II.1.1.3) Capteurs à semi-conducteur

1
Conversion d’une grandeur physique
LES CAPTEURS .................................................................................................................................................................................. 3
I) Généralités sur les capteurs ...................................................................................................................................................... 3
I.1) Principe ......................................................................................................................................................................................... 3
I.2) Caractéristiques d’un capteur ................................................................................................................................................ 5
I.2.1) Sensibilité: ....................................................................................................................................................................... 5
I.2.2) Plage de mesure: ............................................................................................................................................................. 5
I.2.3) Rapidité:............................................................................................................................................................................ 5
I.2.4) Finesse: ............................................................................................................................................................................. 5
I.2.5) Fidélité: ............................................................................................................................................................................ 5
I.2.6) Justesse: .......................................................................................................................................................................... 5
I.2.7) Précision: .......................................................................................................................................................................... 5
I.2.8) Résolution ......................................................................................................................................................................... 6
I.2.9) La fonction de transfert............................................................................................................................................... 6
I.3) Conditionneurs ........................................................................................................................................................................... 6
I.3.1) Modèle source de tension ............................................................................................................................................. 6
I.3.2) Modèle source de courant ............................................................................................................................................ 6
I.3.3) Modèle source de charge .............................................................................................................................................. 6
I.3.4) Montages potentiométrique ......................................................................................................................................... 7
I.3.5) Montages en pont ........................................................................................................................................................... 7
I.3.6) Amplification ................................................................................................................................................................... 7
I.3.6.1) Principe .................................................................................................................................................................................. 7
I.3.6.2) Le mode commun ................................................................................................................................................................. 8
I.3.6.3) Caractéristiques de l’amplification ................................................................................................................................. 8
I.3.7) Boucles de courant 4-20 mA ........................................................................................................................................ 8
I.4) Echantillonnage et numérisation d’un signal ........................................................................................................................ 9
I.4.1) Echantillonnage : ............................................................................................................................................................. 9
I.4.2) Convertisseur analogique numérique CAN (ADC) ..................................................................................................... 9
I.4.3) Convertisseur numérique analogique CNA (DAC) .................................................................................................... 11
I.5) Câblage des détecteurs ......................................................................................................................................................... 12
I.5.1) Détecteurs Tout Ou Rien............................................................................................................................................ 12
II) Les différents types de capteurs ......................................................................................................................................... 14
II.1) Capteurs de température..................................................................................................................................................... 14
II.1.1) Principes ......................................................................................................................................................................... 14
II.1.1.1) Capteurs directs par effet thermoélectriques : effet Seebeck (Effet Thomson+Peltier) ............................ 14
II.1.1.2) Capteurs indirects : résistifs, thermistance: ........................................................................................................... 15
II.1.1.3) Capteurs à semi-conducteur : ....................................................................................................................................... 17
II.1.1.4) Capteurs rayonnement infrarouge : ............................................................................................................................. 17
II.2) Capteurs d’humidité : Hygromètres .................................................................................................................................. 17
II.3) Capteurs de longueur et déplacement .............................................................................................................................. 17
II.3.1) Capteur résistif ............................................................................................................................................................ 17
II.3.2) Capteur capacitif .......................................................................................................................................................... 18
II.3.3) Capteur inductif ............................................................................................................................................................ 19
II.4) Capteurs de force et accélération .................................................................................................................................... 20
II.4.1) Effet piézorésistif : .................................................................................................................................................... 20
II.4.2) Effet piézoélectrique :................................................................................................................................................ 20
II.5) Capteurs magnétique ............................................................................................................................................................ 21
II.5.1) .Capteur à effet Hall ................................................................................................................................................... 21
II.5.2) .Effet magnétorésistif ................................................................................................................................................ 22
II.6) Capteurs de vitesse et position ......................................................................................................................................... 23
II.6.1) .Génératrice tachymétrique ....................................................................................................................................... 23
II.6.1.1) Dynamo tachymétrique :................................................................................................................................................. 23

2
II.6.1.2) Machine synchrone tachymétrique : ........................................................................................................................... 23
II.6.2) .Tachymètre à impulsions ............................................................................................................................................ 23
II.6.2.1) Procédé optique : ............................................................................................................................................................. 23
II.6.2.2) Procédé inductif: ............................................................................................................................................................ 23
II.6.3) .Codeurs .......................................................................................................................................................................... 23
II.6.3.1) Codeur incrémental: ....................................................................................................................................................... 24
II.6.3.2) Codeur absolu: ................................................................................................................................................................. 25
II.6.4) .Résolveurs ..................................................................................................................................................................... 26
II.7) Capteurs de débits et niveaux ........................................................................................................................................... 26
II.7.1) Capteur de débit ........................................................................................................................................................... 26
II.7.1.1) Principe thermique........................................................................................................................................................... 26
II.7.1.2) .Différences de pressions ............................................................................................................................................. 26
II.7.1.3) .Mesure de vortex........................................................................................................................................................... 27
II.7.1.4) .Turbine ............................................................................................................................................................................. 27
II.7.1.5) .Electromagnétique : complexe .................................................................................................................................... 27
II.7.1.6) .A effet Coriolis : ............................................................................................................................................................ 27
II.7.1.7) .A Ultrasons...................................................................................................................................................................... 27
II.7.2) Capteur de niveau ......................................................................................................................................................... 27
II.8) Capteurs optique ................................................................................................................................................................... 27
II.8.1) .Photorésistance ........................................................................................................................................................... 27
II.8.2) .Photodiode..................................................................................................................................................................... 28

3
LES CAPTEURS
Principaux types de capteurs, exemples caractéristiques dans les domaines numériques et analogiques : capteur de
courant, de tension, de déplacement, de vitesse, de position de température ( 3 capteurs étudiés : un courant , un
température, un des systèmes)
I) Généralités sur les capteurs
Leur place dans un dispositif
I.1) Principe
Un transducteur est un dispositif qui transforme, selon une loi
déterminée, une grandeur physique (grandeur d'entrée m) en
une autre grandeur physique, souvent de nature différente
(grandeur de sortie S) (fig. 1).
Un capteur est un transducteur, ou une partie de transducteur,
qui traduit la grandeur d'entrée (déplacement, vitesse, accélération, force, pression, température, etc.), en un
signal susceptible d'être mesuré.
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 qui est fournie par le conditionneur.
Transducteur
Grandeur physique
d’entrée ou
mesurande m
Grandeur physique
de sortie : s
Figure 1

4
MESURANDE
Effet Utilisé
Grandeur de
sortie
MATERIAUX
Température
Thermoélectricité
(thermocouple)
Tension
Platine, nickel, cuivre
Température
Flux optique
Pyroélectricité
(PYROMETRE A INFRAROUGE)
Charge
Température
Résistivité
(THERMISTANCES)
Semi-conducteurs
Température (Très Basse)
Cste diélectrique
Verre
Flux optique
Photo émission
Courant
Flux optique
Effet Photovoltaïque
Courant
Semi-conducteurs
Flux optique
Résistivité
Semi-conducteurs
Accélération vitesse
Induction
électromagnétique
Tension
Force pression
Piézo électricité
Charge
Déformation
Résistivité
Alliages nickel Silicium dopé
Déformation
Perméabilité magnétique
Alliages ferromagnétiques
Position
Résistivité
Magnétorésistances :Bismuth,
antimoine d’indium
Position (aimant) ou
courant
Effet Hall
Tension
Humidité
Résistivité
Chlorure de lithium
PHENOMENE PHYSIQUE
CAPTEURS
TEMPERATURE
THERMOCOUPLES
THERMISTANCES
PYROMÈTRE À INFRAROUGE
PH
Electrodes
POSITION
POTENTIOMETRE
CAPTEUR OPTIQUE
CAPTEUR A ULTRASONS
CAPTEUR INDUCTIF
CAPTEUR CAPACITIF
PRESSION ET FORCE
JAUGES DE CONTRAINTE
MICROPHONE
LUMIERE
CELLULE PHOTOELECTRIQUE
CAPTEUR CCD
NIVEAU ET DEBIT
CAPTEUR A FLOTTEUR
DEBITMETRE A ULTRASONS
Pour les capteurs industriels, l'ensemble capteur et conditionneur délivre un signal standardisé 0 à 10 Volts pour
une tension, et 4 à 20 mA pour un courant.
L'information délivrée par un capteur pourra être logique (2 états), numérique (valeur discrète), analogique (dans
ce cas il faudra adjoindre à la partie commande un module de conversion analogique numérique).
On peut caractériser les capteurs selon deux critères :
- en fonction de la grandeur mesurée; on parle alors de capteur de position, de température, de vitesse,
de force, de pression, etc.;
- en fonction du caractère de l'information délivrée; on parle alors de capteurs logiques appelés aussi
capteurs tout ou rien (TOR), de capteurs analogiques ou numériques.
On peut alors classer les capteurs en deux catégories, les capteurs à contact qui nécessitent un contact direct
avec l'objet à détecter et les capteurs de proximité.

5
I.2) Caractéristiques d’un capteur
I.2.1) Sensibilité:
C'est la plus petite variation d'une grandeur physique que peut détecter un capteur.
Un transducteur doit être sensible: une petite variation m de la grandeur e doit entraîner une variation s
suffisamment grande pour être convenablement exploitée.
'
()
()
Ptd étude
d Grandeur desortie
Sensibilité d mesurande
Elle s'exprime par exemple en °C/V (capteur de température 1°C/10 mV)
S
V
En °C/V
I.2.2) Plage de mesure:
C'est la différence entre le plus petit signal détecté et le plus grand perceptible sans risque de destruction pour
le capteur. (EX 0-100°C)
I.2.3) Rapidité:
C'est le temps de réaction d'un capteur entre la variation de la grandeur physique qu'il mesure et l'instant où
l'information prise en compte par la partie commande.
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.
C’est la qualité d’un capteur à suivre les variations du mesurande. On peut la chiffrer de plusieurs manières :
- bande passante du capteur. (à –3 dB par exemple).
- Fréquence de résonance du capteur.
- Temps de réponse (à x%) à un échelon du mesurande.
I.2.4) Finesse:
C’est la qualité d’un capteur à ne pas venir modifier par sa présence la grandeur à mesurer. Cela permet d’évaluer
l’influence du capteur sur la mesure. On la définit non seulement vis à vis du capteur mais aussi vis à vis de
l’environnement d’utilisation du capteur.
Par exemple, dans le cas d’une mesure thermique, on cherchera un capteur à faible capacité calorifique vis à vis
des grandeurs l’environnant.
Finesse et sensibilité sont en général antagonistes. Il peut y avoir un compromis à faire.
Pour un capteur d’induction B, un capteur à forte perméabilité sera très sensible, par contre sa présence aura
tendance à perturber les lignes de champ et la mesure de l’induction ne sera pas celle sans capteur, d’où une
mauvaise finesse. Mais cette erreur peut être évaluée en vue d’une correction post-mesure et ainsi faire
abstraction de la présence du capteur.
I.2.5) Fidélité ou reproductibilté:
Elle définit la qualité d’un capteur à délivrer une mesure répétitive sans erreurs. L’erreur de fidélité correspond à
l’écart type obtenu sur une série de mesures correspondant à un mesurande constant.
Un transducteur doit être fidèle : la même valeur de e doit toujours provoquer la même valeur de s.
I.2.6) Justesse:
C’est l’aptitude d’un capteur à délivrer une réponse proche de la valeur vraie et ceci indépendamment de la notion
de fidélité. Elle est liée à la valeur moyenne obtenue sur un grand nombre de mesures par rapport à la valeur
réelle.
I.2.7) Précision ou fidélité ou reproductibilté:
Elle définit l’écart en % que l’on peut obtenir entre la valeur réelle et la valeur obtenue en sortie du capteur. Ainsi
un capteur précis aura à la fois une bonne fidélité et une bonne justesse