Capteurs et transmetteurs : Cours complet

Capteurs et transmetteurs
1. Définitions
1.1. Le capteur
Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une
grandeur physique (information entrante), une autre grandeur physique de nature
différente (très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur
prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
1.2. Capteur actif
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe
sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme
d'énergie propre à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou
de rayonnement.
Les plus classiques sont :
 Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature
chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le
siège d'une force électromotrice e(T1,T2).
 Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains
matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition
d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les
faces opposées.
 Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction
magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique.
 Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière
sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde
électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil
caractéristique du matériau.
 Effet Hall : Un champs B crée dans le matériau un champs électrique E dans
une direction perpendiculaire.
 Effet photovoltaïque :Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une
jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.

Grandeur physique à
mesurer
Effet utilisé
Grandeur de
sortie
Température
Thermoélectricité
Tension
Pyroélectricité
Charge
Flux de rayonnement
optique
Photo-émission
Courant
Effet photovoltaïque
Tension
Effet photo-électrique
Tension
Force
Piézo-électricité
Charge
Pression
Accélération
Induction
électromagnétique
Tension
Vitesse
Position (Aimant)
Effet Hall
Tension
courant
1.3. Capteur passif
Il s'agit généralement d'impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible
à la grandeur mesurée. La variation d'impédance résulte :
 Soit d'une variation de dimension du capteur, c'est le principe de
fonctionnement d'un grand nombre de capteur de position, potentiomètre,
inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile.
 Soit d'une déformation résultant de force ou de grandeur s'y ramenant,
pression accélération (armature de condensateur soumise à une différence de
pression, jauge d'extensiométrie liée à une structure déformable).
Grandeur mesurée
Caractéristique
électrique sensible
Type de matériaux utilisé
Température
Résistivité
Métaux : platine, nickel, cuivre ...
Très basse
température
Constante diélectrique
Verre
Flux de
rayonnement
optique
Résistivité
Semi-conducteur
Déformation
Résistivité
Alliage de Nickel, silicium dopé
Perméabilité
magnétique
Alliage ferromagnétique
Position (aimant)
Résistivité
Matériaux magnéto résistants :
bismuth, antimoine d'indium
Humidité
Résistivité
Chlorure de lithium

L'impédance d'un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu'en intégrant le
capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneur.
1.4. Corps d'épreuve et Capteurs composites
Pour des raisons de coût ou de facilité d'exploitation on peut être amené à utiliser un
capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l'un de ses effets.
Le corps d'épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer
produit une grandeur directement mesurable par le capteur.
1.5. Capteur intégré
C'est un composant réalisé par les techniques de la microélectronique et qui regroupe
sur un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps
d'épreuve et l'électronique de conditionnement.
2. Classification des signaux

2.1. Signal analogique
Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le réprésentant
peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné.
 Signal continu : C'est un signal qui varie lentement dans le temps. Exemple :
température, débit, niveau.
 Forme : C'est la forme de ce signal qui est l'information importante. Exemple
: pression cardiaque, chromatographie, impact.
 Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée.
Exemple : analyse vocale, sonar, spectographie.
2.2. Signal Numérique
Un signal est numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut
prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une
puissance de 2. (2n)
 Tout ou rien (TOR) : Il informe sur un l'état bivalent d'un système. Exemple :
une vanne ouverte ou fermée.
 Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état.
Exemple : un codeur incrémental donne un nombre fini et connu d'impulsion
par tour.
 Echantillonnage : C'est l'image numérique d'un signal analogique. Exemple :
température, débit, niveau.

3. Conditionnement du signal pour les capteurs
passifs
3.1. Variation d'amplitude
Pour simplifier, on ne considère, dans ce qui suit, que les capteurs basés sur la
variation de résistance mais les principes s'appliquent à tous les types de variation
d'impédance. La variation de la résistance Rc du capteur est proportionnelle à la
grandeur à mesurer. Le capteur de résistance Rc en série avec une résistance R1 est
alimenté par une source de tension Es de résistance interne Rs. On a alors :
Remarque : la tension Vm n'est pas proportionnelle à Rc.
3.1.1 Linéairisation de la mesure
On souhaite que la variation de Vm soit proportionnelle à la variation de Rc.
 Première solution : Fonctionnement en “petits signaux”. La résistance Rc
passe de Rco à Rco + dRc, Vm passe alors de Vmo à Vmo + dVm. Ainsi :
Si dRc << Rco + Rs + R1 on a :