Un capteur est un organe de prélèvement d’informations qui élabore à partir d’une grandeur physique








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LES CAPTEURS




1 Generalites :

1-1 Définition :

Un capteur est un organe de prélèvement d’informations qui élabore à partir d’une grandeur physique (Information entrante ) une autre grandeur physique de nature différente ( Information sortante :très souvent électrique ). Cette grandeur, représentative de la grandeur prélevée, est utilisable à des fins de mesure ou de commande.




 Présence

 Position

 Déplacement linéaire

 Déplacement angulaire  Niveau  Vitesse linéaire  Vitesse angulaire  Accélération  Force  Pression  Couples  Débit  Température  Luminosité  Humidité  Vibrations  Chocs



Un capteur est composé de 2 éléments :

- Corps d’épreuve

- Détecteur ( Elément sensible ).

On distingue :

- Les capteurs passifs : Nécessitent une alimentation en énergie électrique

- Les capteurs actifs : Utilisent une partie de l’énergie fournie par la grandeur physique à mesurer

  • Le corps d’épreuve est un élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer. Il a pour rôle de transformer la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable. Cette grandeur constitue la réaction du corps d’épreuve

  • L’élément de transduction (transducteur) est un élément lié au corps d’épreuve. Il traduit les réactions du corps d’épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.

  • Le boîtier est un élément mécanique de protection, de maintien et de fixation du détecteur.

  • Le module électronique porte souvent le nom de transmetteur. Il peut être ou non incorporé au détecteur proprement dit

1_2 Type de capteurs électriques:

La grandeur électrique de sortie d’un capteur peut varier de 3 manières différentes :

· Binaire ( Information vraie ou fausse ) ð Capteur tout ou rien ( TOR )

· Progressive ( Variation continue ) ð Capteur analogique

· Par échelons de tension ( Courant ) ð Capteur numérique
1-3 Signal 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 .

trois cas de figure se présente :

      • Le signal continu

      • Le signal formel

      • Le signal fréquentiel


Le signal continu

C'est un signal qui varie lentement dans le temps

 Exemple : Mesure de température, mesure de débit, de niveau.

Le signal formel

C'est la forme de ce signal qui est l'information importante .

Exemple :pression cardiaque, chromatographie
Le signal fréquentiel

C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée.

Exemple : analyse vocale, sonar, spectrographie.
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, soit 2N.

De ce fait, trois cas de figure se présente :

  • signal Tout Ou Rien

  • train d’impulsion

  • L’échantillonnage


Le signal Tout Ou Rien

Il informe sur un l'état bivalent d'un système. Ce type de signal est aussi appelé signal logique.

Le 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
1-4 Chaîne de mesure

C’est l’ensemble des traitements du signal issu du capteur qui va permettre l’interprétation ou l’affichage correct du mesurande. Chaîne de mesure simple : On parle aussi de conditionnement du signal
1-5 Transmetteur

Le transmetteur est un dispositif qui convertit le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standardisé. Il fait le lien entre le capteur et le système de contrôle et de commande.

Ces principales fonctions sont :

- l ‘alimentation du capteur

- linéarisation du signal

- décalage du zéro

  • mise à l’échelle (amplification)


1-6 Capteurs intégrés

Un tel capteur intègre sur le même substrat de silicium (donc dans un seul composant électronique) :

- le capteur

- le conditionnement du signal (le transmetteur) Ce principe réduit l’encombrement de la chaîne de mesure, facilite la mise en œuvre du capteur et favorise la normalisation des capteurs.
1-7 Capteur intelligent

Avec le développement de la technologie LSI (large scale integration) et VLSI (very large scale integration), les capteurs peuvent être intégrés aux circuits de traitement du signal sur la même puce, pour réaliser l’ensemble des fonctions. On les appelle « capteurs intelligents ».

  • Il intègre :

- le capteur

- une conversion analogique numérique

- la chaîne de mesure et de traitement numérique du signal pilotée par un microprocesseur

- une mémoire

- une interface de communication numérique standardisée avec un calculateur ou ordinateur via un bus partagé entre plusieurs capteurs intelligents.

  • Ces capteurs intelligents peuvent ainsi, outre la prise du signal, assurer des fonctions multiples :

-  amélioration du rapport signal/bruit par adaptation d’impédance et amplification ;

-  prétraitement du signal, tel que compensation en température et en variation d’alimentation, remise à zéro automatique, filtrage de signaux parasites, corrections de non linéarité ;

-  traitement du signal, tel que codage et modulation des signaux de sortie, moyennage redondance pour acquérir le même signal avec plusieurs capteurs, alarmes intégrées pour signaler des défauts de fonctionnement des capteurs ;

-  logique et décision ;

-  réduction de consommation, par exemple en faisant travailler les capteurs en temps partagé 
2. Caractéristiques métrologiques

2.1 Les erreurs

Le capteur et toute la chaîne de traitement de la mesure introduisent des erreurs : bruit, décalage, référence, linéarité...

L’erreur globale de mesure ne peut être qu’estimée. Une conception rigoureuse de la chaîne de mesure permet de réduire les erreurs et donc l’incertitude sur le résultat.

On parle de : fidélité, justesse, précision, incertitude, linéarité.

2.2 Etalonnage

L’étalonnage permet d’ajuster et de déterminer, sous forme graphique ou algébrique, la relation entre le mesurande et la grandeur électrique de sortie. Très souvent l’étalonnage n’est valable que pour une seule situation d’utilisation du capteur.

2.3 Limites d’utilisation

Les contraintes mécaniques, thermiques ou électriques auxquelles un capteur est soumis entraînent, lorsque leurs niveaux dépassent des seuils définis, une modification des caractéristiques du capteur. Au-dessus d’un certain seuil, l’étalonnage n’est plus valable. Au-dessus d’un autre plus grand le capteur risque d’être détruit

2.4 Sensibilité

Plus un capteur est sensible plus la mesure pourra être précise. C’est une caractéristique importante pour l’exploitation et l’interprétation des mesures.

2.5 Rapidité - Temps de réponse

La rapidité est la spécification d’un capteur qui permet d’apprécier de quelle façon la grandeur de sortie suit dans le temps les variations du mesurande.

2.6 Finesse

La présence du capteur peut perturber le phénomène physique mesuré.

La finesse est une spécification qui permet d’estimer l’influence de la présence du capteur et de ses liaisons sur la valeur du mesurande. La finesse est d’autant plus grande que l’influence du capteur est faible.


Capteurs de position et de déplacement

Potentiomètre résistif

Capteurs inductifs

Capteurs capacitifs

Capteurs de proximité

Capteurs de déformation, de force, de pesage, de couple

Jauges d’extensiométrie

Capteurs piézoélectriques

Capteurs tachymétriques (de vitesse)

Génératrice à courant continu

Capteur à reluctance variable

Tachymètre optique

Capteurs de pression

Capteurs d’humidité

Capteurs magnétiques

Capteurs de température

Varistances

Thermocouples

Capteurs au silicium

Thermistances CTN

Thermistances CTP

Capteurs optiques

Photorésistances (LDR)

Phototransistors

Photodiodes


3Critères de choix d'un capteur

Critères techniques principaux:

  • Grandeur physique à acquérir

  • Température, pression, ondes sonores, signaux visuels....

  • Fonction de transfert Grandeur électrique = f( Grandeur physique)

  • Pour faciliter le traitement ultérieur, on essaie quand c'est possible d'obtenir une fonction de transfert linéaire:

  • Grandeur électrique = K* Grandeur physique avec K constant

  • Plage d'acquisition

  • Gamme de mesure de la grandeur physique

  • Plage de restitution

  • Variation possible de la tension ou du courant en sortie du capteur

  • Sensibilité (ou résolution)

  • Variation minimale de la grandeur d'entrée qui provoque une variation détectable de

  • la grandeur de sortie

  • Précision

  • Erreur maximale sur la mesure (exprimée en pourcentage de la valeur mesurée)

Autres critères:

  • Fidélité

  • Obtention du même résultat pour 2 captations effectuées dans les mêmes conditions

  • à des instants différents

  • Consommation Encombrement Robustesse Prix.......



Les capteurs de proximité
Détecteur inductif Lorsqu’un écran métallique est placé dans ce champ, des

courants induits constituent une charge additionnelle qui provoquent l’arrêt des oscillations

Après mise en forme, un signal de sortie, correspondant à un contact NO ou NF

Détecteur capacitif

Les détecteurs capacitifs sont des appareils capables de

détecter des objets métalliques ou isolants à distance ( solide,

liquide ou pulvérulent ). Une sortie statique informe de la détection

Un détecteur capacitif se compose essentiellement d’un oscillateur dont les condensateurs constituent la face sensible. Celle-ci est formée par l’une des armatures du condensateur. L’autre armature étant constituée par l’objet à détecter. La modification de l’espace situé devant la face sensible entraîne une variation de la capacité du condensateur d’où suivant la technologie choisie par le constructeur, amortissement ou création d’oscillations

Rappel :

Deux conducteurs, séparés par un isolant, constituent un condensateur. Par conséquent, tout conducteur isolé possède une capacité par rapport aux autres conducteurs.

Valeur de la capacité :

avec e0: Permittivité du vide er: Permittivité du relative de l’isolant

S: Surface des armatures e: Épaisseur du diélectrique

Le détecteur photoélectrique

Utilisation

Les détecteurs photoélectriques sont des appareils capables de détecter des objets à très grandes distances ( quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres ). Ils se présentent sous la forme d'un boîtier avec ou sans réflecteur, ou de deux boîtiers; l'un émetteur, l'autre récepteur

Fonctionnement

Les détecteurs photoélectriques se composent essentiellement d’un émetteur de lumière ( émettant dans l’infrarouge, le rouge ou le vert visible ) associé à un récepteur photosensible. La détection d’un objet est effective lorsque celui-ci interrompt ou établit le faisceau lumineux ( variation d’intensité



Le capteur de niveau

Utilisation

Il permet le maintien d’un niveau à des points spécifiques (niveau haut et niveau bas) et alarme pour un niveau anormalement bas.Il existe différentes méthodes de mesure ou de détection de niveau, on peut en énumérer essentiellement trois:

1 - Méthodes hydrostatiques de mesure de niveau

2 - Méthodes électriques de mesure de niveau.

3 - Méthodes fondées sur l’utilisation de rayonnements



 

 Quelques caractéristiques des capteurs de niveau de liquide 


Technologie

Étendue de mesure

Précision

Gamme de Température

Pression max
(bar)

Flotteur

10 mm à 30 m

0,5 à 5 %

-180 à 450 °C

100

Plongeur

30 cm à 6 m

0,5 %

-150 à 450 °C

40

Palpeur électromécanique

50 max

1 mm

-160 à 180 °C

25

Capteur de pression

0 à 25 bar

0,5 à 1 %

-20 à 120 °C

40

Sonde capacitive

0 à 10 m

1 %

-20 à 85 °C

40

Radar

0 à 30 m

10 mm

-

-

Ultrasons

0 à 50 m

1 %

-190 à 250 °C

40


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