cours capteurs

Le capteur
1. Définition
C'est un dispositif transforme une grandeur physique en grandeur physique exploitable de nature différente,
souvent de nature électrique.
2. Terminologie :
2.1 Le mesurande : c’est la grandeur que l'on cherche à mesurer
2.2 Le Capteur actif
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.
C’est la loi physique elle-même qui relie mesurande et grandeur électrique de sortie.
Il est dit actif car la sortie du capteur est équivalente à un générateur. C’est un dipôle actif qui peut être du type
courant, tension ou charge. Les principes physiques mis en jeu sont présentés ci-dessous.
Mesurande
Effet utilisé
Grandeur de sortie
T
Température
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).
Tension Fem
F
Force ou pression
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.
Charge electrique
V ou Ω
Vitesse linéaire ou
angulaire
Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction
magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique.
Tension Fem
Flux de
Rayonnement
lumineux
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.
Tension
B champ
magnetique
Effet Hall : Un champ B crée dans le matériau un champ électrique E
dans une direction perpendiculaire. Permet des mesures de position,
courants etc
Tension
Φ flux dune onde
électromagnétique
Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au
voisinage d'une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la
tension à ses bornes.
Tension
Φ flux thermique
Effet pyroélectrique : c’est la température qui est la grandeur
principale de mesure
Tension
Mesurande
Signal exploitable (électrique)
Capteur
Perturbation externe

2.3 Capteur passif
Les capteurs dont le signal électrique délivré est une variation d'impédance la Mesurande agit sur: - la géométrie et
les propriétés électriques () du capteur ils sont dits passifs car ils nécessitent une source d'énergie électrique
pour que l'on puisse lire la sortie.
Le circuit dans lequel ils sont incorporés s'appelle le conditionneur.
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'extensomètre liée à une structure déformable).
le capteur passif se comporte en sortie comme un dipôle passif qui peut être résistif, capacitif ou inductif.
Mesurande
Caractéristique électrique
Matériaux
Grandeur
électrique
principale
Grandeur
électrique
mesurée
T
Température
Très basse température
Résistivité
Cste diélectrique
Platine, nickel, cuivre,
semi-conducteurs
Verre
𝜌 et ᵋ
Resistance
ou
impédance
Φ Flux optique
Résistivité
Semi-conducteurs
𝜌
Courant
ou tension
∆F Déformation
Résistivité Perméabilité
Alliages nickel
Alliages ferromagnétiques
𝜌 et ᵋ
Resistance
∆B variation de champ
magnétique Position
Résistivité
Magnétorésistances :
Bismuth, antimoine
d’indium
𝜌
Resistance
Humidité
Résistivité
Chlorure de lithium
𝜌 et ᵋ
Resistance
L déplacement ou Niveaux
Resistance
liquide
𝜌 et ᵋ
Resistance
Le tableau ci-dessus résume, en fonction du

3. Transmission du signal de mesure
Selon le type de capteur, le signal électrique de mesure peut être de différentes natures : analogique, numérique ou
logique.
3.1 Signal analogique :signal de mesure analogique : Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur
physique le représentant peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné.
il est lié au mesurande par une loi continue, parfois linéaire, qui caractérise l'évolution des phénomènes physiques
mesurés. Il peut être de toute nature :
 courant 0 - 20 mA , 4 - 20 mA
 tension 0 - 10 V , 0 - 5 V
 Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit, niveau.
 Forme : C'est la forme de ce signal qui est important : pression cardiaque, chromatographie, impact.
 Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse vocale, sonar,
spectrographie.
3.2 Signal numérique : Signal de mesure numérique : il se présente sous la forme d'impulsions électriques
générées simultanément (mode parallèle, sur plusieurs fils) ou successivement (mode série, sur un seul fil). Cette
transmission est compatible avec les systèmes informatiques de traitement.
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.
 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.
 signal de mesure logique : il ne compte que deux valeurs possibles, c'est un signal tout ou rien. Tout ou rien
(TOR) : Il informe sur un l'état bivalent d'un système. Exemple : une vanne ouverte ou fermée.
Différents types de signaux
Type de capteur
Type de signal de sortie
Appellation
Exemple
Analogique
Bas niveau
Capteur
Sonde pH
- 50 mV/unité pH
Haut niveau
Capteur
transmetteur
Capteur pression
4 - 20 mA
Numérique
Numérique absolu
Codeur absolu
Capteur de position angulaire
Numérique incrémental
Codeur incrémental
Capteur de vitesse
Logique
Tout ou rien
Détecteur
Détecteur de niveau

4. Constitution d'un capteur
4.1 Corps d'épreuve et Capteurs composites
corps d'épreuve : élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer. Il transforme la grandeur à
mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable.
transducteur : il traduit les réactions du corps d'épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.
transmetteur : Un transmetteur est un appareil de mesure dont l'entrée est issue d'un capteur et dont la sortie est
un signal conforme à un standard analogique (0,2-1 bar ou 4-20 mA) ou numérique, directement utilisable dans une
boucle de mesure ou de régulation (mise en forme, amplification, filtrage, mise à niveau du signal de sortie pour sa
transmission à distance). Il peut être incorporé ou non au capteur proprement dit.
4.2 Capteur intégré
C'est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de
silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d'épreuve et l'électronique de conditionnement.
Capteur integré
5. Fonctions, symbolisation, schéma TI
5.1 Fonctions
Le capteur peut être associé avec plusieurs fonctions :
o La fonction indicateur local,
o La fonction indicateur à distance,
o La fonction transmetteur.
5.2 Symbolisation
La norme NF E 04-203 définit la représentation symbolique des régulations, mesures et automatisme des processus
industriels. Les instruments utilisés sont représentés par des cercles entourant des lettres définissant la grandeur
physique réglée et leur (s) fonction (s). La première lettre définie la grandeur physique réglée, les suivantes la
fonction des instruments.
Lettres pour le schéma TI

Schéma TI - Représention de l'instrumentation
Figure ti
Régulation de niveau dans le ballon avec correction de tendance
5.3 Opérations mathématiques
Dans certain cas, la mesure du capteur sera corrigée pour compenser les effets des grandeurs d'influence. On sera
amené alors à représenter sur le schéma TI ces différentes opérations. Le schéma figure math représente une
mesure de débit avec compensation de température et de pression.
Mesure de débit corrigé en pression et température
Figure math
Bus de terrain
Comme dans le reste de l'industrie, les capteurs analogiques laissent la place de plus en plus aux capteurs
numériques. Dans un premier temps ceci c'est matérialisé par l'apparition des transmetteurs intelligents.
Aujourd'hui, on se rapproche de plus en plus d'une architecture en réseaux des capteursÊ; le bus de terrain.
Il existe plusieurs standards industriels de bus de terrain, on citera : Profibus, Fieldbus, WoldFip. Leur objectif
est le même, simplifier la mise en place des boucles de régulation. Pour cela, ils utilisent une liaison unique
entre les différents intervenants de la boucle de régulation (capteurs, régulateurs, actionneurs), liaison qui