Les capteurs - Physique-appliquee.net
TS Capteurs. Capteurs. Ce cours est destiné à donner un aperçu : - des
possibilités de mesure des grandeurs physiques ; ... Position du problème. On
désire .... Exemple d'un capteur résistif ... Exercice : voir sujet BTS
Microtechniques 1996 ...
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apteur : dispositif qui soumis à laction dun mesurande, non électrique, présente en sortie une caractéristique électrique.
s = f(m)
Pour faciliter lexploitation de la réponse, on sefforce de réaliser des capteurs dont la relation s=f(m) est linéaire. Dans ce cas s et m sont proportionnels.
EMBED Equation.3 ou k est une constante
Nature du signal de sortie
Analogique : - généralement électrique sous forme de tension ou de courant - La grandeur du signal peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné.
Linformation peut alors être :
continue - on mesure le niveau (tension ou intensité)
temporelle - on mesure la période ou la fréquence
Numérique : - linformation est binaire.
Linformation peut alors être :
Tout ou rien - exemple de létat dune vanne ouverte ou fermée
train dimpulsions - on compte le nombre de train dimpulsions
numérique - il sagit alors dune grandeur analogique numérisée.
Type de capteurs
Capteurs passifs
Il sagit dimpédances (très souvent des résistances) dont lun des paramètres déterminants est sensible au mesurande.
MesurandeCaractéristique électrique sensibleTypes de matériaux utilisésTempérature
Très basse températureRésistivité
Constante diélectriqueMétaux : platine, nickel, cuivre.
Semi-conducteurs.
Verres.Flux lumineuxRésistivitéSemi-conducteurs.DéformationRésistivité
Perméabilité magnétiqueAlliages de nickel, silicium dopé.
Alliage ferromagnétique.Position (aimant)RésistivitéMatériaux magnétorésistants : bismuth, antimoniure dindium.HumiditéRésistivité
Constante diélectriqueChlorure de lithium.
Alumine ; polymères.
Capteurs actifs
Ils fonctionnent en générateurs en convertissant la forme dénergie propre au mesurande en énergie électrique.
MesurandeEffet utiliséGrandeur de sortieTempératureThermoélectricitéTensionFlux lumineuxPyroélectricité
Photoémission
Effet photovoltaïque
Effet photoélectromagnétiqueCharge
Courant
Tension
TensionForce
Pression
Accélération
Piézoélectricité
ChargeVitesseInduction électromagnétiqueTensionPosition (aimant)Effet HallTension
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). Application : détermination à partir de la mesure de e d'une température inconnue T1 lorsque T2 (0°C par exemple) est connue. (Fig. 1.3a).
Effet pyroélectrique. Certains cristaux dits pyroélectriques, le sulfate de triglycine par exemple, ont une polarisation électrique spontanée qui dépend de leur température. Application : un flux de rayonnement lumineux absorbé par un cristal pyroélectrique élève sa température ce qui entraîne une modification de sa polarisation qui est mesurable par la variation de tension aux bornes d'un condensateur associé (Fig. 1.3b).
Effet piézo-électrique. L'application d'une force et plus généralement d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques, le quartz par exemple, entraîne une déformation qui suscite l'apparition de charges électriques égales et de signes contraires. Application : mesure de forces ou de grandeurs s'y ramenant (pression, accélération) à partir de la tension que provoquent aux bornes d'un condensateur associé à l'élément piézo-électrique les variations de sa charge (Fig. 1.3c).
Effet d'induction électromagnétique. Lorsqu'un conducteur se déplace dans un champ d'induction fixe, il est le siège d'une f.é.m. proportionnelle à sa vitesse de déplacement. Application : la mesure de la f.é.m. d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine (Fig. 1.3d).
Effets photoélectriques. On en distingue plusieurs, qui diffèrent par leurs manifestations mais qui ont pour origine commune la libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement électromagnétique, dont la longueur d'onde est inférieure à une valeur seuil, caractéristique du matériau.
Effet photoémissif. Les électrons libérés sont émis hors de la cible éclairée et forment un courant collecté par application d'un champ électrique.
Effet photovoltaïque. Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une jonction de semi-conducteurs P et N illuminée ; leur déplacement dans le champ électrique de la jonction modifie la tension à ses bornes.
Effet photoélectromagnétique. L'application d'un champ magnétique perpendiculaire au rayonnement provoque dans le matériau éclairé l'apparition d'une tension électrique dans la direction normale au champ et au rayonnement. Applications. Les effets photoélectriques sont à la base de méthodes de mesure des grandeurs photométriques d'une part, et ils assurent d'autre part, la transposition en signal électrique des informations dont la lumière peut être le véhicule (Fig. 1.3e).
Fig. 1.3. exemples dapplication deffets physiques à la réalisation de capteurs actifs : (a) thermoélectricité, (b) pyroélectricité, (c) piézoélectricité, (d) induction électromagnétique, (e) photoélectricité, (f) effet Hall.
Effet Hall. Un matériau, généralement semi-conducteur et sous forme de plaquette, est parcouru par un courant I et soumis à une induction B faisant un angle ( avec le courant. Il apparaît, dans une direction perpendiculaire à l'induction et au courant une tension vH qui a pour expression :
VH = KH . I . B . sin (
où KH dépend du matériau et des dimensions de la plaquette. Application : un aimant lié à l'objet dont on veut connaître la position détermine les valeurs de B et ( au niveau de la plaquette : la tension v qui par ce biais est fonction de la position de l'objet en assure donc une traduction électrique (Fig. 1.3f).
Caractéristiques métrologiques
Les erreurs
Le capteur et toute la chaîne de traitement de la mesure introduisent des erreurs : bruit, décalage, référence, linéarité...
Lerreur globale de mesure ne peut être questimée. Une conception rigoureuse de la chaîne de mesure permet de réduire les erreurs et donc lincertitude sur le résultat.
On parle de : fidélité, justesse, précision, incertitude, linéarité.
Etalonnage
Létalonnage permet dajuster et de déterminer, sous forme graphique ou algébrique, la relation entre le mesurande et la grandeur électrique de sortie. Très souvent létalonnage nest valable que pour une seule situation dutilisation du capteur.
Limites dutilisation
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 dun certain seuil létalonnage nest plus valable, au dessus dun autre plus grand le capteur risque dêtre détruit.
Sensibilité
Plus un capteur est sensible plus la mesure pourra être précise. Cest une caractéristique importante pour lexploitation et linterprétation des mesures.
Rapidité - Temps de réponse
La rapidité est la spécification dun capteur qui permet dapprécier de quelle façon la grandeur de sortie suit dans le temps les variations du mesurande.
Finesse
Cest une spécification qui permet destimer linfluence de la présence du capteur et de ses liaisons sur la valeur du mesurande. La finesse doit être la plus grande possible.
Conditionneurs des capteurs passifs
Exemple dun capteur résistif
Montage potentiométrique
Linéarisation par approximation des petits signaux
Exercice
Linéarisation en utilisant une source de courant
Exercice
Linéarisation par montage push-pull
Exercice
Montage en pont
Exercice : voir sujet BTS Microtechniques 1996
Conditionneurs du signal
Le conditionneur du signal a pour fonction de récupérer le signal du capteur et de le traiter pour en extraire une information exploitable. Il se charge en particulier des opérations suivantes :
- amplifier le signal ;
- linéariser le signal ;
- extraire linformation relative au mesurande ;
- adapter le signal à linterface utilisateur (affichage numérique, ordinateur, ...).
Quelques capteurs
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 dextensiométrie
Capteurs piézoélectriques
Capteurs tachymétriques (de vitesse)
Génératrice à courant continu
Capteur à reluctance variable
Tachymètre optique
Capteurs de pression
Capteurs dhumidité
Capteurs magnétiques
Capteurs de température
Varistances
Thermocouples
Capteurs au silicium
Thermistances CTN
Thermistances CTP
Capteurs optiques
Photorésistances (LDR)
Phototransistors
Photodiodes
Diodes électroluminescentes
Fibre optique
Source et extraits : les capteurs en instrumentation industrielle, Georges Asch et collaborateurs, edition Dunod, 1991.
Bibliographie
Aspect et mise en oeuvre : Guide du technicien en électrotechnique - édition Hachette Technique.
Théorie : Les capteurs en instrumentation industrielle - Georges Asch - éd. Dunod - 4e édition 1991.
TS Capteurs
1/9/97 ©Claude Divoux, 1999 PAGE 6/ NUMPAGES 6
