Le document traite des concepts de mesure et d'instrumentation, en abordant les définitions et l'utilisation des capteurs dans divers domaines industriels. Il décrit les principes physiques, les types de mesures, et les chaînes d'acquisition de données tout en fournissant des exemples d'applications industrielles. Les capteurs, qu'ils soient passifs ou actifs, jouent un rôle crucial dans la transformation des grandeurs physiques en signaux exploitables.

1. Mesure et
Instrumentation

2. Contenu
I. Généralités (définitions et exemples des capteurs et leurs utlisation industrielle)
II. Principes physiques utilisés dans les capteurs
III.Mesure des grandeurs mécaniques (translation et rotation)
IV.Mesure des températures
V. Mesure des grandeurs pneumatiques ou hydrauliques
VI.Chaîne d’acquisition de données.
VII.Caractéristiques métrologiques des capteurs.
VIII.Les capteurs et leurs conditionneurs.

3. Chapitre I
Généralités (définitions et exemples des capteurs et
leurs utlisation industrielle)

4. I. Notion de mesure:
la mesure est l’évaluation d’une grandeur par comparaison avec
une grandeur de référence de même espèce.
 Définitions:
C’est aussi le quotient d’une quantité de grandeur par la
quantité unité.
Une grandeur est mesurable si on sait définir l’égalité, la
somme et le rapport entre deux valeurs de cette grandeur.
la métrologie est la branche de la science qui traite des mesures.

5.  Exemple:
la température exprimée en Kelvin est une grandeur mesurable,
correspondant à un niveau d’énergie : l’entropie d’un système varie comme sa
température en Kelvin ; à 600K, elle vaut deux fois plus qu’à 300K
N.B: la température exprimée en Celsius est une grandeur repérable : on sait
définir l’égalité, comparer (A est plus chaud que B), mais le rapport n’a pas de
sens : à 40°C, il ne fait pas deux fois plus chaud qu’à 20°C.

6.  Grandeurs vectorielles
nombre (valeur) + unité + direction
ou
(composante_X , composante_Y,...) + unité
Exemples : vitesse, poids, force...
 Types de mesure:
 Grandeurs scalaires
nombre (valeur) + unité
Exemples : longueur, surface, volume, masse, durée, travail, énergie,
puissance...

7. II. Notion de Capteur:
Un capteur est un instrument de prélèvement d’information , il réalise la
conversion d’une grandeur physique à mesurer (mesurande) en une
grandeur physique exploitable par un autre système
C’est une interface entre la physique et l’électrique. IL donne un signal
image du phénomène physique à étudier.
Le mesurande est la grandeur physique que l’on souhaite
connaître notée m (déplacement, température, pression, etc
….)

8. l’ensemble des opérations expérimentales intervenantes dans la
mesure constitue le mesurage.
Capteur
mesurande
m
grandeur
Électrique (en général) S

9. le signal électrique fournit par le capteur désigné par s
est fonction du mesurande m: s=f(m)

10. idéalement la fonction liant ces deux signaux (s=f(m))
est la plus simple possible pour qu’elle soit facilement
inversible (m=f-1(s)) en particulier, si le signal de mesure
varie linéairement en fonction du signal de mesure m =s/a

11. En général le capteur est utilisé avec d’autres éléments , ce qui constitue une
chaîne d’acquisition.

12. Exemples:
Les capteurs de proximité détectent à distance et sans contact
avec l’objet dont ils contrôlent la position. Un contact électrique
s'ouvre alors ou se ferme en fonction de la présence ou non présence
d’un objet dans la zone sensible du capteur.
Leurs utilisation permet de surveiller un niveau, un passage,
un mouvement, une position,
Capteurs de proximité.

13. Le tél mobile est doté d’un petit capteur de proximité qui lui permet
d’éteindre l’écran quand vous le portez à votre oreille (et par la même
occasion, désactiver la dalle tactile pour éviter les actions
malencontreuses).
Exemple d’utilisation:

14. La thermistance vaut 1000 Ω à la température ambiante. Lorsqu'on la
chauffe sa résistance diminue jusqu'à 800 Ω. La résistance de la
thermistance dépend donc de la température θ. Si θ augmente alors la
résistance diminue : on dit que c'est une thermistance à CTN (coefficient de
température négatif).
Il existe d'autres thermistances à CTP : leur résistance augmente avec la
température.
Capteur de température.

15. Exemple d’utilisation:
Le capteur de température LM35 est le plus facile de tous les
capteurs de température à utiliser, car il s'agit d'un circuit intégré qui
fournit en sortie une tension proportionnelle à la température en degrés
Celsius (courbe ci-dessous).

16. 10 mV par °c

17. CA3162: A/D convertisseur
CA3161: décodeur
LM35 associé à une électronique permettant l’affichage de la
température sur des afficheurs 7 segments

18. Un interrupteur à lame souple est constitué d'un boîtier à l'intérieur
duquel est placé un contact électrique métallique souple sensible
aux champs magnétiques. Il permet de détecter tous les matériaux
magnétiques dans le domaine de la domotique.
Capteurs magnétiques.

19. Exemple d’utilisation:
1. détection de fermeture de portes et fenêtres.
2. détection de la position d'un vérin dans le domaine
pneumatique.

20. La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes
régulièrement réparties. Un faisceau lumineux se trouve derrière ces
fentes dirigé vers une diode photosensible. Chaque fois que le
faisceau est coupé, le capteur envoie un signal qui permet de
connaître la variation de position de l'arbre.
Capteur de vitesse.
Figure 4 doc 1

21. Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième
faisceau lumineux qui sera décalé par rapport au premier. Le
premier faisceau qui enverra son signal indiquera aussi le sens de
rotation du codeur.
Figure 1 doc 1

22. Exemple d’utilisation:
Le codeur incrémental est un capteur angulaire de position. Il est destiné
à des applications de positionnement, de contrôle de déplacement ou de
mesure de vitesse d'un mobile, par comptage et décomptage des
impulsions qu'il délivre.

23. Chaîne
d’acquisition
gérée par
microprocesseur.
III. Domaines d’application:
 Acquisition de données:

24.  Régulation:
La connaissance suffisante du comportement du procédé est
prémordiale dans toute régulation ou asservissement.
la tâche d’un capteur peut être résumée comme suit : mesurer une
grandeur physique avec la précision requise et présenter le résultat de la
mesure sous forme d’un signal normalisé de préférence linéaire en
fonction de la grandeur à mesurer.

25.  Supervision:
La collecte des données pour les processus à superviser.
Maîtriser les processus critiques, étendus ou complexes.
Ces données sont issues directement des équipements appelés capteurs
ou d’automates qui traitent les données en local.

26.  Automobile:
alarmes airbag , ABS détecteur de pluit, injection …

27. La chaudière ou générateur de vapeur est un appareil destiné à la
production d’une certaine quantité de vapeur ayant des caractéristiques
bien déterminées température et pression.
Automatisation et supervision d’une chaudière
IV. Exemple d’application industrielle:

29. Quelques capteurs utilisés :
 Thermomètre pour contrôle de la température de fuel d’alimentation
 Manomètre pour le contrôle de la pression du fuel
 niveau d’eau pour le contrôle de niveau dans le ballon supérieur trois
flotteurs arrêt en cas de manque d’eau
 détecteur de flamme pour la détection de la flamme dans le foyer.
Arrêt chaudière en cas de défaut flamme
 régulation de rapport air/fuel
 Pression vapeur à la sortie de la chaudière
 Mesure des gaz de la fumée pour assurer une bonne combustion
minimiser les pertes en réajustant le rapport air/fuel.
Automatisation

30. Supervision
Figure 5 doc 1

31. V. Définitions:
1. Corps d’épreuve:
Le corps d'épreuve a pour fonction de transformer la grandeur à
mesurer (mesurande) en une grandeur physique secondaire (mesurande
secondaire) plus facile à mesurer.
Pour de nombreux capteurs, il peut y avoir plusieurs corps d'épreuve avant
la mesure électrique.

33. On utilise comme corps d'épreuve un élément
élastique, respectant la loi linéaire (raideur
constante) .
F =-kx ⇒ x =-F/k
Le mesurande force est transformé en
mesurande déplacement.
Le capteur de force utilise ainsi les
technologies du capteur de déplacement.
 Exemple: Mesure d'une force mécanique (méthode 1)

34.  Mesure d'une force mécanique (méthode 2) :
Le mesurande force est transformé en mesurande élongation.
Le capteur de force utilise ainsi les technologies des capteurs d'élongation
(jauges de contraintes).

35. La jauge de contrainte se compose
d’un fil très fin, monté en spirale. La
déformation subie par la jauge
provoque un changement linéaire de sa
résistance électrique

36. Le débit crée une différence de pression. Le mesurande
débit est transformé en mesurande pression différentielle .
 Mesure d'un débit :

37. La différence de pression déforme la membrane. Le
mesurande pression différentielle est transformé en mesurande
déformation/élongation.

38. La déformation de la membrane modifie la résistance de la jauge. Le
mesurande déformation/élongation est transformé en mesurande résistance.
Remarque: un capteur utilisant un corps d’épreuve est appelé un capteur
composite

39. 2. Transducteur:
Définition: Un transducteur est un dispositif convertissant un signal
physique en un autre qui est fonction du premier; par exemple un signal
lumineux en signal nerveux (vision animale) ou signal électrique
(photorécepteur).

40. Remarque: Le capteur contien au minimum unTransducteur:
 Un microphone est un transducteur électroacoustique, c'est-à-dire un
appareil capable de convertir un signal acoustique en signal électrique.
 Thermistance :variation de la résistance électrique en fonction de la
température.
Exemples:
 Le transducteur pour ultrasons convertit une énergie électrique en
énergie acoustique dans la gamme des ultrasons

41. 4. Conditionneur (transmetteur):
Le conditionneur est l'élément de sortie du capteur qui transforme les
variations du mesurande primaire ou secondaire en variations électriques
exploitables (tension, courant, ….).
Son rôle principal est l’amplification du signal délivré par le capteur pour
lui donner un niveau compatible avec l’utilisation.

42. Déformation Résistance
Application
d’une FORCE
ΔF ΔL ΔR
Tension
Conditionneur
ΔU
Pour la mesure d’une résistance , le conditionneur peut être un pont de
Wheatstone suivi d’un amplificateur d’instrumentation
Exemple : Capteur de force résistif avec son conditionneur

43.  Le transmetteur intègre généralement l’alimentation du capteur
et un filtre pour réduire les perturbations présentes sur le signal.
 ils peuvent aussi inclure des traitements de correction de
grandeurs d’influence ce sont des capteurs intelligents à
microprocesseurs.
Remarques:

44. Exemple 2: On considère un capteur de résistance Rc en série avec une
résistance R1 alimenté par une source de tension es de résistance Rs continue
ou alternative. La tension Vm est mesurée aux bornes du capteur par un
appareil de résistance d’entrée Rd.

45. Le bloc capteur représente l’étage capteur (élément sensible)
Le bloc conditionneur représente l’étage conditionneur ou transmetteur
m représente une gradeur physique à mesurer
S est un signal analogique de sortie (électrique en général)
X est un signal électrique faible puissance (grandeur intermédiaire)
W énergie
Capteur (corps d’épreuve +
transducteur Conditionneur ou
transmetteur
W
S
m phénomène physique
X

46. Remarque:
Le transmetteur peut être de nature pneumatique, sa sortie
est un signal analogique pneumatique normalisé de 200 à 1000
mb, le signal délivré par ce type de transmetteur peut être exploité
par une installation pneumatique.

47. V. Classification des capteurs:
Les capteurs peuvent êtres classés selon plusieurs manières
 par le mesurande: capteur de pression, position ,…
 par le signal de sortie qu’il fournissent: analogique, numérique,…
 par le principe de traduction utilisé: capteur résistf,
capacitif, piézoélectrique …
 par le principe de fonctionnement: capteur actif ou passif

48. Les capteurs, vu de leurs sorties, se présentent:
soit comme impédence le capteur est alors dit passif.
soit comme générateur de tension ou de courant. Il s’agit des
capteurs actifs.
1. Classification selon l’exitation

49.  Capteurs actifs
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 au mesurande.
L’énergie produite constitue le signal de sortie qui représente la
mesure.
Exemples:
énergie mécanique: génératrice tachimétrique
Énergie de rayonnemnt

50.  Capteurs passifs
Un capteur passif est une impédence dont l’un des
paramètres est sensible au mesurande. En particulier la valeur de la
résistance qui change avec la variation de la résistivité du matériau
utilisé
Exemples:
1. Capteur de température

51. Un potentiomètre qui est un type de résistance variable à trois
bornes, dont deux sont alimentées par une tension continue et la
troisième est reliée à un curseur se déplaçant sur une piste
résistante.
La mesure de la tension nous renseigne sur la position du curseur.
2. capteur de position (linéaire et angulaire)

52. les capteurs peuvent être classés selon le type du signal de sortie
qu’ils fournissent.
2. Classification selon le signal de sortie

53.  Capteurs analogiques:
Un capteur analogique fournit une image électrique
(tension 0-10V ou courant 4-20mA) d’une grandeur
physique évoluant continument dans le temps, dans une
gamme de variation donnée.

54.  Capteurs numériques:
ils portent, selon les cas, le nom de codeurs ou
compteurs, le signal de sortie est sous forme d’impulsions Les
codeurs transmettent des valeurs numériques précisant des
positions, des pressions,..., pouvant être lus sur 8, 16,32 bits.

55. - la sortie de ce type de capteurs est logique Tout ou rien TOR. Ils
peuvent être reliés aux contrôleurs logiques programmables
 Capteurs logiques ou détecteurs:
- Il existe différentes familles technologiques de détecteurs:
mécanique, optique, inductif, capacitif…
- Un détecteur fournit une information binaire à la partie commande.
(Présence d’une pièce ou non, seuil de température atteinte, Vérin sorti…)

56. 3. Classification selon l’effet physique utilisé
Les capteurs peuvent être classés selon l’effet physique utilisé on
touve à titre d’exemple:
Capteurs à effet résistif
Capteurs à effet capacitif
Capteurs à effet inductif
Capteurs à effet magnétique
Capteurs à effet piézo électrique
Capteurs à effet hall