COURS CAPTEURS

Département GMP
UE32 – M3204 Traitement de l’information
Chaine de Mesure : Du capteur au convertisseur analogique/numérique
- Capteurs : Principes généraux de transduction (résistif, inductif,
thermoélectrique…) et caractéristiques principales
(fonction de
transfert)
- Mise en forme des signaux : Amplification, filtrage, conversion A/N
Introduction
 Le capteur est le premier élément d’une chaine de mesure
 Il fournit un signal électrique proportionnel à la grandeur physique à mesurer
Chaîne de mesure analogique
Chaîne de mesure numérique
 Fonction de la chaine de mesure : Fournir une valeur électrique, sous forme analogique ou
numérique, permettant de quantifier la grandeur physique à mesurer.
 Le capteur est un élément sensible qui délivre une variation électrique obtenue directement
(capteur actif) ou indirectement (capteur passif), modifiée par la grandeur physique à mesurer
 Quelques applications
Mesure de température
Mesure de pression
Mesure de débit
Mesure de niveau
Mesure de position
Mesure de vitesse
Caractéristiques des capteurs
 Les capteurs sont conçus pour reproduire les variations de la grandeur physique à mesurer
avec une grande qualité
 Ils doivent avoir un comportement stable, reproductible et fiable
 Les caractéristiques usuelles d’un capteurs sont :
 Les limites d’utilisation
 La répétabilité
 L’étendue de mesure
 L’hystérésis
 La sensibilité
 La finesse
 La résolution
 Le temps de réponse
 La précision
 Dans ce module on s’intéresse uniquement aux capteurs à de type « électriques »
 Un capteur est un dispositif constitué d’un corps d’épreuve sensible à la grandeur physique à
mesurer et d’un transducteur qui la transforme en grandeur électrique, en général analogique.
 Le circuit de mise en forme convertit la grandeur électrique en grandeur adaptée au système de
traitement de l’information (Automate, ordinateur, Asservissement…)
 Les limites d’utilisation
Ce sont les limites extrêmes (inférieure et supérieure) de la grandeur physique que l’on peut
reproduire sans détériorer ou modifier les caractéristiques métrologiques du capteur.
 L’étendue de mesure
C’est la différence entre les valeurs extrêmes (minimale et maximale) pouvant être mesurée par
la chaîne de mesure.
 L’erreur absolue et relative
L’erreur absolue est la valeur de l’erreur directement liée à la mesure. Par exemple :
pour une valeur nominale de 100Ω, l’erreur absolue est ± 0,2Ω
L’erreur relative est le rapport en pourcentage entre l’erreur absolue et le résultat de
La mesure. Pour le même exemple, l’erreur relative est : (0,2Ω / 100Ω) * 100 = 0,2 %
 La sensibilité
Elle traduit le rapport entre la variation du signal de sortie et la variation du signal d’entrée.
Par exemple :
 Mesure de température : 10 mV/°C
 Mesure de débit : 1 mA/litres/s
Parfois, la sensibilité n’est pas unique sur toute l’étendue de mesure.
 La résolution
C’est la plus petite grandeur que l’on peut reproduire sur l’instrument avec précision.
La précision
C’est la qualité qui caractérise l’aptitude d’un capteur à donner des indications proches de la
vraie valeur de la grandeur mesurée. L’erreur de précision représente l’erreur globale d’un
capteur. Elle est généralement comprise entre ±0,5% et ±2% de l’étendue de mesure.
La répétabilité
C’est l’aptitude d’un capteur à reproduire le même signal de sortie lorsqu’il est soumis à la
même grandeur physique.
Elle est exprimée en pourcentage par rapport à l’étendue de mesure.
 L’hystérésis
Lorsque les courbes de transfert du capteur pour une variation croissante et décroissante de la
grandeur physique ne sont pas identiques, on parle d’une erreur due à l’hystérésis du capteur
Cette erreur est exprimée en pourcentage par rapport à l’étendue de mesure.
 La finesse
C’est la qualité exprimant l’aptitude d’un capteur à donner la valeur de la grandeur à mesurer
sans modifier celle-ci par sa présence.
 Le temps de réponse
C’est le temps que prend le signal de sortie pour retrouver un nouvel équilibre après une
variation brusque de la grandeur à mesurer.
Principe de fonctionnement des capteurs
Les capteurs se basent sur l’exploitation de certaines propriétés physiques pour mesurer la
grandeur en question.
Plusieurs phénomènes sont mis en œuvre dans les capteurs :
Électrique
Électromagnétique
Optoélectronique
Mécanique
Piézo-électrique
Thermoélectrique
Acoustique
Les capteurs optoélectroniques
La photodiode
 C’est une jonction PN qu’on utilise en polarisation inverse
 La tension inverse crée un champ intense s’opposant au mouvement des électrons
 Si la jonction est éclairée, un photon peut donner une énergie suffisante à un électron pour
surmonter cette barrière
Un faible courant inverse est alors créé
La photorésistance
 Elle est réalisée avec des matériaux semi-conducteurs
 Sa résistivité diminue quand elle est soumise à un rayon lumineux
Les cellules photovoltaïques ou photopiles
 Elles délivrent une tension de quelques millivolts lorqu’elles sont soumises à un rayon lumineux
 Plusieurs cellules peuvent être mises en série ou en parallèle pour augmenter la tension ou le
courant de sortie
Les capteurs de température
 Les thermistances
Ce sont des résistances sensibles à la température. Il en existe deux types.
CTP : Coefficient de température positif, la résistance augmente avec la température
CTN : Coefficient de température négatif, la résistance diminue avec la température
 Les résistances RTD
RTD : Resistance temperature Detector
Principe : la résistance des métaux tels que le cuivre le platine et le nickel varie avec la
température
Par exemple, la RTD platine 100Ω (appelée sonde Pt100) est devenue une norme en
instrumentation. Elle offre une résistance de 100Ω à 0°C. Elle peut mesurer des températures
comprises entre -180°C et +650°C
Formule : RT = R0 * (1 + α T)
RT : résistance en Ω à la température T ; R0 : résistance en Ω à 0°C ;
α : coefficient de température du matériau en Ω /°C (pour le platine α = 0,00385 Ω / °C)
 Les diodes
La tension de barrière d’une diode dépend de la température.
Les capteurs (jauges) de contraintes
 Elles mesurent de très petites variations de dimension d’un corps soumis à une force
 Elles sont composées d’un papier mince sur lequel est collé en zigzag un fil résistant fin
 La variation de la résistance est généralement inférieure à 1%
 La résistance du fil est exprimée par la relation :
R=*(L/S)
R : résistance du fil en Ω ;
 : résistivité en Ω.m ;
L : longueur en m ;
S : section en m2
Quand la jauge subit un allongement longitudinal, la plus grande variation de sa résistance est due
au changement de sa longueur
R/R = K * L/L (K dépend du matériau constituant la jauge)
Applications : mesure de la déformation d’un corps sous l’effet d’une contrainte,
mesure du poids, mesure de la pression
LOIS ET THEOREMES GENERAUX EN REGIME CONTINU
 La résistance R rend compte du déplacement des électrons à travers la
structure atomique du matériau conducteur. En effet, leur propagation est
perturbée par des chocs contre les atomes fixes de la structure.
 La valeur R dépend de la géométrie (longueur L et section S) de la résistance
et de la nature du matériau (résistivité électrique ρ) qui la constitue :
S
ρ
L
avec ρ résistivité électrique (en Ω.m)
L : longueur (en m)
S : section (en m2)
R : résistance (en Ω)
 Ce calcul est valable quelle que soit la forme de la section du conducteur (carré,
rond, …) en statique comme en dynamique.
 Le tableau suivant donne la résistivité de quelques matériaux :
Matériau
Résistivité ρ (Ω.m)
Matériau
argent
aluminium
cuivre
tungstène
or
silicium
Résistivité ρ (Ω.m)
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LOIS ET THEOREMES GENERAUX EN REGIME CONTINU
 La température du matériau a une influence sur sa résistivité. En effet, lorsque
la température augmente, l’agitation thermique des électrons augmente, ce qui
signifie davantage de collisions avec la structure atomique du matériau. Cela se
traduit par une augmentation de la résistivité et donc de sa résistance :
 Le tableau suivant donne quelques valeurs du coefficient de température a
pour différents matériaux :
Matériau
argent Ag
platine Pt
cuivre Cu
3,8
4
4,1
aluminium Al
Nickel Ni
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 Notion de conductance G :
Il est parfois plus commode d’utiliser la conductance G qui se définit comme suit
:
avec G : conductance en Siemens (S)
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