Cours sur les Capteurs - PDF

# COURS LES CAPTEURS ## CHAPITRE I ## I- GÉNÉRALITÉS Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on a besoin de contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position, vitesse, luminosité, ...). Le capteur est l'élément indispensable à la...

# COURS LES CAPTEURS ## CHAPITRE I ## I- GÉNÉRALITÉS Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on a besoin de contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position, vitesse, luminosité, ...). Le capteur est l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques. ## 1- Définitions **Capteur:** Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une grandeur physique, 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. | Grandeur physique | Signal électrique | | ------------- | ------------- | | température | signal logique (TOR) | | pression | signal analogique | | force | signal numérique | **Etendue de mesure:** Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur. **Résolution:** Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur. **Sensibilité:** Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée. Exemple: Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV/°C. **Précision:** Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie. **Rapidité:** Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante. ## 2- Éléments de métrologie (définitions) **Le mesurage:** C'est l'ensemble des opérations ayant pour but de déterminer une valeur d'une grandeur. **La mesure (x):** C'est l'évaluation d'une grandeur par comparaison avec une autre grandeur de même nature prise pour unité. Exemple: 2 mètres, 400 grammes, 6 secondes. **La grandeur (X):** Paramètre qui doit être contrôlé lors de l'élaboration d'un produit ou de son transfert. Exemple: pression, température, niveau. On effectue des mesures pour connaître la valeur instantanée et l'évolution de certaines grandeurs. Renseignements sur l'état et l'évolution d'un phénomène physique, chimique, industriel. **L'incertitude (dx):** Le résultat de la mesure x d'une grandeur X n'est pas complètement défini par un seul nombre. Il faut au moins la caractériser par un couple (x, dx) et une unité de mesure. dx est l'incertitude sur x. Les incertitudes proviennent des différentes erreurs liées à la mesure. Ainsi, on a: x-dx < X < x+dx Exemple: 3 cm ±10%, ои 3 cm ± 3 mm. **Erreur absolue (e):** Résultat d'un mesurage moins la valeur vraie du mesurande. Une erreur absolue s'exprime dans l'unité de la mesure. e = x - X Exemple: Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance. **Erreur relative (er):** Rapport de l'erreur de mesure à une valeur vraie de mesurande. Une erreur relative s'exprime généralement en pourcentage de la grandeur mesurée. er=e/X; ex% = 100 er Exemple: Une erreur de 10% sur une mesure de distance (10% de la distance réelle). ## 3- Les types d'erreurs classiques * **L'erreur de zéro (offset)** * **L'erreur d'échelle (gain)** * **L'erreur de linéarité** * **L'erreur due au phénomène d'hystérésis** * **L'erreur de quantification** ## 4- Le système d'unités internationales et ses symboles | Grandeur Nom | Symbole | Unité Nom | Symbole | | ------------- | ------------- | ------------- | ------------- | | Longueur | 1 mètre | m | | Masse | m | kilogramme | Kg | | Temps | t | seconde | S | | Courant électrique | i | ampère | A | | Température | T | kelvin | K | | Quantité de matière | n | mole | mol | | Intensité lumineuse | I | candela | cd | | Angle plan | | radian | rad | | Angle solide | | stéradian | Sr | ## 5- Liens entre les unités S.I. et celles employées dans d'autres pays (USA) * **Distances** * pouce (inch): 1 in. = 2,54 cm * pied (foot): 1 ft = 12 in = 30,48 cm * mile (miles) = 5280 ft = 1,609 km * **Volume** * pinte (pint) = 0,568 l * gallon (US gallon): 1 USgal = 4 pintes = 3,786 l * baril (US barrel): 1 bbi = 42 USgal = 159 l * **Masse** * once (ounce): 1 oz = 28,35 g * livre (pound): 1 lb = 0,454 kg * **Puissance** * cheval vapeur (horsepower) : 1 hp = 0,746 kW. ## 6- Formation des multiples et sous multiples des unités | 10^N | Préfixe | Symbole | Nombre | | ------------- | ------------- | ------------- | ------------- | | 10^100 | googol | ? | ? | | 10^24 | yotta | Y | Quadrillion | | 10^21 | zetta | Z | Trilliard | | 10^18 | exa | E | Trillion | | 10^15 | péta | P | Billiard | | 10^12 | téra | T | Billion | | 10^9 | giga | G | Milliard | | 10^6 | méga | M | Million | | 10^3 | kilo | k | Mille | | 10^2 | hecto | h | Cent | | 10^1 | déca | da | Dix | | 10^0 | unité | | Un, une | | 10^-1 | déci | d | Dixième | | 10^-2 | centi | c | Centième | | 10^-3 | milli | m | Millième | | 10^-6 | micro | μ | Millionième | | 10^-9 | nano | n | Milliardième | | 10^-12 | pico | p | Billionième | | 10^-15 | femto | f | Billiardième | | 10^-18 | atto | a | Trilionième | | 10^-21 | zepto | Z | Trilliardième | | 10^-24 | yocto | y | Quadrillionième | ## 7- Caractéristiques d'une chaîne de mesure informatisée ### La structure de base d'une chaîne de mesure comprend au minimum quatre étages : * Un capteur sensible aux variations d'une grandeur physique et qui a partir de ces variations, délivre un signal électrique. * Un conditionneur de signal dont le rôle principal est l'amplification du signal délivré par le capteur pour le faire parvenir au niveau compatible fountie de permutations, cet étage peut parfois intégrer un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal . * Une unité de numérisation qui va échantillonner le signal à intervalles réguliers et affecter un nombre image à la chaque fois (changement de niveaux). * Unité de traitement informatique (traitements des données) qui sont limités aux mathématiques, transmissions, enregistrements, affichages de courbes, maintien de la suite, trames (nombre peut exister les mesures , . . . . .) ## 8- Classification des signaux ### Un signal dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant peut prendre nimbre de valeurs dans un intervalle donné. * **Signal continu:** C’est le signal qui varie lentement dans le temps : température, débit, niveau. * **Signal Formel:** C'est le signal qui est important l'information désirè: fréquence . . . . . * **Echantillonné:** Ce type de fréquence est transportee pression analyee sonore, spectographie. ### Un signal dit numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général l'unité de ces valeurs est une puissance de deux. * **Train (TOR):** l’information est le niveau logique. * **Train d’Impulsions:** Chaque impulsion est la marque d'un changement d'état. * **Code:** une variation continue donnée est communiquée par l'exemple. Exemple: température . . . . . . ### Domaine analogique * Capteurs sensibles aux variations d'une grandeur physique et qui a partir de ces variations, délivre un signal électrique. * Les capteurs conjuguent têles possibilités et quasi toutes les chaînes de mesure sont des capteurs délivrés tentam et électriques de l'ordre 'l'électronique et d'information. * Certains capteurs, par exemple le thermomètre DALLAS DS1621, délivrent directement des capteurs électromiques et d'information. * Un capteur intégré à la température, en sortie. Ils intègrent, dans un seul boitier (DIL 08 de 8 broches) le circuit de mesure de (ou le CAN) ; ### Domaine numérique ## II- LES DIFFÉRENTES FAMILLES DE CAPTEURS Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer ces derniers en deux catégories. ## 1- Capteurs actifs 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. | Grandeur physique mesurée | Effet utilisé | Grandeur de sortie | | ------------- | ------------- | ------------- | | Température | Thermoélectricité | Tension | | Flux de rayonnement optique | Photo-émission | Courant | | | Effet photovoltaïque | Tension | | Force | Effet photo-électrique | Tension | | | Piézo-électricité | Charge électrique | | Pression | | | | Accélération | Induction électromagnétique | Tension | | Vitesse | | | | Position (Aimant) | Effet Hall | Tension | | Courant | | | ### Les effets physique 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 d'origine thermique e(T1,T2). * **Effet piézo-électrique** : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques (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 (détection de passage d'un objet métallique). * **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. * **Effet Hall**: Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau une différence de potentiel UH . * **Effet photovoltaïque**:Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes. ## 2- Capteurs passifs 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'extensomètre liée à une structure déformable). | Grandeur mesurée | Caractéristique électrique sensible | Type de matériau utilisé | | ------------- | ------------- | ------------- | | Température | Résistivité | Métaux: platine, nickel, cuivre ... | | Très basse température | Constante diélectrique | Verre | | Flux de rayonnement optique | Résistivité | Semi-conducteur | | Température | Résistivité | | | Déformation | Perméabilité magnétique | Alliage de Nickel, silicium dopé | | | Résistivité | Alliage ferromagnétique | | Position (aimant) | Résistivité | Matériaux magnéto résistants : bismuth, antimoine d'indium | | Humidité | Résistivité | Chlorure de lithium | ## III- CAPTEURS À EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE ### 1- Effet piézoélectrique Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une tension électrique. ### 2- Capteur de force * Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P. * Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la force Fo (pression extérieure Po). * On a F = P.S ; F = P0.S et us = k.(F+Fo) (capteur de force, k = constante ). * Donc us = k.S ( P + Po) = k' (P + Po) * Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure Po et de la pression de l'enceinte P. ### 3- Capteur de pression * Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force F sur une paroi S (surface); on peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci-dessous : * F/S=P * avec les unités : 1Newton/1Pascal ### 4- Capteur d'accélération * L'augmentation de vitesse V du véhicule donne une accélération a qui induit une force F exercée par la masse sur le capteur. * On a donc : * F = m.a * mais us = 2k.F * donc ### 5- Récepteur à ultrason * La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur. * Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore. ## IV- CAPTEURS À EFFET HALL ### 1- L'effet Hall * Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par un courant I, est le siège d'une force électromotrice Uн sur deux de ses faces. * La tension de Hall Un est définie par la relation ci-dessous : * UH = RH I.B /e * avec: * RH: constante de Hall (dépend du semi-conducteur) * I: intensité de la source de courant (A) * B: intensité du champ magnétique (T) * e: épaisseur du barreau de silicium. * Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension Un proportionnelle au champ magnétique B: UH = k.B avec k constante égale à RH/e ### 2- Capteur de champ magnétique * La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante : * Générateur de courant constant * Capteur Hall * Amplificateur * La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A. ### 3- Autres applications * **Capteur de proximité** * Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé au préalable sur un objet. * **Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit** * Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant: B = k I / 2r avec k et k' constantes. * Le capteur donne une tension = k' B = k'' I / 2r . * C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus). * **Avantages:** * plus de détérioration des ampèremètres "classiques". * pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit). * rapidité d'intervention. ## V- CAPTEURS À EFFET PHOTOÉLECTRIQUE ### 1- L'effet photoélectrique Un semi-conducteur est un matériau pauvre en porteurs de charges électriques (isolant). Lorsqu'un photon d'énergie suffisante excite un atome du matériau, celui-ci libère plus facilement un électron qui participera à la conduction. ### 2- Les photorésitances * Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit. * Exemple : * Obscurité (0 lux) : Ro = 20 ΜΩ * Lumière naturelle (500 lux) : R₁ = 100 ΚΩ * Lumière intense (10000 lux) : R2 = 100 Ω * Courbe : * R (Ω) : 10^8 - 10^7 - 10^6 - 10^5 - 10^4 - 10^3 - 10^2 - 0 * E (Lux) : 10^-2 - 10^2 - 10^3 * **Avantages:** * bonne sensibilité * faible coût et robustesse. * **Inconvénients:** * temps de réponse élevé * bande passante étroite * sensible à la chaleur. * **Utilisation:** * détection des changements obscurité-lumière (éclairage public ). ### 3- Les photodiodes * Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux. * Courbe: Le graphe I = f(U) pour une photodiode dépend de l'éclairement (Lux) de la : * I(mA * Photodiode : I=f(U) : * 4 : * 3 : * 2 : * 1 : * 0 : * -0,5 : * 0 : * 0,5 : * 1 : * On constate que lorsque la diode est éclairée, elle peut se comporter en générateur (I=0 U 0,7V pour 1000lux ). On a donc affaire à une photopile (effet photovoltaïque). * **Avantages:** * bonne sensibilité * faible temps de réponse (bande passante élevée). * **Inconvénients :** * coût plus élevé qu'une photorésistance * nécessite un circuit de polarisation précis. * **Utilisations:** * Transmission de données * Emetteur (diode I.R.) - Rayon lumineux ou fibre optique - Récepteur (photodiode) * jo nct io n P N * télécommande IR * transmission de données par fibre optique * détection de passage * Roue codeuse ## VI- CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION ### 1- Capteurs potentiométriques de déplacement * **a- Principe** * Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un potentiomètre (schéma ci-dessous). * A R position 1 max • C position x (0<x<1) position 0 min B * On applique une tension continue E entre les extrémités A et B du potentiomètre. * La tension U en sortie aura l'expression suivante : UE = XR/R x.Ε. * La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur. * **Avantages** * simplicité d'utilisation * faible coût. * **Inconvénient** * usure mécanique (utilisation déconseillée dans les asservissements très dynamiques) * **b- Utilisations** * Mesures de déplacements rectilignes (potentiomètre rectiligne). * Mesures d'angles de rotations (potentiomètre rotatif monotour ou mutitour). ### 2- Capteurs à jauges d'extensiométrie * **a- Principe** * La résistance d'un conducteur est donnée par la relation R = ρl/S : * résistivité : ρ * longueur : l * surface : S * La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R. * La relation générale pour les jauges est RK = R0/1 l/l0 où K est le facteur de jauge. * **b- Fonctionnement d'une jauge** * La jauge est constituée d'une piste résistive collée sur un support en résine. Le tout est collé sur le corps dont on veut mesurer la déformation. * Corps au repos (pas d'allongement) * Résistance mesurée : Ro * Corps ayant subi un tirement (effort de traction) * longueur l * Résistance mesurée : Ro + R * **Remarque:** Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R = Ro pìste résistive . ### Mesure de débit de fluide : * Le débit du fluide exerce une force sur un clapet relié au curseur d'un potentiomètre. * La tension en sortie du potentiomètre augmente avec la vitesse d'écoulement. ## VII- CAPTEURS DE TEMPÉRATURE ### 1- Thermomètre à thermocouple * V température extérieure T1 T1 T1 U métal B métal A * R * Ro * 1 * R☐ ☐ Ro+ R * Résistances quelconques mais identiques - La tension de sortie v du pont a l'expression suivante : v E Ro R R RR 1 2R 2R 2R R v E Ro Ro R RR 2R R v E 2 4R 2 R R v E 4R R * En général, la variation Rest petite devant Ro; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire : v E R. * On constate que si la température T2 est différente de T₁ alors il apparaît une tension U aux bornes des deux fils soumis à la température T1. * Le phénomène inverse est aussi vrai : si on applique une tension, alors il y aura un échauffement ou un refroidissement au point de liaison des deux conducteurs (modules à effet Peltier). * Application: Mesure des hautes températures (900 1300°C). ### 2- Thermistance * Une thermistance est un composant dont la résistance varie en fonction de la température. * En première approximation, la relation entre résistance et température est la suivante : R = Ro (1 + a) / a * Rest la résistance à la température t * Ro est la résistance à la température 0°C * est le coefficient de température. * **Remarque :** * si a > 0 alors on a une thermistance CTP (R□ quand t * si a < 0 alors on a une thermistance CTN (R quand t . * **Utilisation :** * On insère la thermistance dans un pont de jauge. * On obtient ainsi une tension V en sortie du pont V = k(T - 0). * Si on prend 0 = 0°C, on obtient . * On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant. * La tension à ses bornes sera donc proportionnelle à la résistance. ### 3- Capteurs à sortie numérique directe (ma9rineheech) * On trouve actuellement sur le marché, des capteurs de température à sortie numérique directe de type série. Il s'agit notamment des capteurs DALLAS qui sont classés en deux catégories : #### a- Les capteurs à sortie I2C ( 2 fils ) DS1621 * Ce capteur DS1621 peut mesurer une température variant de -55°C à 125°C avec une précision de 0,5°C. * Pour transmettre la mesure (9 bits), il utilise la norme I2C qui consiste à transmettre en série les bits de mesure sur la ligne SDA en synchronisation avec la ligne SCL (horloge). #### b- Les capteurs 1 Wire ou i-button ( 1 fil ) DS1820 * Ce capteur DS1820 peut mesurer une température variant de -55°C à 125°C avec une précision maximale de 0,125°C. * Pour transmettre la mesure (résolution réglable de 9 à 12 bits), il utilise la norme i-button qui consiste à transmettre en série sur un seul fil, le résultat de la mesure. * La ligne VD peut être connectée à la masse GND et la ligne DQ supportera à la fois l'alimentation et la transmission des données, d'où l'appellation 1 Wire. * Il suffit donc de deux fils (DQ et GND) pour alimenter et communiquer avec ce capteur. ## RÉCAPITULATIF * Un capteur transforme généralement une grandeur physique en une grandeur électrique. * La relation grandeur physique - grandeur électrique est souvent linéaire. * Les capteurs résistifs sont souvent utilisés de deux façons : * alimentés à courant constant (tension proportionnelle à la résistance) * placés dans un pont de jauge (tension quasi-proportionnelle à la résistance). * On trouve de plus en plus des capteurs à sortie numérique directe. * **Remarque :** Il est important de connaître les principes des phénomènes physiques liés aux capteurs.