5. Les différentes familles de capteurs
5.3. Principe de fonctionnement
5.3.2. Capteur de force
V A
B UAB
𝐹
𝐹 VS
𝐹 𝐹
Réaction du support Métal
Amplificateur Mise en forme
Quartz
La tension de sortie VS sera proportionnelle à la force F : 𝑉𝑆=𝑘 𝐹+𝐹 = 2.𝑘.𝐹 avec k constante.
S 7.2 : acquisition de la grandeur physique Cours Page 10 / 22
2ème année STS Maintenance 5.3.3. 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 :
𝑃 =𝐹
𝑆 ; 1[𝑃𝑎] = 1[𝑁]
1[𝑚²]
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 (et incidemment à la pression P) et l'autre face est soumise à la force F0 (pression extérieure P0).
On a 𝐹 = 𝑃. 𝑆 ; 𝐹0 = 𝑃0. 𝑆 ; 𝑢𝑠= 𝑘 𝐹 + 𝐹0 Il en résulte 𝑢𝑠= 𝑘. 𝑆 𝑃 + 𝑃0
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P0 et de la pression de l'enceinte P.
5.3.4. 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 et 𝑢𝑆= 2𝑘. 𝐹 Donc 𝑢𝑆= 2𝑘. 𝑚. 𝑎
5.3.5. 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.
5.3.6. Capteur à 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 UH sur deux de ses faces.
Pression P 𝐹
Pression P0 𝐹0
Ampli uS
Capteur de force de surface S
𝐹 Masse m
suspendue 𝑉
S 7.2 : acquisition de la grandeur physique Cours
Capteur de champs magnétique
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
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 :
C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants 1000A et plus)
Avantage :
o plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
o pas de danger car le fil reste isolé (pas d'ouverture du circuit).
e
S 7.2 : acquisition de la grandeur physique Cours Page 12 / 22
2ème année STS Maintenance 5.3.7. Capteur à 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.
Les photorésistances
Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit.
Exemple : Avantage :
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).
Les photodiodes
Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux.
Le graphe I = f(U) pour une photodiode dépend de l'éclairement (Lux) de la jonction PN.
On constate que lorsque la diode est éclairée, elle peut se comporter en générateur (I = 0 ⇒ U ≈ 0,7V pour 10 lux ).
On a donc affaire à une photopile (effet photovoltaïque).
Avantage :
bonne sensibilité
faible temps de réponse (bande passante élevée).
0 102
107 108
10−2 102103 R ()
E (Lux)
Obscurité : R0 = 20 M (0 lux) ; lumière naturelle R1 = 100 k (10 lux)
Lumière intense : R2 = 100 (500 lux)
Obscurité (diode normale)
Éclairement moyen (10 lux) Éclairement fort (100 lux) Photodiode,
I=f(U)
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2ème année STS Maintenance Inconvénients :
coût plus élevé qu'une photorésistance
nécessite un circuit de polarisation précis.
Utilisations :
Transmission de données
Télécommande IR
Transmission de données par fibre optique
Détection de passage
Roue codeuse
Mesures d'angle et de vitesse
Comptage d'impulsions (souris de PC)
5.3.8. Capteur à résistance variable par déformation Capteurs potentiométriques de déplacement
Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un potentiomètre (schéma ci-dessous).
On applique une tension continue E entre les extrémités A et B du potentiomètre.
La tension U en sortie aura l'expression suivante : 𝑈 = 𝐸.𝑥.𝑅𝑅 = 𝑥. 𝐸 La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur.
Émetteur (diode I.R)
Récepteur (photodiode) Rayon lumineux ou
fibre optique
Récepteur (photodiode)
Émetteur (LED)
C R
Min (position 0) Max (position 1)
Position x (0<x<1) A
B
C U A
B x.R (1-x).R
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2ème année STS Maintenance Fluide
Piste résistive
Curseur Ressort de rappel Avantages :
Simplicité d'utilisation
Faible coût.
„
Inconvénient :
Usure mécanique (utilisation déconseillée dans les asservissements très dynamiques) Utilisations
Mesures de déplacements rectilignes (potentiomètre rectiligne).
Mesures d'angles de rotations (potentiomètre rotatif mono tour ou multi tour).
Mesure de débit de fluide :
o Le débit du fluide exerce une force sur un clapet relié au curseur d'un potentiomètre.
o La tension en sortie du potentiomètre augmente avec la vitesse d'écoulement.
Capteurs à jauges d’extensiométrie
La résistance d'un conducteur est donnée par la relation :
𝑅 = 𝜌
𝐿𝑆
Avec :
: résisivité [m]
L : longueur [m]
S : surface [m²]
La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l’entraînant une variation de la résistance R. La relation générale pour les jauges est Δ𝑅
𝑅0
= 𝐾
Δ𝐿𝐿 ou K est le facteur de jauge.Fonctionnement d’une jauge simple
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 (sans allongement)
Longueur L Résistance
mesurée R0
Support
Corps déformable
Piste résistive
S 7.2 : acquisition de la grandeur physique Cours Page 15 / 22
2ème année STS Maintenance Corps ayant subi un étirement (effort de traction)
Remarque : dans le cas d’une contraction, la résistance de la jauge serait R0 - R.
Conditionneur de signal (pont de Wheatstone) La jauge étant un composant
purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique pour obtenir une tension image de la déformation. Le circuit souvent utilisé est appelé "pont de Wheatstone". Il est ici constitué d'un générateur de tension associé à 4 résistances dont une est la jauge (schéma ci-contre) :
La tension de sortie V du pont a l'expression suivante : 𝑉 = 𝐸 [ 𝑅0+ Δ𝑅
En général, la variation ∆R est petite devant R0 ; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire :
𝑉 ≈ 𝐸 [ Δ𝑅 4. 𝑅
0]
Remarque :
On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un pont à 2 résistances et 2 jauges symétriques R0+∆R et R0 - ∆R.
Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une parfaite linéarité.
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2ème année STS Maintenance 5.3.9. Capteurs de température
Thermomètre à thermocouple refroidissement au point de liaison des deux conducteurs (modules à effet Peltier).
Application :
Mesure des hautes températures (900 → 1300°C).
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
Θ= 𝑅
01 + 𝑎. Θ
Avec :
R : résistance à la température
R0 : résistance à la température 0°C
a: coefficient de température Remarque :
On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant. La tension à ses bornes sera donc proportionnelle à la résistance.
Capteurs à sortie numérique directe
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 :
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).
Il possède une fonction thermostat qui permet de commander un chauffage.
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2ème année STS Maintenance 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.
5.4. Caractéristiques métrologiques
5.4.1. Étendue de la mesure
Il faut tenir compte à la fois de la plage de mesure et de la valeur maximale de la grandeur mesurée. Le transmetteur doit être capables d'offrir une mesure correcte dans la totalité de l'étendue de mesure, ainsi que d'offrir une résistance à la valeur maximale de la grandeur mesurée.
Zone nominale d’emploi :
C'est la zone dans laquelle le mesurande peut évoluer sans modification des caractéristiques du capteur.
Zone de non détérioration :
Valeurs limites des grandeurs influençant le capteur sans que les caractéristiques du capteur ne soient modifiées après annulation de surcharges éventuelles. (Équivalence avec le domaine élastique des matériaux)
Zone de non destruction
Elle définit les limites garantissant la non destruction du capteur ; dans cette zone peuvent survenir des modifications permanentes des caractéristiques du capteur. (équivalence avec la zone plastique des matériaux)
5.4.2. Températures
Il faut tenir compte à la fois de la température maximale du procédé et de la température ambiante. Souvent, la température du procédé va dépasser les limites de l'élément détecteur. En effet, l'élément détecteur de la plupart des transmetteurs électroniques ne va pas fonctionner convenablement lorsque les températures dépassent les 107°C (225°F). Ceci impose d'utiliser les accessoires de montage appropriés (longueurs suffisantes des prises d'impulsion, serpentins,...) afin de ramener la température du fluide procédé à des limites acceptables par la cellule du transmetteur. L'exposition des électroniques à semi-conducteurs à des températures ambiantes élevées a pour effet de nuire à la longévité des composants. La plupart des électroniques ne peuvent pas aller au-delà d'une température de service de 93°C (200°F) et il existe un grand nombre de composants dont la température maximale de fonctionnement correct est de 85°C (185°F). Les hautes températures tendent à provoquer des défaillances électroniques. Là encore, il est recommandé de veiller au meilleur refroidissement possible du module électronique. On peut également envisager un système de protection hivernale de l'électronique, que ce soit par un réchauffage vapeur, électrique ou par des boîtiers thermostatés.
5.4.3. Environnement
Le transmetteur doit être en mesure de fonctionner dans des environnements où règne un taux d'humidité relative de 0 à 100. Le fluide du procédé et le milieu ambiant doivent être pris en compte au titre de leur éventuel caractère corrosif. Par exemple, les transmetteurs utilisés sur les plates-formes d'exploitation pétrolière offshore
S 7.2 : acquisition de la grandeur physique Cours Page 18 / 22
2ème année STS Maintenance sont soumis à l'action corrosive de l'eau de mer. Autre exemple : un transmetteur monté sur un circuit de vapeur ou d'eau de refroidissement au voisinage d'acides ou de bases qui tendent à s'évaporer dans l'atmosphère. Les applications ci-dessus ont un fluide de procédé non corrosif, mais opèrent dans un milieu ambiant hautement corrosif.
5.4.4. Résolution
Elle correspond à la plus petite variation du mesurande que le capteur est susceptible de déceler.
5.4.5. Caractéristique d’entrée sortie d’un capteur
Elle donne la relation d’évolution de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d’entrée en régime permanent.
5.4.6. Sensibilité
Elle détermine l’évolution de la grandeur de sortie en fonction de la grandeur d’entrée en un point donné. C’est la pente de la tangente à la courbe issue de la caractéristique du capteur.
𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑡é = (Δ𝑔𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒𝑢𝑟 𝑑𝑒 𝑠𝑜𝑟𝑡𝑖𝑒 Δ𝑚𝑒𝑠𝑢𝑟𝑎𝑛𝑑𝑒 )
𝑝𝑡 𝑓𝑜𝑛𝑐𝑡
Dans le cas d’un capteur à réponse linéaire, la sensibilité du capteur est une constante.
5.4.7. Finesse
C’est la qualité du capteur à ne pas venir modifier par sa présence la grandeur à mesurer. Cela permet d’évaluer l’influence du capteur sur la mesure.
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 trouver.
5.4.8. Linéarité
Zone dans laquelle la sensibilité du capteur est indépendante de la valeur du mesurande. Cette zone peut être fixée à partir de la définition d’une droite obtenue comme approchant au mieux la caractéristique réelle du capteur.
Caractéristique linéarisée Caractéristique réelle
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2ème année STS Maintenance 5.4.9. Rapidité
C’est la qualité d’un capteur à suivre les variations du mesurande. On peut la chiffrer de plusieurs manières selon la nature du capteur :
Bande passante du capteur.
Fréquence de résonance du capteur.
Temps de réponse (à x%) à un échelon du mesurande.
5.4.10. Caractéristiques statistiques d’un capteur
C’est paramètres permettent de prendre en compte la notion d’erreurs accidentelles qui peuvent survenir sur un capteur.
Rappel : soit n mesures effectuées sur un mesurande ; on définit à partir de ces n mesures :
La valeur moyenne :
𝑀 =
∑𝑛𝑖=1𝑛𝑚𝑖L’écart type : la dispersion des résultats autours de 𝑀,
𝜎 = √
∑ (𝑚𝑖 𝑛−1𝑖−𝑀)²Fidélité :
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 une valeur constante du mesurande.
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.
Précision :
Elle définit l’écart en % qu’on peut obtenir entre valeur réelle et valeur obtenue en sortie du capteur. Ainsi un capteur précis aura à la fois une bonne fidélité et une bonne justesse.
6. La conversion analogique numérique
Rappel :
Une grandeur analogique est continue dans le temps et elle peut prendre une infinité de valeurs.
Une grandeur numérique est une information binaire codée sur plusieurs bits de différents poids qui constituent un nombre.
6.1. Définition
Un convertisseur analogique / numérique (CAN) est un circuit qui transforme une tension appliquée sur son entrée en nombre N proportionnel codé en binaire (sur un octet ou plus).
Ve
b0 b1 b2 b3 b
n-1N
Symbole d’un CAN
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2ème année STS Maintenance
6.2. Caractéristique de transfert
La caractéristique de transfert est constituée de « marches d'escalier » identiques :
6.3. Quantum q
Le quantum q définit la variation minimale de la tension d'entrée qui garantit une variation d'une unité de la donnée numérique de sortie. Cette valeur correspond à la longueur d'une marche d'escalier.
𝑞 = 𝑉
𝑟𝑒𝑓2
𝑛Avec :
q : quantum du convertisseur (en V)
Vref : valeur maximale de la tension d’entrée (en V)
n : nombre de bits du convertisseur
6.4. Fonction de transfert N=f(V
e)
Cette relation est directement issue de la caractéristique de transfert. Elle donne le résultat N de la conversion en fonction de la tension Ve appliquée à l'entrée du convertisseur.
𝑁 = 𝑉
𝑒𝑞
Avec :
q : quantum du convertisseur (en V)
Ve : tension appliquée à l’entrée du convertisseur (en V)
N : sortie numérique du convertisseur (en décimal)
N est un nombre entier. Le résultat du calcul doit être arrondi à la valeur entière la plus proche.
𝑁 = 𝑁𝑚𝑎𝑥= 2𝑛− 1 lorsque 𝑉𝑒= 𝑉𝑟𝑒𝑓− 𝑞
6.5. Résolution R
La résolution R est définie par :
Soit en pourcentage de pleine échelle : 𝑅 = 1
2𝑛
Soit comme étant le nombre de bits du mot de sortie : R = n
6.6. Temps de conversion Tc
C'est la durée écoulée entre l'instant d'apparition de l'impulsion de début de conversion donné et l'instant où la donnée est disponible sur les sorties du CAN.
000 001 010 011 100 101 110 111
Ve
N e
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2ème année STS Maintenance
6.7. Contraintes pour la numérisation des signaux
La transformation d’un signal analogique en un signal numérique est appelée numérisation. Elle consiste à prendre à intervalle de temps constant un échantillon du signal qui sera converti en un nombre. La prise d’échantillon s’appelle échantillonnage.
La conversion analogique / numérique n’est pas instantanée, il est nécessaire d’utiliser un échantillonneur bloqueur pour maintenir la tension constante pendant la conversion.
Pour obtenir un signal correctement échantillonné (sans perte d’informations), la fréquence d’échantillonnage doit être au moins égale au double de la fréquence maximale du signal analogique (théorème de Shannon).
7. La conversion numérique analogique 7.1. Définition
Un convertisseur numérique / analogique, ou CNA, est un circuit qui transforme une information numérique (binaire) en une tension VS proportionnelle à la valeur décimale N du nombre binaire converti.
7.2. Caractéristique de transfert
La caractéristique de transfert est une suite de points (la tension de sortie ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs).
t t
Période d’échantillonnage Signal analogique Signal échantillonné bloqué
Vs b0
b1 b2 b3 b
n-1Symbole d’un CNA VS
N
000 001 010 011 100 101 110 111 e
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2ème année STS Maintenance
7.3. Quantum q
Le quantum q définit la plus petite variation de la tension de sortie. Il correspond donc à la valeur de la tension de sortie quand seul le bit de poids faible de N est à 1.
𝑞 = 𝑉
𝑟𝑒𝑓2
𝑛Avec :
q : quantum du convertisseur (en V)
Vref : valeur maximale de la tension d’entrée (en V)
n : nombre de bits du convertisseur
7.4. Fonction de transfert Vs=f(N)
Cette relation est directement issue de la caractéristique de transfert.
𝑉
𝑠= 𝑞 × 𝑁
Avec :
q : quantum du convertisseur (en V)
Vs : tension de sortie du convertisseur (en V)
N : sortie numérique du convertisseur
7.5. Excursion E
L'excursion de la tension de sortie est la valeur maximale pouvant être prise par Vs.
𝐸 = 2
𝑛− 1 × 𝑞
Avec :
q : quantum du convertisseur (en V)
E: excursion (en V)
n : nombre de bits du convertisseur