupteur ouvert entre C et E. L’appareil commandé est alors au
repos. UBE = 𝑅2
𝑅2+𝑅𝐶𝑇𝑁E. A température ambiante, RCTN est élevée, donc UBE < 0,6 V. Quand on augmente la
température, RCTN est + faible, donc UBE augmente. Le transistor devient passant. Rq : avec la résistance de platine, R
diminue très peu avec la température. Il faudra alors utiliser un autre type de montage (à AOP).
II. Capteurs de luminosité
Les capteurs de lumière sont des composants qui réalisent la conversion d'un signal lumineux en signal
électrique. Les trois principaux photocapteurs sont: photo-résistance ou LDR (Light Dependant Component) (R
dépend de l’éclairement – capteur passif), photodiode, phototransistor, photopile.(u dépend de l’éclairement –
capteur actif). Les photocapteurs ont des applications très diverses: télécommandes de télévision, capteurs CDD
dans les appareils photo numériques, luminophores sur les écrans de télévision, détecteur de baisse d'éclairement.
Comme pour les capteurs de température, pour pouvoir utiliser un capteur de lumière, il est nécessaire de connaître
les variations d'une grandeur physique, caractéristique du photocapteur, en fonction de l'éclairement.
II.1 Evolution de la caractéristique en fonction de la température
II.1.1 Photorésistance Quaranta III p.360 - Quaranta IV p.343
Ces capteurs utilisent l’effet photoélectrique du silicium, semi-conducteur, dont la bande interdite vaut 1,12 eV.
L’énergie h du photon sert à faire passer les électrons de la bande de valence à la bande de conduction. Ainsi, la
résistivité du matériau ↓ quand le flux lumineux augmente. Mesurer R en lum ambiante, en lum directe et dans le noir
II.1.2 Photopile
L’effet photovoltaïque a été découvert par Antoine Becquerel en 1839. Il est produit par absorption de photons dans
un matériau semi-conducteur qui génère en réponse une tension électrique. En éclairant une jonction, on provoque
l’apparition de paires électron-trou, donc de porteurs. Ce phénomène est particulièrement mis en évidence lorsque la
jonction est polarisée en inverse. Le courant inverse, très faible dans l’obscurité, augmente considérablement en
présence de lumière. La photodiode fonctionne comme une source de courant proportionnelle au flux lumineux.
Contrairement aux photorésistances, ce sont des dispositifs lents. Les photodiodes ont des temps de réponses de
quelques dizaines de nanosecondes. La photopile est une photodiode qui fonctionne en générateur. Contrairement à
la photodiode, c’est un dipôle actif. Lorsqu’on éclaire la jonction, on peut mesurer entre anode et cathode, une tension
à vide de l’ordre de la barrière de potentiel (0,6V). Cette fem ne dépend que de l’intensité du rayonnement ; seule la
puissance disponible est fonction de l’éclairement de la photopile. Pour augmenter l’intensité du courant, on utilise
une grande surface. Mesure de U en fonction de l’éclairement (cf II.1.1)
II.2 Temps de réponse d’une photodiode et d’une photorésistance Duffait capes p.292
On visualise le courant sur l’oscillo. On voit que le courant reproduit la variation temporelle d’éclairement. On voit
aussi qu’après chaque flash (supposé suffisamment court), le photorécepteur reste conducteur pendant une durée
très courte de quelques microsecondes. Cela illustre la bonne réponse en fréquence de la photodiode.
On peut faire la même chose avec la photorésistance
II.3 Application à l’allumage automatique de lampes Bellier p.230 (AOP)
Il est possible d’utiliser ce type de capteur pour l’allumage automatique des phares de véhicules ou l’allumage
automatique des lampes de rue. R2 = seuil de déclanchement. Vs=+Vsat donc V+>V- donc R2>R1. On choisit R2=150
car en pleine lumière, R1=50 et en pleine ombre, R1=300 (comme on l’a établit en II.1.1)
Conclusion
Nous avons étudié dans ce montage, 2 types de capteurs : les capteurs de température et les capteurs de luminosité.
Nous avons étudié des capteurs actifs et des capteurs passifs. Nous avons tracé les caractéristiques courant-tension
et les courbes d’étalonnage de capteurs. Nous avons mis en évidences certaines propriétés comme la linéarité, la
sensibilité et le temps de réponse. Les capteurs constituent le premier élément de la chaîne d’acquisition. Souvent, le
signal de sortie de capteur n’est pas suffisant. Il faut alors l’amplifier. Ensuite arrive la chaîne de traitement de
l’information.