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Université Moulay Ismail
Faculté des Sciences et Techniques Errachidia
Département de Sciences de l’Ingénieur
Cours
Module P627 : INSTRUMENTATION
Licence : Sciences de l’Ingénieur SI
Semestre : S6
Pr. A. BRAHMI
Année Universitaire : 2023-2024
INTRODUCTION
CHAPITRE I: GENERALITES SUR LES CAPTEURS
CHAPITRE II: ETUDES DE CAPTEURS INDUSTRIELS
CHAPITRE III: CONDITIONNEURS DES CAPTEURS
CHAPITRE IV: TECHNIQUES DE REALISATION
Plan du cours:
Dans plusieurs domaines (industrie, recherche scientifique, automobile, stations
services…), il est indispensable de suivre l’évolution en temps réel de quelques
grandeurs physiques (mesurandes): température, pression, courant, tension,
débit, vitesse, position, force, accélération, décélération…..Pour ce faire, on utilise
des dispositifs appelés: capteurs.
Un capteur permet de délivrer un signal qui constitue une image interprétable et
exploitable d’un phénomène physique étudié par le biais d’un élément sensible
(corps d’épreuve) afin de pouvoir l’intégrer dans un système fonctionnant le plus
souvent en boucle fermée.
Le but est de réaliser une ou plusieurs tâches planifiées à l’avance: commande,
contrôle, surveillance, protection, déconnexion, régulation, asservissement…d’un
système donné.
Exemple: capteur de température dans un microprocesseur:
Il permet de stabiliser sa température afin d’assurer son bon fonctionnement:
Ainsi, de la mesure de la température du microprocesseur grâce au capteur de
température va dépendre la vitesse de rotation du ventilateur.
Introduction
 Les capteurs sont des dispositifs de la chaîne d'acquisition de données
dans un système
 Ces composants prélèvent une information sur le comportement d’une
partie opérative d’un système et la transforment en une information
exploitable par la partie commande.
 Une information est une grandeur physique qui décrit un comportement
particulier.
 Pour pouvoir être traitée, cette information sera représentée par un
signal (support d’information).
 Les signaux étudiés dans le cadre de ce cours sont généralement de
nature: électrique ou de déformation.
4
D’un point de vue technique:
Étendue de la mesure = intervalle formé l’amplitude max du signal mesuré–
l’amplitude min du signal détecté (mesurable) sans risque de destruction
du capteur
PORTEE MINIMALE
= limite inférieure de l'échelle de mesure
PORTEE MAXIMALE
= limite supérieure de l'échelle de mesure
Portée maximale» ÉTENDUE de MESURE » Portée
minimale
5
Pour faire un bon choix des capteurs selon les applications envisagées, il est
indispensable de définir un certain nombre de paramètres caractérisant ces
capteurs (dites performances)
Caractéristiques principales d’un capteur:
6
La détermination de l’étendue de mesure permet :
- Assurer la validité de la mesure
- Eviter l’endommagement du capteur
Zone nominale : caractérisée par un fonctionnement nominal (bon) du capteur
(meilleures mesures) et une évolution du mesurande sans modification des
caractéristiques du capteur.
Zone non détérioration : définie les valeurs limites à
atteindre par le mesurande sans modifications des
caractéristiques du capteur après avoir revenir dans la zone
nominale (altération ou modification de paramètres
réversible).
Zone non destruction : définie les valeurs limites garantissant la non destruction du
capteur (endommagement), mais il peut y avoir des modifications permanentes des
caractéristiques du capteur (irréversible , réétalonnage du capteur nécessaire).
Caractéristiques principales d’un capteur:
Sensibilité = S(m) = rapport de la variation du signal électrique
(sortie) sur la variation du signal physique (mesurande ou entrée).
S(m)   s 
 m 
 m
2) Propriété: La sensibilité d'un capteur linéaire est constante.
7
Exemple: Le capteur de température LM35 à une sensibilité de 10mV/°C
Caractéristiques principales d’un capteur:
N.B:
1) Dans le cas ou le capteur est décrit par sa caractéristique linéaire,
on utilise l’opérateur dérivée d au lieu du différentiel Δ
Précision = aptitude d'un capteur à donner une mesure m proche
de la valeur vraie (ou réelle ou théorique)de la grandeur mesurée
notée M.
L'incertitude de mesure δm est telle que : M = m ± Δm
L'erreur relative de précision
m max  m min

Δ m
8
Soit la représentation suivante de la
valeur réelle ou vraie de la grandeur à
mesurer et une valeur mesurée par un
capteur: (technique de tire sur une cible)
Caractéristiques principales d’un capteur:
Fidélité, Justesse, Précision:
9
Fidèle : qualité à délivrer des mesure répétitives sans erreurs (reproductibles
indépendant du temps). L’erreur de fidélité correspond à l’écart type sur une
série de mesures correspondants à un mesurande constant.
Juste: aptitude à délivrer une mesures proche de la valeur vraie (réelle ou
théorique). elle est liée à la valeur moyenne obtenue sur un ensemble de
mesures par rapport à la valeur réelle (vraie).
Caractéristiques principales d’un capteur:
Soit n mesures mi effectuées avec un capteur sur un mesurande variable mi, on définit
à partir de ces mesures:
- La valeur moyenne: mmoy =
- L’écart type: σ =
Fidélité, Justesse, Précision:
10
Erreur de précision = erreur de justesse + erreur de fidélité
Capteur est exacte ou précis = Fidèle + Juste
Fidèle : mesures peu dispersés (écart type)
Juste: mesures proche de la valeur vraie (moyenne)
Caractéristiques principales d’un capteur:
11
Le temps de réponse est le temps au bout duquel la sortie du capteur
atteint 95% de sa valeur finale quand le mesurande est un échelon.
La rapidité = C’est l’aptitude de suivre les variations du mesurande.
elle caractérise le temps de réaction (ou de réponse) d'un capteur.
(temps de retard à la montée, temps de montée, temps de retard à la chute,
temps de chute).
Caractéristiques principales d’un capteur:
Fonction de transfert = relation fonctionnelle qui relie le
mesurande (entrée) et la grandeur électrique (sortie) du
capteur.
Elle est définie par:
- un graphe (courbe d’étalonnage),
- ou par une équation caractéristique (linéaire, exponentielle,
logarithmique…)
12
Caractéristiques principales d’un capteur:
Bande passante = plage de fréquence du mesurande où les caractéristiques
du capteur spécifiées par le constructeur sont respectées.
Elle caractérise la variation de la sensibilité du capteur en régime dynamique
(en fonction de la fréquence).
Il s’agit de la gamme de fréquence du mesurande que peut traiter le capteur.
Si la fréquence du mesurande est comprise entre fb (basse) et fh(haute),
l'amplitude du signal de sortie sera conforme aux spécifications du
constructeur.
13
Caractéristiques principales d’un capteur:
Dans cette bande, le sensibilité ne varie
pas au delà de -3dB.
La rapidité est liée à la bande passante.
Détermination de la bande passante:
On applique une variation périodique du mesurande et on mesure la
sortie associée et on trace la sensibilité du capteur en fonction de la
fréquence.
Non-linéarité : écart ou déviation maximale
de la réponse du capteur(caractéristique
réelle), par rapport à la fonction de
transfert linéaire (caract linéaire) dans
l'étendue de mesure.
Erreur relative de linéarité
ym a x
ym a x  y0

14
Caractéristiques principales d’un capteur:
Caractéristique réelle : obtenue par une série de mesure effectuées sur le capteur
sur l’étendue de mesure : le tracé graphique.
Caractéristique linéaire : obtenue en approchant au mieux la caractéristique réelle
du capteur (moindres carrés de Gauss, Maximum de Vraisemblance, Inférence
Bayésienne… ).
NB:
Un capteur est linéaire ssi sa sensibilité est constante sur l’étendue de mesure
Hystérésis : déviation max de la valeur de sortie pour un même mesurande
par rapport à un cycle croissant ou vis versa = L'hystérésis est la différence
maximale entre ces deux valeurs de sortie sur l’étendue de mesure.
15
Caractéristiques principales d’un capteur:
Certains capteurs possèdent un effet Hystérésis.
En effet, pour des valeurs croissantes du mesurande la caractéristique réelle
obtenue n’est pas la même que celle obtenue avec des valeurs décroissantes
du mesurande sur l’étendue de mesure: c’est l’effet Hystérésis.
Suite à l’effet Hystérésis, le résultat de la mesure
dépend de la précédente mesure.
Résolution : La valeur de l’incrément du mesurande Δm en dessous duquel
aucune variation Δ y de la réponse ne peut être détectée .
Autrement dit c’est la plus petite variation du mesurande que peut détecter
un capteur.
16
Caractéristiques principales d’un capteur:
N.B:
Quand-t-on fait varier le mesurande à partir
de 0, la résolution s’appelle cette fois ci le
seuil du capteur.
Erreur d’offset (ou de zéro): C’est la valeur
délivrée par le capteur lorsque aucun
mesurande n’est lui appliqué à son entrée.
17
Caractéristiques principales d’un capteur:
Erreur de gain (ou d’échelle): C’est l’erreur
max due à la déviation de la sortie du
capteur par rapport à la réponse
correspondante obtenue avec un capteur de
référence (normalisé) sur l’étendue de
mesure .
Elle est souvent exprimée en dB (décibel).
Il existe dans ce cas un coefficient entre la
réponse du capteur et la sortie de référence.
Finesse: C’est la qualité d’un capteur à ne pas venir modifier par sa présence
le mesurande.
Autrement dit c’est l’influence du capteur sur la grandeur physique à
mesurer.
18
Caractéristiques principales d’un capteur:
Exemple: mesure du champ magnétique:
La présence d’un capteur à forte perméabilité (très sensible) aura tendance à
perturber le champ qu’on souhaite mesurer.
Solution:
On recourt à une correction post-mesure: on estime l’effet de l’insertion du
capteur sur le mesurande pour le prendre en compte afin d’obtenir la bonne
mesure.
Autonomie: Elle caractérise la durée maximale de fonctionnement du capeur
sans entretien et avoir une certaine capacité d’auto-entretien.
19
Caractéristiques principales d’un capteur:
Un capteur doit être :
Rapide: délivre sa réponse en temps réel,
Fidèle: chaque essai doit être reproductible,
Facile à calibrer : à corriger,
Robuste : résiste aux grandeurs d’influence ( température, pH, force ionique…),
Simple à utiliser: n’exige qu’un minimum de technicité.
N.B:. La rapidité (ou temps de réponse) et la bande passante sont deux
propriétés dynamiques, les autres (Fidélité, justesse, Précision, stabilité) sont
des propriétés statiques.
Types de
capteurs:
20
Fonction et structure d’un capteur:
21
Un capteur (corps d’épreuve + transducteur) : c’est un dispositif transforme une grandeur physique
(température, débit, niveau, vitesse …) en une grandeur électrique (tension, courant).
Conditionneur: il assure les fonctions de linéarisation de filtrage et d’amplification du signal de
sortie du capteur. Il est conçu souvent à base des amplificateurs opérationnels.
Corps d’épreuve: c’est un dispositif lorsqu’il est soumis à la grandeur physique, il produit une autre
grandeur directement mesurable par le capteur (grandeur intermédiaire).
Un transducteur : dispositif qui transforme un mesurande (ou mesurande intermédiaire) en un
signal électrique. Il traduit les réactions du corps d’éprouve en un signal électrique.
N.B: Pour des raisons économiques et de facilité d’exploitation, on peut utiliser un capteur sans
corps d’épreuve mais un capteur sensible à l’un des effets de la grandeur physique à mesurer.
Fonction et structure d’un capteur:
22
Un transmetteur : il exprime la grandeur électrique dans l’unité concernée (°C, Bar, m3, m/s, …)
et envoie cette valeur sur un afficheur ou un serveur.
Autrement dit il convertie le signal de sortie du capteur en un signal de sortie standard.
Il peut être incorporé ou non au capteur.
Il possède deux réglages:
- décalage de zéro quand la grandeur mesurée est au minium,
- réglage du gain quand la grandeur mesurée est au maximum.
Il permet aussi la transmission du signal de sortie du capteur à distance.
Fonction et structure d’un capteur:
Les différents types de signaux de sorties :
Les sorties analogiques :
courant: 0 – 20 mA (souvent 4mA – 20mA),
tension : 0 – 10 V (on utilise la sortie courant pour la transmission à distance).
N.B: 4mA au lieu de 0mA pour ne pas la confondre avec la mesure lors de la coupure de
l’alimentation,
Les sorties Tout Ou Rien : elles délivrent un niveau logique 0 ou 1 (0V ou 5V)
Les sorties numériques :
elles délivrent une information sur un certain nombre de bits dans un code donné(BCD,
Code Gray,…) 23
Formes des allures des réponses des capteurs:
24
La plupart des capteurs délivre en leurs sorties des signaux électriques selon trois
types : Analogique , Numérique (forme en escalier) et Logique TOR (deux niveaux ou 2
états).
Erreur de mobilité: C’est la déviation maximale de la sortie du capteur par rapport à
la réponse correspondante obtenue avec un capteur de référence (normalisé)
souvent linéaire sur l’étendue de mesure dans le cas ou la réponse du capteur est en
marche d’escalier.
Elle due à une numérisation du signal (pas continue = discontinue).
Ce type de capteur contient un convertisseur analogique numérique.
25
Caractéristiques principales d’un capteur:
Stabilité: Elle qualifie la capacité d’un capteur à
conserver ses performances pendant une
longue durée (durée de vie).
Exemple: problème du dérive de zéro.
Types de signaux de sortie:
26
Types de signaux de sortie:
27
Signal analogique: représenté par une grandeur physique dont l’amplitude peut produire une
infinité de valeur dans un intervalle donné. Il est divisé en 3 types:
- Signal continu: varie lentement dans le temps : température , débit , niveau. On s’intéresse
à son niveau ou à son amplitude.
- Signal temporel : varie en fonction du temps, c’est sa forme qui est important: pression
cardiaque, chromatographie.
- Signal fréquentiel: obtenu par transformée de Fourier (signal périodique) pour décrire le
comportement dynamique; le spectre fréquentiel transforme l’information désirée: analyse
vocale, sonar, spectrographie.
Signal numérique: l’amplitude de la grandeur physique qui le représente ne peut prendre qu’un
nombre fini de valeurs en général sous forme de puissance de 2. Il est divisé en 3 types:
- Signal TOR: il informe sur l’état bivalent d’un système: vanne ouverte ou fermée.
- Train d’Impulsion (périodiques): chaque impulsion est l’image d’un changement d’état, on
s’intéresse à la fréquence des impulsions obtenues . Un codeur incrémental donne un nombre
fini et connu d’impulsions par tour (mesure de position).
- Echantillonnage: c’est l’image numérique d’un signal analogique, c’est le niveau qui
compte pour ce type de signaux. Par exemple: température, niveau , débit.
28
Représentation d’un capteur dans son environnement
Mesurande (grandeurs d’intérêt): Elles sont classées en 6 familles, à chaque famille
correspond un certain nombre de capteurs:
- Électriques: tension, courant, impédances (R,C, L, M=inductance mutuelle)
- Mécaniques: Force, vitesse , déplacement, position, accélération, masse, débit…
- Magnétiques: Perméabilité, champ magnétique, moment magnétique…..
- Thermiques: Température, capacité thermique, flux thermique….
- Radiatives: Lumière visible, (7 couleurs), rayons: X, Gama, UV, IR, micro-ondes…..
- Biochimiques: Humidité, gaz, concentration, Ph, Hormone….
29
Grandeurs d’influence (de perturbation): grandeurs physiques ou chimiques auxquelles
la réponse du capteur est sensible (qui influe sur la mesure). On cite: température,
pression, accélération, humidité, champs( électrique, magnétique,
électromagnétique…), tension d’alimentation, Parasites (bruits)…
Afin de réduire et rendre négligeable l’effet de ces grandeurs d’influence, il faut:
- Protéger le capteur,
- Compenser leurs effets.
Représentation d’un capteur dans son environnement
Grandeurs de sorties (mesure ou sortie du
capteur): EN générale la réponse d’un capteur est
de nature électrique, souvent on trouve les types
suivants:
-Tension,
- Courant,
- Charge électrique,
- Diélectrique,
- Impédances (R. C. L. M)
30
L’erreur de mesure est l’écart entre la valeur mesurée et la vraie valeur (attendue ou exacte).
On distingue deux types d’erreurs : erreurs systématiques et erreurs accidentelles (aléatoires).
Les erreurs systématiques: Ce type est du à une mauvaise connaissance ou à une mauvaise
utilisation du capteur.
On peut citer les erreurs de : gain, offset, linéarité.
On détecte ce type d’erreurs par 2 techniques :
- Comparaison des valeurs moyennes obtenues durant plusieurs essais effectués par deux
capteurs différents (capteur étudié et capteur de référence ou normalisé très précis) pour un
même mesurande.
- En utilisant des échantillons étalons connus avec une grande précision.
Causes des erreurs systématiques:
-Étalonnage incorrect ou non effectué au delà de la durée de vie ou après une altération du
capteur.
- Emploi incorrect (non attente du régime permanent, erreur sur l’un des éléments du
conditionneur, modification du mesurande par le capteur ou mauvaise finesse…..).
- Exploitation inadéquate des données mesurées(erreur de linéarisation, saturation d’un
élément (souvent un Ampli Op) de la chaîne de mesure).
Erreurs de mesure d’un capteur:
31
Les erreurs accidentelles: les erreurs systématiques affectent en permanence
le mesurage, par contre celles accidentelles d’amplitude aléatoire qualifié par
le terme bruit, il est impossible de prévoir quand elles vont prévenir.
Causes des erreurs accidentales:
-Fluctuation des sources d’alimentation de la chaîne de mesure ou du
conditionneur (variations des fem dans un pont) .
-présence des champs électromagnétiques dans l’environnement du
capteur. Lorsque ces champs sont captés par un élément de l’ensemble:
capteur, conditionneur, chaîne de mesure.
- Fluctuation thermique ou dérive thermique : agitation thermique des
porteurs de courants….
On cite à titre d’exemple de ce types d’erreurs: Erreur de ou défauts de
mobilité, erreur d’Hystérésis, erreur de lecture….
Erreurs de mesure d’un capteur:
32
Erreurs de mesure d’un capteur:
N.B: Ce type d’erreurs est impossible à éliminer ou à annuler, mais on doit les réduire par
les techniques suivantes:
- Utilisation des dispositifs de protection (régulation des fem, stabilisation de la
température, isolation mécanique, blindage électromagnétique…).
- Utilisation des opérations de traitement de signal de filtrage, et de détection
synchrone…
Il est en tout cas indispensable de les évaluer.
Les erreurs accidentelles:
Propriétés:
Un capteur est dit fidèle si l’écart type qu’il fournit est faible. Les erreurs accidentelles
sont alors faibles.
Un capteur est juste s’il est dépourvu d’erreurs systématiques, dans ce cas la valeur la
plus probable ( ou la valeur moyenne) et la valeur vraie sont alors égales.
Un capteur est précis (ou exacte) s’il est à la fois fidèle et juste. Il ne présente donc ni les
erreurs accidentelles ni celles systématiques. La dispersion est faible et la valeur la plus
probable (ou la valeur moyenne)est égale à la valeur vraie.
33
Etalonnage d’un capteur:
Étalonnage: Technique permettant d’expliciter la relation entre les valeurs du
mesurande (entrée) et celles (les valeurs)de la grandeurs électrique (sortie) du
capteur, en tenant compte de tous les paramètres additionnels peuvant modifier la
réponse du capteur.
Cette relation peut être sous forme:
- Graphique (courbe d’étalonnage) obtenue avec des mesures expérimentales (patique)
- Algébrique (équation caractéristique) régie par les lois fondamentaux de la physique
(théorie).
34
Etalonnage d’un capteur: types d’étalonnages:
Etalonnage simple: Ce type consiste à associer aux valeurs du mesurande les
valeurs correspondantes de la réponse du capteur (sortie électrique).
Il s’applique à des mesurandes connus en valeur avec précision (appelées
étalons). Ces valeurs sont constantes (statiques) et à un capteur non sensible ou
non soumis à des grandeurs d’influence.
Exemples:
- Mesure de distance fixe par un capteur potentiométrique: l’indication ou
la mesure ne dépend pas de la température, ou d’autres grandeurs
d’influence.
- Mesure d’une force constante (pesage) par des jauges compensées en
température.
35
Etalonnage d’un capteur:
Etalonnage direct (absolu): dans cette procédure, les différentes valeurs du
mesurande sont fournies par des éléments de référence dont les valeurs sont
connues avec une grande précision (100 fois) à celle recherchée par le capteur
(càd la précision du capteur). On a ainsi plusieurs valeur du mesurande Ei et
plusieurs valeurs de réponse Si du capteur.
36
Etalonnage d’un capteur:
Etalonnage direct
(absolu):
Utilité de l’étalonnage direct:
A partir d’une valeur de la réponse S mesurée en sortie du capteur en
tenant compte de l’erreur de mesure comise , la relation obtenue (ou le
graphique)nous permet de déterminer la valeur du mesurande E appliqué
à l’entrée du capteur
37
Etalonnage d’un capteur:
Etalonnage indirect (par comparaison): on utilise deux capteurs soumis aux
mêmes valeurs du mesurande:
- un capteur étalon (de référence ou calibrateur) dont on possède la courbe
d’étalonnage et sa stabilité est assurée aussi.
- un capteur qu’on désire étalonner.
On fait varier la grandeur à mesurer. On a ainsi plusieurs valeurs de E(sorties de capteur
étalon) et plusieurs valeurs de S (sorties du capteurs à étalonner).
On peut en déduire la relation entre E et S (E=Setalon, S=Scapteur))
NB: Le capteur de référence (capteur étalon) nous permet de connaître les
valeurs du mesurandes utilisées dans l’opération de ce type d’étalonnage
indirect.
38
Etalonnage d’un capteur:
A partir de la valeur de S en sortie du capteur, la relation trouvée (ou le graphique)
permet de donner la valeur de E en entrée du capteur (mesurande associé).
N.B:
Pour les valeurs de S, il faut tenir compte des incertitudes.
Etalonnage indirect (par comparaison):
39
Etalonnage d’un capteur:
Etalonnage multiple: il est utilisé lorsque le mesurande seul ne permet pas de
définir la réponse du capteur. Il s’applique au capteur sensible (ou soumis) aux
grandeurs d’influence.
Ainsi, on effectue une série d’étalonnage successifs pour déterminer l’influence
de chacune des grandeurs d’influence sur la réponse du capteur.
Exemple 1: Capteurs à hystérésis magnétique (ou mécanique).
Il est souvent constitué de composants successible de l’hystérésis (magnet ou
mécani), la valeur de la sortie dépend non seulement de la valeur actuelle du
mesurande mais aussi de la suite des valeurs antérieures.
Pour déterminer la réponse du capteur, on procède comme suit:
-On fait la mise à zéro du mesurande, la sortie est à zéro aussi.
On relève les valeurs de la réponse du capteur pour des valeurs croissantes
jusqu’au maximum suivies de valeurs décroissantes du mesurande jusqu’à zéro.
40
Etalonnage d’un capteur:
Exemple 2: Phototransistor
C’est un capteur optique dont la grandeur de sortie Ic(courant collecteur)
dépend de :
- Flux du rayonnement incident et de sa longueur d’onde aussi,
- La tension Vce et la résistance de mesure du capteur Rm
-De la température.
Ainsi, il faut tenir compte de ces 3 paramètres durant l’opération
d’étalonnage.
Un capteur doit:
- fonctionner en permanence
- rester fiable pendant une longue durée sans nécessiter une
maintenance importante,
- peut subir un environnement peu favorable (forte humidité ,
brusque variations de température , corrosion,haute pressions etc).
Les critères déterminants pour choisir un capteur sont:
- Nature de la grandeur à mesurer,
- grandeurs d’influence,
- Rapidité
- précision
- sensibilité
- linéarité
- Finesse
- Coût 41
42
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs
II. Phénomènes physiques utilisés dans les capteurs
III. Exemples de capteurs industriels
43
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
1. Capteurs passifs:
Il s’agit en principe d’impédances (R, L, C) dont l’un des paramètres déterminants est
sensible au mesurande.
Dans l’expression littérale d’une impédance, sont présents des termes liés:
- A sa géométrie (ou dimensions),
- Aux propriétés électriques des matériaux dont-elles sont fabriquées (résistivité ρ,
perméabilité magnétique μ, constante diélectrique ε (permittivité).
- Plus rarement sur les deux simultanément.
)
,
,
( S
l
f
R 
 )
,
,
( S
e
f
C 
 )
,
,
,
( l
S
n
f
L 

44
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
1. Capteurs passifs:
a. Effets résistifs:
Le mesurande est évalué grâce à la mesure de la résistance.
45
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
1. Capteurs passifs:
b. Autres effets :
Le mesurande à un effet direct sur les propriétés électriques du matériau
utilisé.
Le mesurande est évalué grâce à la détermination des constantes de
chacune de ces propriétés électriques.
46
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
1. Capteurs passifs:
C. Principe :
La variation d’impédances résulte en générale soit d’une :
 Variation de dimension du capteur (potentiomètre, inductance à noyau
mobile, condensateur à armature mobile)
 Déformation (contrainte) résultante de force, pression, accélération…..
Exemples: armatures soumis à une différence de pression,
Jauge d’extensomètre liée à un corps déformable
1) Les capteurs passifs ont besoin d’une source d’alimentation (excitation)
pour qu’ils délivrent un signal électrique.
2) Certains capteurs passifs ont besoin d’un circuit complexe (alimentation
et conditionneur de capteur compliqués) pour fournir un signal électrique
de mesure.
N.B:
47
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
2. Capteurs actifs :
Ce type de capteur fonctionne en générateur, son principe est basé sur un effet
physique qui assure la conversion de la forme d’énergie propre au mesurande
(énergie thermique, mécanique, de rayonnement, électrique…) en énergie électrique.
 Ces capteurs actifs ont besoin d’un circuit d’adaptation ( conditionneur du signal)
pour fournir un signal électrique de mesure exploitable.
Effets importants :
48
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
3. Capteur composite :
Ce type de capteur est constitué par les deux éléments suivants:
 Corps d’épreuve
 Capteur actif ou passif .
Capteur composite
 Corps d’épreuve: dispositif lorsqu’il est soumis à la grandeur physique (par fois difficile à
mesurer), il produit une autre grandeur intermédiaire (secondaire) mesurable par le
capteur.
C’est un élément sensible au mesurande.
 Pour des raisons économiques et de facilité d’exploitation, un capteur peut être
réalisé sans corps d’épreuve mais le capteur doit être sensible à l’un des effets de la
grandeur physique à mesurer.
49
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
3. Capteur composite :
Capteur de pression
Ce type de capteur contient une membrane (corps d’éprouve) sensible à la pression
Cette membrane assure la transformation de la pression en déformation (déplacement ou
force).
o Mesurande primaire : Pression
o Mesurande secondaire : Déformation (Déplacement, ou force).
Capteur de Force:
Force appliquée sur un ressort (corps d’épreuve) qui la transforme en élongation , le
capteur transforme cette dernière en signal électrique.
La partie capteur (actif ou passif) traduit le mesurande secondaire en un signal électrique.
Exemples : membrane d’un microphone, Thermopile, masse sismique d’un accéléromètre
3. Capteur composite :
Microphone: membrane + jauge d’extensomètre (ou de contrainte)
Pression acoustique fait bouger la membrane (mouvement) et par suite signal électrique
Mesurande primaire : pression acoustique
Mesurande secondaire: mouvement ou déplacement
Accéléromètre : masse sismique + piézoéletrique
Accélération sur une masse sismique produit une force d’inertie. L’action de cette force sur un
piézoélectrique génère un signal électrique
Mesurande primaire : Accélération
Mesurande secondaire: force d’inertie (effort de compression)
51
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
3. Capteur intégré (composite):
Ce type est réalisé par des techniques de la microélectronique qui regroupe sur un
même substrat de silicium : le corps d’épreuve, le capteur et le conditionneur.
Avantage de l’intégration (ou miniaturisation):
Réduction des coûts par la fabrication en grande série, augmentation de la fiabilité par
élimination de plusieurs connexions soudées, meilleure protection vis-à-vis des
parasites, dimensions réduites….etc.
52
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
3. Capteur intégré (ou composite):
Le conditionneur contient un ensemble de circuits de: compensation thermique,
linéarisation, amplification, transmission par conversion tension-fréquence, ou
conversion tension-courant.
Types de capteurs intégrés à base de silicium:
• Résistance thermométrique,
• Photodiode, phototransistor
• Jauges extensométriques
Avantage du silicium:
Réalisation de capteurs isolés (résistif, capacitif ou au moyen de diodes et de
transistors)
Réalisation des corps d’épreuves de propriétés mécaniques excellentes : élasticité,
limite de fatigue très élevée…etc.
53
CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS
I. Types de capteurs industriels
4. Capteur intelligent (smart sensor):
54
4. Capteur intelligent:
Un tel capteur est constitué des 2 éléments suivants:
- Chaîne de mesure (un ou plusieurs capteurs classiques principaux et capteurs
secondaires) pilotée par microprocesseur,
- Interface de communication bidirectionnelle entre le capteur intelligent et un
calculateur central.
La chaîne de mesure comporte essentiellement:
1- Le capteur principal spécifique du mesurande étudié, et identifiable par un code stocké en une
mémoire PROM,
2- les capteurs secondaires propres aux grandeurs d’influence susceptibles d’affecter la réponse du
capteur principal,
3- Dispositifs classiques permettant d’obtenir sous forme numérique les grandeurs de sortie de chaque
capteur: conditionneur, multiplexeur, amplificateur, échantillonneur bloqueur, convertisseur analogique
numérique.
4 - Un microprocesseur assurant les tâches suivantes:
- Gestion de l’acquisition (ordre de priorité),
- Correction de l’effet des grandeurs d’influence (au moyen des paramètres stockés en PROM et des
données fournies par les capteurs secondaires)
- Linéarisation,
- Diagnostic des capteurs (principal et secondaires).
4. Capteur intelligent:
56
4. Capteur intelligent:
5- Interfaces de communication bidirectionnelle:
- Du calculateur central vers capteurs: configuration , auto étalonnage….etc.
- Du capteur vers calculateur central : résultats de mesure, état de la chaîne (étendue de mesure,
dépassements de gamme du mesurande ou d’une grandeur d’influence….)
Elle assure la liaison du capteur à un calculateur
central via un bus interne partagé entre plusieurs
capteurs intelligents. Elle fait transiter les données et
les messages porteurs du code des capteurs
concernés dans deux sens:
Avantages:
Configurabilité à distance, fiabilité accrue des mesures et aide à la maintenance garce aux
informations d’états fournies, répartition des tâches et libération du calculateur central
(mécanisme d’interruption).
Exemples: Robots, Caméra intelligente, radar de
nouvel génération,
57
1. Photo-électricité:
la lumière est vue comme une onde électromagnétique se propageant à la vitesse
: c=299792458 m/s dans le vide (et à c/n dans les milieux d’indice de réfraction
n).
Cette onde est caractérisée par sa fréquence f ou sa longueur d’onde λ :
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs actifs
a. Propriétés de la lumière: Elle est à la fois une onde et un flux de
photons.
f
v


L’aspect ondulatoire: Il est mis en évidence par les lois tels que:
interférence, diffraction, réflexion et réfraction.
La sortie d’un capteur actif est équivalent à un générateur de type courant, tension ou
charge. Ce type de capteurs met en jeux un ensemble de phénomènes physique décrites
par un ensemble de principes physiques fondamentaux.
58
1. Photo-électricité:
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
a. Propriétés de la lumière:
Ainsi, la lumière est vue comme un ensemble de photons, de masse nulle et
d’énergie E:

c
h
f
h
E
.
. 
 )
.
10
.
6256
,
6
(
tan
: 34
s
J
Blank
de
te
Cons
h 
L’aspect corpusculaire (flux de photons) apparaît les lois de l’interaction
entre le rayonnement (photons) et la matière.
Les particules atomiques absorbent et émettent de l’énergie sous forme de
portions dits quantums d’énergie : .
Dans le cas d’un rayonnement lumineux, ces quantums sont appelés photons .

.
h
59
b. Effet photo-électrique:
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
liaison
photon E
F 
Sous l’influence d’un rayonnement lumineux, certains matériaux libèrent
des charges électriques (électrons et/ou trous) dont la quantité dépend
de l’intensité du rayonnement absorbé et du type de matériau.
Dans la matière, les électrons liés aux atomes exigent pour devenir libre
une énergie supérieure à leurs énergie de liaison.
60
c. Effets associés :
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
On distingue plusieurs effets associés à l’effet photo-électrique:
 Photoémission (1905 Albert Einstein): les électrons libérés sont émis hors
d’un matériau (métal) éclairé et forment un courant collecté par application
d’un champ électrique.
 Photovoltaïque (1839 Edmond Becquerel): les électrons et les trous sont
libérés au voisinage d’une jonction PN d’un semi-conducteur éclairé . Leurs
déplacement dans le champ électrique de la jonction modifie la tension aux
bornes de ce semi-conducteur.
 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
(perpendiculaire) au champ et au rayonnement.
61
c. Exemple de Capteurs à effet photo-électricité :
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
L’effet photoélectricité entraîne une modification des propriétés
électroniques des matériaux, ce qui le rend un principe fondamental d’un
ensemble de capteurs optiques ou détecteurs photoniques à savoir:
 Photorésistance
 Photodiode
 phototransistor
 Diode PIN
 CCD ou Charge couple Device (photographie numérique:
imagerie)
62
c. Thermoélectricité :
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
Effet Seebeck: Un circuit constitué de deux métaux A et B de nature chimique
différente dont les jonctions J1 et J2 (soudures ou extrémités) sont soumises
des températures T1 et T2 différentes est le siége d’une tension (force
électromotrice) liée la différence (T1-T2).
Lorsque deux métaux différents sont réunis entre eux à chaque extrémité
(J1 et J2) et sont portés à des températures T1 et T2 différentes , un courant
i circule.
63
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
Effet Peltier (effet inverse de Seebeck): le passage d’un
courant électrique dans une jonction de deux matériaux
de nature différente provoque une augmentation ou une
diminution de température de cette jonction: principe
des réfrigérateurs.
c. Thermoélectricité :
 Ainsi, à partir de la mesure de la tension
obtenue, on peut déterminer la température T2
lorsque T1 est connue (valeur de référence,0°C par
exemple)
 L’effet Seebeck constitue le principe du thermocouple qui est
couramment utilisé dans les capteurs de température.
64
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
Effet Peltier (effet inverse de Seebeck): le passage d’un courant électrique
dans une jonction de deux matériaux de nature différente provoque une
augmentation ou une diminution de température de cette jonction: principe
des réfrigérateurs.
c. Thermoélectricité :
 Ainsi, à partir de la mesure de la tension obtenue,
on peut déterminer la température T2 lorsque T1
est connue (valeur de référence,0°C par exemple)
 L’effet Seebeck constitue le principe du thermocouple qui est couramment
utilisé dans les capteurs de température.
Effet Thomson : le gradient de température entre deux points A et B d’un
conducteur est le siége d’une fem entre ces deux points,
65
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
Certains cristaux présentent une polarisation électrique spontanée qui
dépend de leur température: Ils portent en surface des quantité de charges
électriques proportionnelle à cette température et de signe contraire sur les
deux faces opposés.
c. Pyroélectricité :
Polarisation: Apparition de deux poles (pole chargé + et un autre pole
chargé -) au sein d’une structure au cours d’un phénomène.
Exemple:
Dans un semi conducteur, les charges électriques liées sont susceptibles
de se déplacer sur de petites distances ou de vibrer sous l'influence
d'un champ électrique créant une certaine polarisation.
66
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. Pyroélectricité : (cristaux pyroélectriques, ex: sufate de triglycine)
Ce phénomène peut etre utilisé dans:
 la production d'électricité,
 la détection de radiations: dans certains capteurs (ou détecteurs) infrarouge.
Ainsi, en absorbant un flux de rayonnement variable Ø, le cristal va
s’échauffer et ainsi sa polarisation va se modifier entraînant une variation
de tension V détectable.
NB: Si le rayonnement est constant, la tension V disparaît peu à peu
(phénomène temporaire) . Ce capteur fonctionne bien si le rayonnement
varie continuellement.
67
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. Piézoélectricité (quartz)
Propriété des matériaux piézoélectriques:
 Au repos, les barycentres des charges +
et des charges – sont confondus.
 Par application d‘une contrainte (force par
exemple), les charges se séparent, leurs barycentres
ne sont plus confondus, le cristal est alors polarisé:
d’où l’apparition d’une tension à ses bornes.
Effet piézoélectrique: un matériaux piézoélectrique (cristal) produit deux
types de charges électriques différentes (+ et -) lorsqu’il est soumis à une
contrainte mécanique (force, pression, déformation). Ces deux types de
charges sont de quantités égales et de signes contraires sur les faces
opposées d’où l’apparition d’une tension électriques à ses bornes.
69
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. Effet Hall :
Lorsqu’un semi-conducteur (parallélépipède rectangle) traversé par un courant i est soumis à
un champ magnétique B alors une différence de potentiel EH apparaît entre les deux faces
perpendiculaires au plan (i, B).
La tension est d’ailleurs proportionnelle au produit vectoriel de i et de B et appelée tension
Hall EH: )
sin(
)
sin( 
 




 B
i
K
B
i
K
E H
H
H


KH= constante du matériau
θ : angle entre i et B
Les charges dans le semi conducteur sont
soumises à la force de Lorenz ce qui permet de
donner naissance à la tension Hall.
70
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. Effet Hall :
)
sin(
)
sin( 
 




 B
i
K
B
i
K
E H
H
H


N.B: Pour avoir une tension mesurable, il faut que les lignes de champ B
doivent être perpendiculaires au plan ou le courant i traverse le semi-
conducteur (polarité correcte doit être assurée).
Un aimant lié à l’objet dont on veut connaître la position détermine les valeurs de B et de
θ au niveau du semiconducteur (plaquette):
La tension Hall qui par ce biais est fonction de la position de l’onjet en assure donc une
traduction électrique.
Ce type de capteur est actif (information liée à une tension), mais ce n’est pas un
convertisseur d’énergie car c’est le courant i et non pas le mesurande (position)
qui délivre l’énergie liée au signal de sortie (tension de Hall).
71
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. Effet Hall :
La tension Hall obtenue est d’amplitude assez faible (μV) même avec un fort champ
magnétique B.
Solution:
on ajoute un amplificateur de courant continu et d’un régulateur de tension pour amplifier
la tension Hall et améliorer la sensibilité du capteur à effet Hall.
Applications:
Détecteurs de proximité, mesure de vitesse de rotation, position des objets…
Ce type de capteur peut mesurer des champs magnétiques variables et des champs
magnétostatiques (statiques).
Cet effet peut être utilisé pour :
 Mesurer ou détecter le champ magnétique d’un aimant permanent ou d’un courant,
 Mesurer la position, l’intensité et la direction d’un objet lié à l’élément source du
champ.
72
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
La tension Hall obtenue est d’amplitude assez faible (μV) même avec un fort
champ magnétique B.
Solution:
on ajoute un amplificateur de courant continu et d’un régulateur de tension
pour amplifier la tension Hall et améliorer la sensibilité du capteur à effet Hall.
Applications:
Détecteurs de proximité, mesure de vitesse de rotation, position…
Ce type de capteur peut mesurer des champs magnétiques variables et des
champs magnétostatiques (statiques).
c. Effet Hall :
73
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. Effet d’induction électromagnétique (ou induction ou conversion électromécanique):
Lorsqu’on fait tourner un cadre métallique à une vitesse angulaire w dans un champ magnétique
fixe B, une force électromotrice E est générée.
N.B : En pratique la fem E est sinusoïdale, sa
fréquence f proportionnelle à la vitesse w.
Cet effet est utilisé dans la mesure de la vitesse
angulaire.
Induction de Lorenz Induction de Neumann
74
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. Effet Doppler:
Si un objet en mouvement émet une onde avec une certaine fréquence et
qu’il se rapproche du récepteur alors le récepteur reçoit l’onde avec une
fréquence plus élevée.
Réciproquement, si l’émetteur s’éloigne du récepteur alors le récepteur
recevra l’onde avec une fréquence moins élevée.
Exemple : déplacement d’une voiture
Lorsque la voiture se rapproche de nous on entend une note aigue, et
lorsqu’elle s’éloigne on entend une note grave.
75
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs
c. 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.
N.B: Cet effet s’applique à toutes les ondes.
Exemple:
Lorsqu’une galaxie s’éloigne on la voit légèrement plus rouge et
lorsqu’elle se rapproche on la voit légèrement bleue.
c. Effet Doppler:
Application : Radar, sérine de camions….????
76
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
1. Variation de résistance (effet résistif):
Les capteurs passifs utilisent les variations d’impédance (R,L,C, M). Ces impédances se
trouvant au niveau des transducteurs.
La réaction de ces transducteurs aux variations des mesurandes appliqués aux corps
d’épreuves produit ces variations d’impédances.
Dans la suite, on va s’intéresser aux variations de ces impédances en fonction des variations
des divers mesurandes.
Conductivité: propriété indiquant le degré de facilité de déplacement des
électrons au sein d’un matériau.
Résistivité: c’est l’inverse (contraire) de la conductivité
a. Géométrie:
La résistance d’un conducteur ou semi-conducteur dépend de sa géométrie.
Si cette géométrie est modifiée, ceci entraînera des variations au niveau des
deux dimensions: l, et S; ce qui fera varier la valeur de la résistance R.
)
,
,
( S
l
f
R 

L: longueur du fil,
S: section du fil
77
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
1. Variation de résistance (effet résistif):
N.B: La résistance du potentiomètre est supposée uniforme
pour que la résistance soit linéaire en fonction de la position
du curseur.
L
l
R
l
R T

)
(
Potentiomètre linéaire
RT (ou RL): résistance totale du potentiomètre (vue entre les bornes 0 et 1),
R(l): résistance entre les bornes 2 et 3, càd au niveau du curseur C mobile.
T
M
R
R


 
)
(
Potentiomètre circulaire:
78
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
Exemple: Jauges de contraintes : résistances utilisées
pour mesurer la déformation de poutre soumises des
forces.
1. Variation de résistance (effet résistif):
αM supérieur à 360 degrés
Potentiomètre Hélicoïdal:
Jauge
79
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
1. Variation de résistance:
Applications :
Cet effet est couramment utilisé pour la mesure de:
 Positions et déplacements indispensables pour un fonctionnement
correct d’un grand nombre de machines, ….
 Certaines grandeurs physiques (forces, pressions, températures,…)
par le déplacement qu’elles imposent à des corps d’épreuves
spéciaux.
80
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
b. Effet du flux lumineux :
La résistivité de certains semi-conducteurs dépend du flux lumineux reçu.
Ce flux fait passer des électrons de la bande de valence à la bande de
conduction : Donc le nombre d’électrons de la bande de conduction ( et de
trous dans la bande de valence ) a varié, du coup la résistance du semi-
conducteur est modifiée.
La résistivité de certains matériaux (chlore de Lithium) dépend du
niveau d’humidité: On peut donc déduire le niveau d’humidité
(hygrométrie) en mesurant la variation de la résistance.
b. Effet de l’humidité :
1. Variation de résistance :
81
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
1. Variation de résistance:
b. Effet de la température sur les métaux :
Dans les métaux, le parcours (chemin) d’un électron dans la bande de
conduction peut être entravé (bloqué) par l’oscillation des atomes:
-Plus la température est basse, moins les atomes oscillent et moins il est
probable que l’électron soit bloqué.
- A des températures extrêmement basses se produit le phénomène de la
supraconductivité.
- Plus la température est élevée et plus les atomes oscillent ce qui
augmente la probabilité d’un électron de voir son chemin (parcours)
bloqué; il aura plus de difficulté à circuler.
82
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
1. Variation de résistance:
La relation entre la résistivité ρ et la température T est :
.....)
1
( 2
2
1
0 




 T
T 



ρ0 : la résistance à une température de référence
ΔT: la différence de température actuelle et celle de référence
αi : les coefficients de température.
Chez les semi-conducteurs, la résistance évolue en fonction logarithmique avec
la température et elle dépend du dopage du semi-conducteur utilisé.
le changement de température modifie le nombre d’électrons et de trous
libres, changeant ainsi la résistivité du semi-conducteur.
b. Effet de la température sur les métaux :
b. Effet de la température sur les semi-conducteurs :
Polynôme
83
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
1. Variation de résistance:









 0
1
1
0
)
( T
T
B
e
R
T
R
T : Température absolue.
B: coefficient spécifique du matériau (semi-conducteur).
R0 : Résistance à température de référence T0.
Exemple:
Une thermistance est un capteur résistif à base de matériau semi-conducteur
(silicium); sa résistance varie fortement avec la température T.
La résistivité est donc dépendante de la température.
On peut donc utiliser cette propriété pour mesurer la température.
b. Effet de la température sur les semi-conducteurs :
84
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
2. Variation de capacité (capacitance) ou effet capacitif:
La capacité C est définie comme le rapport entre la quantité de charge Q stockées sur
deux plaques métalliques et le champ électrique (tension dans ce cas) entre ces deux
plaques provoqué par ces charges électriques:
N.B: Cette capacitance C dépend de la géométrie des plaques et du milieu
séparant ces deux plaques et qui est traversé par le champ électrique.
Un condensateur est un composant électronique spécialement conçu pour tenir
l’énergie électrique. Il est constitué de deux conducteurs (armatures ou plaques) placés
face à face.
Quand ces deux conducteurs sont séparés par un matériau isolant, leurs charges
produisent un champ électrique dans cet isolant (s’ils sont déjà chargés).
La capacité d’un condensateur désigne son aptitude à stocker et à libérer de l’énergie
électrique.
85
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
2. Variation de capacité:
Dans le cas de deux plaques rectangulaires
parallèles de surface S distancées de d la
capacitance C s’écrit:
εr: la constante diélectrique du matériau soumis au champ
électrique entre les deux plaques:
La constante diélectrique (ou permittivité) du vide ε0 est :
S
d
C r


 
0
)
/
(
854
.
8
0 m
F


)
/
(
000264
.
1 m
F
r 

Condensateur Plan:
86
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
La capacitance dans le cas d’un condensateur de
forme cylindrique est :
D et d : diamètres respectifs des électrodes externe et interne,
l: longueur du cylindre.










d
D
l
C r
ln
2 0 


 La constante diélectrique relative d’un matériau placé entre les deux
électrodes du condensateur peut être changée par des variations de:
 Température,
 Humidité (hygrométrie) de l’air entre armatures,
 Niveau de liquide formant l’isolant.
2. Variation de capacité:
Condensateur Cylindrique:
87
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs










d
D
l
C r
ln
2 0 


La capacitance peut aussi varier avec le changement de la géométrie. Ce principe peut
être utilisé dans un capteur de :
 pression de fluide (membrane), cette membrane étant l’une des deux plaques du
condensateur plan: La déformation de la membrane modifie la capacitance du
condensateur plan.
 Pression (microphone)
 Déformation de solide (Jauge d’extensométriques)
S
d
C r

 
 0
2. Variation de capacité:
88
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
Effet capacitif mécanique:
La capacitance peut aussi varier avec le déplacement de l’une des armatures; ainsi on
distingue deux types de condensateurs:
Condensateurs plans:
Le déplacement de l’armature peut s’effectuer soit:
 Dans son propre plan (S variable et d constant (condensateur à surface variable),
 Perpendiculairement à son propre plan (S constante et d variable)
(dit condensateur à éclatement variable)
Condensateur à surface S variable Condensateur à éclatement variable
89
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
Effet capacitif mécanique:
Condensateurs cylindriques:
l: L’enfoncement du cylindre intérieur dans le cylindre extérieur,
r1 et r2: rayons des deux cylindres.
Le déplacement de l’armature se fait uniquement parallèlement à l’axe (l variable)











1
2
0
ln
2
r
r
l
C r



Condensateurs double différentiel:
L’armature A1 mobile (interne) se déplace
perpendiculaire à son plan entre les deux
armatures fixes A2 et A3 (externes).
N.B: L’intérêt majeur de ce type de condensateur permet d’assurer une bonne linéarité entre
les variations de la capacité C et le déplacement d
90
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
Effet capacitif mécanique:
Autres types
:
 L’armature A1 mobile (en pointillé ou trait = interne) se déplace
entre les deux armatures fixes externes A2 et A3.
Applications:
Microphone capacitif (variation de d)
 Capteurs précis de mesure de grands déplacements (S variable): micromètre
capacitif.
 Capteurs de très faible déplacement: nanomètre capacitif
 Capteurs de proximité capacitif haute température
91
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance (Effet inductif):
L’inductance L est une mesure du rapport entre le flux Ø du champ magnétique B
généré par un fil parcouru par un courant d’intensité I :
NB: pour mesurer l’inductance L, Il faut que le courant I soit variable dans le temps.
En vertu de la loi de Faraday, on écrit la relation entre la tension e(t) et le courant i(t)
dans l’inductance L:
dt
t
di
L
t
e
)
(
)
( 

L’inductance d’une bobine de N spires enroulées auteur d’un noyau magnétique est:
l
S
N
L r



 2
0


μ0 : Perméabilité magnétique du vide
μr : Perméabilité magnétique relative du noyau
magnétique
S et l : Surface (section)du noyau magnétique et longueur
92
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance:
L’inductance L d’une bobine à l’aire libre est :
l
S
N
L 

 2
0

L’inductance L peut être variée par les variations de la perméabilité magnétique relative qui est en
fonction des contraintes mécaniques présentes dans un métal ferromagnétique soumise à une
force.
Réluctance: Difficulté du champ magnétique à parcourir un circuit magnétique. Elle se
calcule par:
L
N2


Pour un circuit magnétique fait d’un seul matériau, la réluctance est :
S
l
r




0
93
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance:
N.B: Certains circuit magnétiques comportent des entrefers (zones ou le circuit
ferromagnétique est interrompu).
Un entrefer de faible épaisseur e possède une réluctance:
N.B: L’inductance peut être modifiée en variant la réluctance
du circuit magnétique ou en changeant le nombre de tours de
la bobine.
S
e
e
0



La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances
des différentes zones formant le circuit considéré.
Calculer la réluctance et l’inductance des deux circuits suivants:
94
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance:
Le déplacement de l’un des éléments d’un circuit magnétique entraîne une variation du flux
Dans le cas ou il s’agit d’un noyau ferromagnétique son déplacement peut provoquer soit :
Une variation du coefficient d’auto-induction (cas d’une bobine, induction (inductance) varaiable),
Une modification du couplage entre les enroulements primaires et secondaires (cas d’un
transformateur, variation du coefficient d’induction mutuelle)
Bobine à noyau plongeur:
Associationde 2 bobines: l0 et lf:
Le coefficient d’auto-induction L du bobinage dépend de
l’enfoncement du noyau:
f
f
L
L
k
M
M
L
L
L





0
0
2
M et k : respectivement le coefficient de l’induction mutuelle et le coefficient de couplage supposé
constant.
Le déplacement du noyau provoque une variation de l’inductance L qui est une fonction non
linéaire de lf
95
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance:
Bobine à noyau plongeur:
 
2
0
0
2
0
0
0
0
)
1
(
)
(
2




















l
N
S
S
l
L
l
N
l
l
S
L
M
L
L
L
f
f
f
f
f
f



Les non linéarités introduites par la bobine à noyau plongeur peuvent être réduites en
utilisant deux bobines identiques avec un noyau plongeur commun.
Déplacement
du noyau
Déplacement
du noyau
96
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance:
Circuit magnétique à entrefer:
Le coefficient d’auto-induction est donné par:
0
2
0
l
S
N
L 

Le déplacement de l’armature entraîne une variation de L donnée par:
x
l
l
x
x
l
S
N
L










2
1
2
2
0
0
0
2
0

Les variations de L sont non linéaires en fonction de l’entrefer.
Ces non linéarités peuvent être améliorées en associant deux
circuits magnétiques variation d’entrefer opposées.
Déplacement
du noyau
Déplacement
de l’armature
97
II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance:
Transformateur différentiel :
Le transfo différentiel est constitué d’
 un enroulement primaire
 2 enroulements secondaires placés symétriquement par rapport au primaire alimenté par une
tension sinusoïdale.
Déplacement rectiligne
Transfo diff à déplacement rectiligne:
Déplacement angulaire
Transfo diff à déplacement rectiligne:
98
II. Phénomènes physiques utilisés dans les capteurs passifs
3. Variation de l’inductance:
Applications:
Mesure de courant : pince ampèremétrique:
Mesure d’accélération : accéléromètre inductif ( par mesure de déplacement):
99
III. Étude de quelques capteurs industriels:
1. Classification des capteurs
Les capteurs peuvent être classés en fonction de :
 Leurs principes de fonctionnement : capteur passif ou capteur actif)
 Signal de sortie (réponse) qu’ils délivrent : capteurs analogique,
capteur logique (TOR), capteur numérique (digital).
 Mesurande qu’il transforme : capteur de température, de pression,
d’humidité, de gaz…
 Principe de transformation du mesurande : capteur résistif, capacitif,
inductif, à effet Hall,…..
 Leurs rôles dans un système donné. Par exemple: un processus
industriel : capteur de contrôle de produits finis (dimensions, poids….) ,
de sécurité,…
10
0
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.1. Capteurs de température
La température est une grandeurs de type intensive, à la vitesse des particules. Elle
possédant 4 échelles différentes:
Kelvin, Celsius, Fahrenheit, et Rankin.
Kelvin: défini à partir du point triple de l’eau, qui vaut 273,16K (soit 0,01°C).
C’est la fraction 1/273,16 de la température du point triple de l’eau.
0 K est le zéro absolu qui correspond à l’absence de toute agitation thermique du
milieu (vitesse nulle des particules) .
Celsius
:
15
,
273


 K
C T
T , Le zéro absolu vaut donc -273,15°C
Fahrenheit: Cette échelle attribue une plage de 180°F entre la
température de solidification de l’eau (32°F) et sa température
d’ébullition(212°F).
Ainsi: )
32
(
9
5
32
5
9



 


 F
C
C
F
T
T
ou
T
T
10
1
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.1. Capteurs de température
a- Généralités:
Les capteurs de températures sont utilisés dans de nombreuses industries:
Chimie, médecine, Alimentation (nourriture), Analyse et optimisation de
fonctionnement, gestion de bains de peinture, traitement des métaux…..
Les capteurs de températures sont classés en deux catégories principales :
 Capteur à contact: échange de chaleur entre le milieu et le capteur jusqu’à
avoir l’équilibre thermique.
 Capteurs sans contact (Pyromètres optiques ) : basé sur la relation entre la
température d’un corps et son rayonnement optique (Infra-Rouge ou Visible)
qu’il émet sous l’effet de sa température.
10
2
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.1. Capteurs de température
On distingue trois grandes familles de capteurs de température à
savoir:
• Les thermo-résistances,
• les capteurs de température à semi-conducteurs,
•Les thermocouples.
2.1.1. Les thermo-résistances:
Principe: La résistance d’un matériau varie en fonction de sa température.
Ainsi , on mesurer la température par une mesure de résistance
 Les lois de variation de résistances sont différentes suivant qu’il s’agit d’un métal
ou d’un agglomérat d’oxyde métallique. Ainsi on distingue deux types de thermo-
résistances:
• les résistances métalliques (métal) ou thermomètre à résistance,
• les thermistances (oxyde métallique).
La sensibilité thermique de ce type de capteur est définie par : dT
dR
R
1


10
3
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermorésistances:
))
(
1
(
)
( 0
0 T
T
T 

 


a. Thermomètres à résistance métalliques:
Principe: La résistivité d’un métal ou d’un alliage de métaux dépend de la température selon
la loi suivante:
ρ0: résistivité à la température absolue T0
T0: Température absolue
α: coefficient dépendant du type de métal.
Dans une étendue de mesure dépendant de chaque métal,
la relation résistance-température s’écrit:
 
3
2
1
)
0
(
)
( CT
BT
AT
R
T
R 



R(0) : Résistance à 0°C,
A, B et C : coefficients positifs spécifiques au métal considéré.
N.B : Trois points de calibrage permettent de connaître A, B et C.
Parfois B et C sont faibles (nulles).
10
4
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermorésistances:
b. Thermorésistances
à base de métaux:
 Critères de
choix d’un métal:
N.B: Le platine reste le plus utilisé.
10
5
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermorésistances:
b. Thermorésistance métalliques: sensibilité
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermorésistances :
b. Exemple de Thermomètre à résistance métalliques:
La sonde Pt100 : Sonde de platine de résistance:
100 Ω à 0°C et 138,5 Ω à 100°C
Avantages:
Très précise (utilisée en étalonnage),
Simple à mettre en œuvre,
Peut être approximée par une loi linéaire,
Inconvénient:
Sensible à l’auto échauffement et la variation des résistances de connexions (soudures).
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermomètres à thermistance :
Une thermistance est un agglomérat d’oxyde métallique frittés (compacts par haute pression
exercée à température élevée; 150 Bars et 1000°C).
Une thermistance peut être fabriquée à base d’un ensemble d’éléments chimiques à savoir:
Oxyde ferrique (Fe2O3), Aluminate de magnésium (MgAlO4), titane de zinc (Zn2TiO4).
La variation de résistance d’une thermistance dépend des matériaux utilisés.
La résistance électrique d’une thermistance est très sensible à l’effet de la température. Il
existe deux types de thermistance:
Les CTN à coefficient de température négatif,
Les CTP à coefficient de température positif.
La loi de variation est donnée par :
T
b
e
a
T
R 

)
(
a et b : paramètres spécifique de la thermistance
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermomètres à thermistance :
•La variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance.
•La thermistance n’est pas linéaire.
Par comparaison avec un thermomètre résistant (sonde Pt100):
N.B: Leur domaine d’utilisation va de -80°C à +700°C avec une précision de 0,1 à 0,5 °C.
N.B : Pour les CTN, le paramètre a = R(0°) : résistance à 0°C
Pt100
CTN
CTN
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermomètres à thermistance :
Avantages:
 Temps de réponse court, moins cher,
 Meilleure sensibilité,
 Faible encombrement petits cylindres (diamètre de 1 à 12 mm, Longueur de 5 à 50 mm),
 Ne présente pas le phénomène de polarisation
 Peuvent traversées par un courant continu DC ou alternatif AC indifféremment.
Disavantages:
 La loi de variation de la résistance en fonction de la température n’est pas linéaire.
 Diversités des caractéristiques dans les séries selon le matériau de fabrication,
 Sensible à l’auto échauffement et la variation des résistance de connexion (soudures).
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermomètres à thermistance :
Applications du type CTP:
 Détecteur de température : protection des moteurs, transformateur contre
des élévations excessive de la température.
Protection contre des surintensités de courants électriques
 Détecteur de niveau de liquide par mesure de résistance de la thermistance
quand-t-elle est placée dans l’eau qui est différente par rapport à la mesure
dans l’air,
Applications du type CTN:
Mesure et contrôle de température
 Limitation d’impulsions transitoires de températures,
Mesure de flux de liquide
 ……..
CTP
CTN
Qlques Ohms à qlque 100 de kohms
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermocouples :
Principe: Effet Seebeck:
L’association de deux fils métalliques de nature différente connectés à leurs
deux extrémités.
Un courant électrique circule dans la boucle ainsi formée s’il y a une différence
de température entre les extrémités appelées Jonctions ou soudures.
On distingue :
 La jonction chaude portée à la température Tc,
 La jonction froide portée à la température Tf.
La tension Es obtenue est directement liée à la différence de température
et à un coefficient α dépendant de la nature des deux matériaux
constituant le thermocouple, appelé coefficient de Seebeck:
)
( f
c T
T
Es 

2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les thermocouples :
Les pouvoirs thermodynamiques des métaux et alliages (V=f(T)) sont définis
dans des tables par rapport à un métal de référence Pt et par rapport à 0°C.
Généralement la température de référence est la température ambiante.
N.B:
la relation V=f(T) de n’importe couple de métaux peut être déterminée.
Avantages:
 Capteurs très répondus pour la mesure de température
 Peu onéreux,
 Précis,
 Fonctionnant sur une large gamme de température.
 Rapide (de l’ordre de qlques ms).
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur :
Ce type de capteur est largement utilisé actuellement pour une gamme de
température usuelle.
Il s’agit d’un boîtier constitué des éléments suivants :
Elément sensible (diode Zener )
Bloc d’amplification de tension)
On dispose en sortie d’une tension qui peut atteindre 10mV/°C avec une
précision inférieure à 1%.
Principe:
On détecte la variation de température par mesure de la variation du
courant traversant la diode Zener en inverse.
Caractéristiques:
Sensibilité, précision, intégration: bonnes
Excellente linéarité,
Étendue de mesure de température réduite (-100°C à +150°C),
Prix modéré.
a. Capteurs à base de diode Zener:
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur :
b. Capteurs à base de diode ou de transistor:
Principe : La tension aux bornes d’un semi-conducteur ( diode ou transistor) et le
courant qui le traverse dépendent de la température.





 








KT
qV
CT
I
avec
KT
qV
I
I m 
exp
exp 0
0
VØ : Hauteur de la bande interdite (1,2V pour le Silicium)
C : Constante dépendant de la géométrie de la jonction,
m: Coefficient voisin de 3,
K : Constante de Boltzman (1,3806488(13) 10-23 J/K
Avec:
B=
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur :
b. Capteurs à base de diode ou de transistor:
 
C
mV
b
I
K
q
k
b





/
2
ln
ln
2
A courant constant I, la mesure de V est linéaire en fonction de la température :
a : dépend de l’élément sensible (diode ou transistor)
K constante de température
b
T
a
V 


Avantages:
 Simplicité
 Peu coûteux
 Non linéarité faible
Défaut:
 Étendue de mesure limitée.
2.1. Capteurs de température
2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur :
b. Capteurs de température sans contact : Pyromètre optique
La pyromètre optique est une méthode de mesure de la température.
Son principe est basé sur la relation entre la température d’un corps et le
rayonnement optique (Infrarouge ou visible) que ce corps émet.
Ce type de capteurs permet de déterminer la température sans contact
avec l’objet.
Applications:
• Mesure de température élevée (>2000°C)
• Mesure à de grande distance
• Environnement très agressif
• Localisation des points chauds
• Pièce en mouvement
11
7
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.1. Capteurs à effet photoélectriques:
 Photon : Un grain (quantum) d’énergie de valeur : 

 h
E
photon
du
radiation
de
fréquence
La
Planck
de
te
cons
s
j
h
:
tan
/
10
.
62
,
6 34



Avec:
 Longueur d’onde : Elle caractérise un phénomène vibratoire (série de
vibrations), donnée par la relation:

 /
c

vibration
de
fréquence
La
s
m
vide
le
dans
lumière
la
de
vitesse
La
c
:
)
/
10
.
3
(
: 8

N.B: Chaque couleur de la lumière est caractérisée par une longueur d’onde
particulière.
Ou:
11
8
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.1. Capteurs à effets photoélectriques:
Photoélectricité: L’impact d’un photon de fréquence γ sur un métal suffisait à en
extraire un électron si l’énergie du photon h. γ dépassait l’énergie d’extraction W
nécessaire pour dégager l’électron du métal.
Ce phénomène constitue le principe de base mis en œuvre dans la plupart des capteurs
optiques.
Réciproquement: Dans le cas ou un électron libre e percute
(frappe)un électron e’ , si l’énergie apportée (reçue) est
suffisante, l’électron e’ se déplace sur une orbite d’atome de
plus grand diamètre. En retrouvant sa position initiale,
l’électron e’ cède (perd, libère) l’énergie reçue par e sous
forme de photons.
Ce phénomène inverse est le principe mis en œuvre dans les
émetteurs photoélectriques : diodes électroluminescentes.
W
h 

.
11
9
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.1. Capteurs à effets photoélectriques:
Capteurs passifs:
Rappel:
 Un composant est dit passif s’il ne dispose d’aucune source d’énergie interne.
 L’énergie à sa sortie est fournie par l’environnement.
 Les composants passifs de base sont : la résistance , les condensateurs et les
capacités
a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR)
La photorésistance (ou cellule photoconductrice) est un composant électronique
dont la résistivité ρ varie en fonction de la quantité de lumière incidente.
LDR
Serpentin
12
0
LDR
Sous l’influence de la lumière, il y a:
 Libération (extraction) de charges électriques dans le matériau,
 Augmentation corrélative de la conductivité (diminution de la résistivité)
La résistance R de la photorésistance LDR peut être s’exprimée de la façon
suivante:
a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR)
12
1
LDR
a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR)
Les cellules d’une photorésistance sont réalisées à l’aide de matériaux
semi-conducteurs homogènes polycristallins ou monocristallins,
intrinsèques (purs) ou extrinsèques (dopés):
 Matériaux polycristallins: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe,
 Matériaux monocristallins:Ge, Si purs ou dopés par: Au, Cu, Sb, Zn,
SbIn, AsIn
 Technologie de fabrication d’une LDR:
 Caractéristiques Lumière – Résistance d’une LDR:
Obscurité (ombre): RO= qlues 10 MΩ
Lumière naturelle : Rn= qlques 100 kΩ
Lumière intense (forte): qlques 100 Ω
Ordre de grandeurs:
12
2
LDR
a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR)
 avantages et inconvénients d’une LDR:
Avantages:
 Bonne sensibilité,
 Robustesse,
 Simplicité de certains montages d’utilisation,
 Faible coût.
Inconvénients:
 Non linéarité de la réponse (R) en fonction du rayonnement (flux lumineux),
 Temps de réponse en général élevé et bande passante limitée,
 Sensible à la chaleur,
Application (utilisation):
 Détection des changement obscurité – lumière (éclairage publique): (présence -
absence de lumière).
 Détecteur de présence,
 Mesure du rayonnement (quantification)
 Commande de relais optiques
12
3
LDR
a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR)
N.B 1:
Le choix d’une LDR est dicté par:
la longueur d’onde de la lumière qu’elle devra capter,
La valeur de la résistance en fonction de la quantité de lumière reçue.
N.B 2:
L’application des photorésistances est multiple, mais on les trouve le plus
souvent dans les structures qui:
 Ne nécessite pas une grande précision,
L’encombrement n’est pas un critère essentiel.
12
4
b. La photodiode: Détecteur optique actif:
rayon lumineux (mesurande) transformé en signal électrique (réponse)
La photodiode est un composant basé sur la jonction d’un semi-conducteur de type N et
d’un semi-conducteur de type P:
Chaque photon absorbé par le semi-conducteur (Silisium) peut créer une paire électron-
trous,
Sous l’action d’un champ externe des deux semiconducteurs (polarisation en inverse),
l’électron se diffuse vers la zone N et le trou se diffuse vers la zone P,
On a une diffusion des trous et des électrons dans des sens opposés,
Ces porteurs donnent naissance à un photocourant de génération.
Empilement de couches minces
(épaisseurs :1μm)
12
5
b. La photodiode: Détecteur optique actif:
Caractéristiques courant - tension selon l’éclairement :
Montage utilisé:
Le montage permettant de tracer la caractéristique I-V en fonction de l’intensité
de l’éclairement est constitué des éléments suivant:
Source de tension E continue polarisant la diode en inverse,
Résistance de mesure Rm aux bornes de laquelle est recueilli le signal (tension).
12
6
b. La photodiode: Détecteur optique actif:
Caractéristiques courant - tension selon l’éclairement :
La caractéristique (courbe) IRm = f(URm) pour une
photodiode dépend de l’éclairement de la jonction PN.
N.B:
Pour E constante (fixe), le courant varie en fonction de l’éclairement.
12
7
b. La photodiode: Détecteur optique actif:
Avantages :
 Bonne sensibilité,
Faible temps de réponse (bande passante élevée),
 Grande stabilité
 Faible encombrement.
Inconvénients :
 Coût plus élevé qu’une photorésistance,
 Nécessite un circuit de polarisation.
Domaine d’application (utilisation):
 Transmissions de données Télécommande Infra Rouge IR,
 Détection de passage,
 Utilisées pour développer des capteurs plus performants.
Couvercle transparent
12
8
c. Le phototransistor: Détecteur optique actif:
Le faible courant électrique transmis par les photodiode a poussé les
constructeurs de semi-conducteurs à rajouter à ce composant un
transistor donnant ainsi naissance au phototransistor.
 Il s’agit d’un transistor dont la base est sensible aux rayonnements
lumineux, lorsqu’il est éclairé il crée un courant électrique.
 Sa sensibilité est entre 100 et 400 fois plus grande à celle d’une
photodiode.
Même à l’obscurité, il crée un courant non négligeable.
 Sa constante de temps est plus importante (base plus épaisse), et
donc la fréquence de coupure plus basse que celle des photodiodes.
NB:
Certains phototransistors disposent d’une troisième patte permettant
d’affiner la sensibilité du capteur.
Utilisation :
Ce type de transistor trouve ses applications dans les optocoupleurs
Phototransistor
12
9
d. La cellule photovoltaïque: actif: capteur photovoltaïque:
Une cellule PV (pile solaire ou plaque solaire capteur photovoltaïque) se
comporte comme un générateur d’énergie (courant et tension) lorsqu’elle
est éclairée.
Principe:
Elle est sous forme d’un semi-conducteur à simple
jonction de Silicium:
 Une couche contient un excès de charges
négatives par ajout d’un autre élément riche en
électrons (dopée N),
 L’autre couche contient un excès de charges
positives obtenue par ajout d’un élément déficitaire
en électrons (dopée P).
Ces deux couches agissent comme les deux pôles
d’une pile (création d’un champ électrique interne).
Lorsque les rayons atteignent la couche N, ils
fournissent l’énergie nécessaire aux électrons pour
passer dans les fils conducteurs situés à la surface
et circuler dans le circuit extérieur.
13
0
d. La cellule photovoltaïque: actif:
Caractéristiques I-V:
Caractéristiques P-V:
Une cellule PV est capable de générer une tension de 0,5V à 2 V suivant les
matériaux utilisés et un courant directement dépendant de l’éclairement et sa
surface (5 à 6 pouces).
13
1
d. La cellule photovoltaïque: actif:
Types de cellules PV:
13
2
e. Les capteurs CCD (Charge Coupled Device) : capteur d’image
Il s’agit d’un composant électronique qui transforme les signaux lumineux (UV,
Visible ou IR) en signaux électriques analogiques.
Un capteur CCD est un circuit intégré optoélectronique dont la
fonction est de capter une image.
Afin de récupérer une image captée, ce capteur est constitué
d’une:
 Matrice de capteurs optoélectroniques dont chaque point de
mesure est appelé pixel.
 Structure logique permettant le balayage des pixels en ligne et
en colonne.
Ainsi ce capteur procède à une scrutation des pixels les un après
les autres puis les transférer vers un fils de sortie.
NB:
Pour images couleurs, chaque pixel est défini par l’intensité
lumineuse de trois couleurs : rouge, vert et bleu. Ainsi, à chaque
pixel sont associés trois capteurs photoélectriques.
13
3
d. Les capteurs CCD : capteur d’image
Applications:
Appareils photos : transformation de la lumière en un
signal qui sera numérisé pour obtenir une image
numérique.
Caméras de surveillance,
Scanners
Radar….
On trouve actuellement la nouvelle technologie de capteurs
d’image plus développée : capteurs CMOS (Complementary
Metal Oxyde Semiconductor)
13
4
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Capteurs de position:
Pour un bon fonctionnement, de nombreux automatismes exigent la connaissance de la
position exacte de leurs éléments.
Pour mesurer cette position, les capteurs de positions sont indispensables.
Le choix d’un capteur de position repose sur plusieurs éléments :
 Le type du signal de sortie (analogique, numérique, logique),
 Le mode de liaison avec l’objet dont on souhaite mesurer la position (avec ou sans lien
physique)
 Le type de déplacement (rectiligne ou angulaire)
a. Classification selon le signal de sortie:
Détecteur : un dispositif donnant un signal de nature logique (binaire ) : 2 états
Codeur: un élément dont le signal généré est de nature numérique: chaque code
numérique correspond à une position rectiligne ou angulaire bien précise.
Capteur: le signal généré est de type analogique.
13
5
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Capteurs de position:
b. Classification selon le mode de liaison:
L’objet en contact avec le capteur (liaison mécanique) : la mesure est donc une mesure de
position ou de déplacement
L’objet n’a aucun lien mécanique: La mesure est une mesure de proximité. Ce type est
utilisé pour la mesure de la position ou de déplacement d’un objet fragile qui pourrait être
détérioré par une mesure exigent un contact mécanique.
c. Classification selon le type de déplacement: Le type de déplacement dépend de la forme
de la trajectoire parcourue par l’objet dont on cherche à déterminer la position ou le
déplacement, deux types sont distingués:
 Déplacement rectiligne
 Déplacement angulaire
13
6
III. Principes et étude de quelques capteurs industriels
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Capteurs de position:
d. Unités de mesure:
Les unités de mesure usuelles de distance linéaire dépend de l’échelle de la
distance à mesurer et du système d’unité:
Foot 12 inch
Pouce Inch (2,54 cm)
Foot= 12 inch
Pied 12 pouces (30,48 cm)
Verge 3 pieds (91,44 cm)
Mille 5280 pieds (1.62 km)
Mètre 39,37 pouces (3,28 pieds , 1,09 Verge)
 Sous unités: micromètre, millimètre, centimètre, kilomètre
 Degré,
 Radian: 57,2958 degrés
13
7
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Détecteur de position:
Il s’agit d’un élément de mesure donnant un signal de sortie logique. La détection se fait par
contact de l’objet à détecter avec l’élément de mesure
Principe :
 Un objet (ou doigt de l’opérateur) entre en contact avec l’organe de commande (poussoir,
tige, ou levier,…).
 Un mécanisme de commande transmet l’effort subit par l’organe de commande à l’élément
de contact (interrupteur).
 L’élément de contact entraîne l’ouverture ou la fermeture d’interrupteurs.
L’élément de contact est protégé (contre la poussière, l’eau …)par un boîtier (corps).
Elément de contact
13
8
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Détecteur de position:
L’élément de contact permet d’obtenir diverses configurations de branchements, on
distingue deux types de contacts:
Simple rupture : l’ouverture ou la fermeture du circuit s’effectue en un seul point.
Double rupture: la rupture ou la fermeture s’effectue en deux points.
L’élément de contact peut être aussi:
Normalement ouvert (NO): les contacts se ferment lorsque l’interrupteur est actionné
Normalement fermé NF: les contacts s’ouvrent lorsque l’interrupteur est actionné.
13
9
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Détecteur de position:
NB:
La double rupture assure une meilleure sécurité durant les actions des contacts car :
 l’ouverture du circuit est garantie lors de la rupture,
 les problèmes des arcs électriques sont minimisés.
Caractéristiques principales :
 Pouvoir de coupure et type de contact
 Taux moyen de bon fonctionnement
 Encombrement
 Indice de protection IP
 Type de palpeur.
NB:
 Au niveau électrique, un détecteur de position fonctionne aussi bien en courant alternatif (AC) qu’en
courant continu (DC).
 Les circuits qui peuvent être interrompues par ce dispositif sont des circuits résistifs et inductifs.
14
0
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Détecteur de position:
Applications:
Interrupteurs de fin de cours (limit switch),
Interrupteurs et poussoirs des interfaces opérateurs.
NB:
Au niveau électrique, un détecteur de position fonctionne aussi bien en courant alternatif
(AC) qu’en courant continu (DC).
Les circuits qui peuvent être interrompues par ce dispositif sont des circuits résistifs et
inductifs.
NB:
Pouvoir de coupure: Il s’agit d’une caractéristique fort importante pour les actions des contacts:
 Tension de coupure sans risque de claquage : de 1V jsqu’à 380V (DC et /ou AC).
 Courant de coupure : de 1mA à plusieurs A.
La durée de vie utile est d’environ 30 000 000 opérations (en raison de l’usure et la fatigue
mécanique de l’élément de contact)
14
1
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Détecteur de proximité:
Ces capteurs à sortie logique sont utilisés pour la détection d’un objet à distance sans contact
mécanique.Ils sont donc recommandés lorsque:
 La vitesse de l’objet à détecter est rapide : éviter que les interrupteurs de fin de course se
brisent quand l’objet est trop rapide,
 Les pièces à détecter sont fragiles :le contact mécanique peut endommager ces pièces fragiles,
aussi l’interrupteur exige une certaine force pour commuter)
 Les objets à détecter sont de petites dimensions.
La portée de ces capteurs peut varier de 25um à 200m selon l’application et le type de détecteur
de proximité utilisé.
On distingue 3 types selon le principe physique utilisé: inductif, capacitif et photo-électrique.
Ils sont bien adaptés pour les applications suivantes:
 Contrôle de présence/absence, de fin de course,
 Détection de passage, positionnement,
 Comptage de pièces, et barrage de protection.
14
2
2. Quelques exemples de capteurs
2.3. Détecteur de proximité:
Détecteurs de proximité inductif Détecteurs de proximité capacitif
14
3
1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Ces détecteurs utilisent des principes de physiques basés sur les
champs électrique.
Un champ électrique apparaît dés qu’il existe une différence de
potentiel entre deux points.
Considérons deux plaques conductrices de sections S, séparées
d’une distance d. ces deux plaques forment alors un condensateur.
Si ces deux plaques sont portées à deux potentiels différents, un
champ électrique apparaît et traverse le milieu séparant ces deux
plaques. Ce milieu est caractérisé par la constante diélectrique ε
qui caractérise le milieu isolant.
La capacité formée par ces deux plaques parallèles est donnée par:
d
S
C r

0
 m
F /
10
.
85
,
8 12
0



r


 0

εr : Permittivité relative,
ε0 : Permittivité du vide
14
4
1. Détecteurs de proximité capacitifs:
Un oscillateur RLC dont la valeur de la capacité changera d’amplitude et
de fréquence. Ainsi deux cas se présentent:
 Si la cible est isolante; sa présence changera la constante diélectrique ε
donc changera la valeur de C,
 Si la cible est un métal, elle changera la valeur de d (vers (d-e)),
puisque le champ électrique traverse le métal de la cible.
En effet, c’est surtout l’impact sur la géométrie du condensateur qui
fait réagir le détecteur de proximité capacitif, car il y a une plaque
supplémentaire (condensateur différentiel).
Au niveau structure, le détecteur présente:
 Une face sensible qui est source du champ électrique.
 Deux électrodes placés sur cette face sensible, l’une étant reliée à la masse (électrode de
masse), l’autre étant connectée à l’oscillateur RLC.
 Ainsi on distingue deux situations:
 En l’absence d’objets dans le champ électrique, l’oscillateur oscille avec une certaine
amplitude.
 En présence d’un objet (conducteur ou /et isolant) dans le champ électrique, la valeur de la
capacité change et cela change l’amplitude de l’oscillateur RLC.
14
5
1. Détecteurs de proximité capacitifs:
N.B1:
Le capteur doit être blindé afin de ne pas détecter tout objet entre
ce capteur et une plaque mise à la masse à ses cotés latéraux.
N.B2:
La portée de détection dépend en partie de la constante diélectrique du
matériau à détecter:
 Les matériaux dont la constante diélectrique est proche de celle de l’air
sont difficiles à détecter.
 Les matériaux de constantes diélectriques est fort différente de celle de
l’air sont plus faciles à détecter.
14
6
1. Détecteurs de proximité capacitifs:
N.B1:
on distingue 2 types matériaux: solides (verre), et poudreux (sucre en poudre).
NB: les détecteurs de proximité capacitifs sont très sensibles au dépôts résultant des
matériaux poudreux.
Une solution consiste à utiliser un détecteur de proximité capacitif avec un champ de
compensation.
Ce type de détecteur contient un autre électrode qui entoure l’électrode principale.
Cet électrode émet un champ électrique dit de compensation de portée très courte qui n’est donc
affectée que par les contaminations qui se déposent sur la face sensible.
Le champ électrique de détection est lui aussi affecté par les contaminations.
Pour annuler l’effet de ces contaminations, il suffit de mesurer le champ de compensation et d’en
déduire le champ électrique résultant.
s
La résistance d’un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet :
R 
L
où R est la résistance électrique
 la résistivité du matériau
L la longueur du fil
s la section du fil
R  L s
R

 
L

s
R L
 K
R L
où K est appelé le facteur de jauge
Capteur de déformation (Jauges
d’extensométrie)
Si on tire sur ce fil, il va s'allonger (l augmente) et sa
section va se réduire, sa résistance va donc augmenter
(l/s augmente). L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la
plaque isolante de l'ordre du double.
14
7
Le débit est mesuré par déduction ou indirectement
La mesure de la vitesse moyenne à travers une section connue = débit mesuré à travers cette section: :
Qv = S . V
S est la surface de section de la conduite en m²
V est la vitesse moyenne du fluide en m/s
14
8
constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le
fluide
dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière.
•L'un, placé orthogonalement, à une vitesse relative v égale à la vitesse du fluide et une
pression statique ps égale à la pression ambiante.
•L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression
totale pt,
somme de la pression dynamique et de la pression statique.
La différence entre ces pressions donne la vitesse
v = vitesse
p = pression dans la conduite
(ps est la pression statique, pt
est la pression totale)
ρ = masse volumique du fluide
14
9
L'émetteur envoie un train d'ondes qui va
se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite
revenir à la source. Le temps mis (1 temps
+ 2 temps) pour parcourir un aller-retour
permet de déterminer la distance de l'objet
par rapport à la source.
L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie
un train d'ondes et ensuite le capteur passe
en mode réception et attend le retour du
signal.
15
0
15
1
Tachymètres
linéaires
électromagnétiques
Tachymètres
angulaire 15
2
pression atmosphérique
moyenne au niveau de la
mer, à 15 °C, est de 1013
mbar. Elle peut varier, de
± 25 mbar, avec la pluie
ou le beau temps. Elle est
fonction de l’altitude
(hydrostatique).
Pression relative c’est la
différence de pression par
rapport à la pression
atmosphérique .souvent
utilisée, la plupart des
capteurs, soumis à la
pression atmosphérique,
mesurent en relatif. Pour
mesurer en absolu, il leur
faut un vide poussé dans
une chambre dite de
référence
Pression absolue c’est la pression réelle,
dont on tient compte dans les calculs sur
les gaz. Elle est comptée à partir de zéro.
Le vide est une
pression inférieure à la
pression
atmosphérique. Le vide
parfait correspond
théoriquement à une
pression absolue nulle.
Il ne peut être atteint, ni
dépassé
15
3
Valeurs intéressantes à retenir
15
4
Pascal bar mbar mmCE kgf/cm2 atm torr
1 Pa (N/m2)= 1 10-5 10-2 0.102 0.102×10-4 0.987×10-5 0.0075
1 bar (daN/cm2) = 105 1 1000 10 200 1.02 0.987 750
1 mbar = 100 10-3 1 10,2 1,02×10-3 9.87 7500
1 mmCE = 9.81 9.81×10-5 0,0981 1 10-4 0.968×10-4 0.0735
1 kgf/cm2 (10mCE) = 98100 0.981 981 10 000 1 0.968 735
1 atm (760 torr) = 101325 1.013 1013 10330 10,33 1 760
1 torr (mmHg) = 133 0.00133 1,33 13.6 0.00136 0.00132 1
Capteur de pression
Unités de pression
Capteur à jauges de contraintes
Capteur inductif
Capteur pièzorésistif/électrique
Capteur
capacitif
15
5
Manomètres
hydrostatique
s
Manomètres à
déformation de
solide
1. Organe moteur, tube de
Bourdon 2. Support de tube 3.
Capuchon du tube 4. Secteur
denté 5. Biellette 6. Engrenage 7.
Aiguille 8. Cadran
15
6
15
7
Différents types de capteur
d’humidité
capacitif résistive
15
8
BIOCAPTEURS
outil analytique qui transforme une
information chimique en un
signal électrique mesurable
15
9
formé de deux parties : un biorécepteur (élément de reconnaissance) et un
transducteur
Self-contained, integrated device
Has many Nomenclatures:
-receptor = a Biological recognition element
-Transducer = Physico-chemical
Ability to be repeatibly calibrated
-Either continuous operation
-Or rapidly and reproducibly regenerated
Transduction
Méthode d’immobilisation (Type de surface)
composé à analyser (Analyte)
Récepteur biologique
Processeur
BIOCAPTEUR :
Principe
16
0
À ne pas confondre biocapteurs et:
•Capteurs chimiques ou physique utilisés pour le contrôle des processus biologiques
(par ex. pH in vivo ou mesure de la pression artérielle)
•Systèmes analytiques qui utilisent d’autres appareils
commela chromatographie
liquide haute pression (HPLC) ou l’analyse en injection de flux (FIA)
16
1
- Concept - Lyons and Clark (1956)
- Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969)
- Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co.
(1973)
- Enzyme Thermistor – Mosbach (1974)
- Microbial Electrodes – Divis (197)
- Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz
(1975)
- Biostator – Clemens et al. (1976)
- Immnosensor – Liedberg et al. (1982)
- Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987)
- BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990)
- NanoSensor – Vo-Dinh (2000)
16
2
BIOCAPTEURS
history
BIOCAPTEUR
Souhaits du marché
-portable
-microinstrumentation
Biologie
-bioreconnaissance
-protéine modifiée
-recepteur
-DNA
Physique
-optique
-semiconducteur
Instrumentation
-portable
-instrumentation
Electronique
-optoelectronique
-silicium
-analyse données
-contrôle
Chimie
-immobilisation
-membranes
-polymers
-matériaux d’électrode
-biorécepteurs synthétiques
16
3
Récepteur biocatalytique
-enzyme (mono or multi enzyme)
-cellules entières (bacterie, champignon,
levure,cellule eukaryote)
-organites (mitochondrie, membrane cellulaire)
-tissu (plant or animal tissue slice)
Récepteur d’affinité
-reaction anticorps-antigène
-fragment d’ADN
-tissu animal ou végétal
Membranes biomimétiques
16
4
LES RECEPTEURS
BIOLOGIQUES
Enzymes
Catalysent les réactions :
Amplification du signal
Enzymes REDOX (reductases, oxidases,
oxydo-réductases). Electrons produits/consommés.
Transducteur ampéromètrique.
Enzymes hydrolytiques (proteases, lipases, esterases).
Protons produits/consommés.
Transducteurs potentiomètrique ou conductimètrique.
Réactions enzymatiques couplées : avec la peroxidase, la
luciferase donne une réaction colorée ou emet des photons
Transducteurs optiques.
16
5
sont localisés à la surface des cellules ou inclus dans les membranes.
Ils sont souvent utilisés dans les membranes intactes.
Interfaçage biologie cellulaire avec la micro-electronique:
cellule nerveuse
16
6
Récepteur
Protéique
Nerve cell receptor: acetylcholine receptor protein
16
7
•When acetylcholine is
released at the junction of
nerve cells….
•It binds to the receptor
protein in the cell membrane
•nerve cell responds by
changing its membrane
potential: the nerve cell
signals
Anticorps et
antigènes
Très sélectifs et interactionstrès
fortes
Désavantage
: pas d’effet catalytique
,
(souven
t
fluorescent
)
marquage
l’anticorps ou de l’antigène
pour
nécessité de
de
de
s
transducteurs optiques
Transducteur piezoelectric : modification
de la fréquence de vibration du quartz lors
de la réaction antigène -anticorps
16
8
ADN : acide
déoxyribonucléique
Biocapteurs pour le diagnostic basés sur
l’ADN et L’ARN dans le format chip
utilisé pour la détection des modifications
génétiques ou expression des protéines
L’ADN et l’ARN peuvent être synthesisés
au laboratoire.
L’hybridation peut être controlée facilement
à l’aide de la température
L’hybridation peut être analysée
optiquement.
16
9
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  • 1. Université Moulay Ismail Faculté des Sciences et Techniques Errachidia Département de Sciences de l’Ingénieur Cours Module P627 : INSTRUMENTATION Licence : Sciences de l’Ingénieur SI Semestre : S6 Pr. A. BRAHMI Année Universitaire : 2023-2024
  • 2. INTRODUCTION CHAPITRE I: GENERALITES SUR LES CAPTEURS CHAPITRE II: ETUDES DE CAPTEURS INDUSTRIELS CHAPITRE III: CONDITIONNEURS DES CAPTEURS CHAPITRE IV: TECHNIQUES DE REALISATION Plan du cours:
  • 3. Dans plusieurs domaines (industrie, recherche scientifique, automobile, stations services…), il est indispensable de suivre l’évolution en temps réel de quelques grandeurs physiques (mesurandes): température, pression, courant, tension, débit, vitesse, position, force, accélération, décélération…..Pour ce faire, on utilise des dispositifs appelés: capteurs. Un capteur permet de délivrer un signal qui constitue une image interprétable et exploitable d’un phénomène physique étudié par le biais d’un élément sensible (corps d’épreuve) afin de pouvoir l’intégrer dans un système fonctionnant le plus souvent en boucle fermée. Le but est de réaliser une ou plusieurs tâches planifiées à l’avance: commande, contrôle, surveillance, protection, déconnexion, régulation, asservissement…d’un système donné. Exemple: capteur de température dans un microprocesseur: Il permet de stabiliser sa température afin d’assurer son bon fonctionnement: Ainsi, de la mesure de la température du microprocesseur grâce au capteur de température va dépendre la vitesse de rotation du ventilateur. Introduction
  • 4.  Les capteurs sont des dispositifs de la chaîne d'acquisition de données dans un système  Ces composants prélèvent une information sur le comportement d’une partie opérative d’un système et la transforment en une information exploitable par la partie commande.  Une information est une grandeur physique qui décrit un comportement particulier.  Pour pouvoir être traitée, cette information sera représentée par un signal (support d’information).  Les signaux étudiés dans le cadre de ce cours sont généralement de nature: électrique ou de déformation. 4 D’un point de vue technique:
  • 5. Étendue de la mesure = intervalle formé l’amplitude max du signal mesuré– l’amplitude min du signal détecté (mesurable) sans risque de destruction du capteur PORTEE MINIMALE = limite inférieure de l'échelle de mesure PORTEE MAXIMALE = limite supérieure de l'échelle de mesure Portée maximale» ÉTENDUE de MESURE » Portée minimale 5 Pour faire un bon choix des capteurs selon les applications envisagées, il est indispensable de définir un certain nombre de paramètres caractérisant ces capteurs (dites performances) Caractéristiques principales d’un capteur:
  • 6. 6 La détermination de l’étendue de mesure permet : - Assurer la validité de la mesure - Eviter l’endommagement du capteur Zone nominale : caractérisée par un fonctionnement nominal (bon) du capteur (meilleures mesures) et une évolution du mesurande sans modification des caractéristiques du capteur. Zone non détérioration : définie les valeurs limites à atteindre par le mesurande sans modifications des caractéristiques du capteur après avoir revenir dans la zone nominale (altération ou modification de paramètres réversible). Zone non destruction : définie les valeurs limites garantissant la non destruction du capteur (endommagement), mais il peut y avoir des modifications permanentes des caractéristiques du capteur (irréversible , réétalonnage du capteur nécessaire). Caractéristiques principales d’un capteur:
  • 7. Sensibilité = S(m) = rapport de la variation du signal électrique (sortie) sur la variation du signal physique (mesurande ou entrée). S(m)   s   m   m 2) Propriété: La sensibilité d'un capteur linéaire est constante. 7 Exemple: Le capteur de température LM35 à une sensibilité de 10mV/°C Caractéristiques principales d’un capteur: N.B: 1) Dans le cas ou le capteur est décrit par sa caractéristique linéaire, on utilise l’opérateur dérivée d au lieu du différentiel Δ
  • 8. Précision = aptitude d'un capteur à donner une mesure m proche de la valeur vraie (ou réelle ou théorique)de la grandeur mesurée notée M. L'incertitude de mesure δm est telle que : M = m ± Δm L'erreur relative de précision m max  m min  Δ m 8 Soit la représentation suivante de la valeur réelle ou vraie de la grandeur à mesurer et une valeur mesurée par un capteur: (technique de tire sur une cible) Caractéristiques principales d’un capteur:
  • 9. Fidélité, Justesse, Précision: 9 Fidèle : qualité à délivrer des mesure répétitives sans erreurs (reproductibles indépendant du temps). L’erreur de fidélité correspond à l’écart type sur une série de mesures correspondants à un mesurande constant. Juste: aptitude à délivrer une mesures proche de la valeur vraie (réelle ou théorique). elle est liée à la valeur moyenne obtenue sur un ensemble de mesures par rapport à la valeur réelle (vraie). Caractéristiques principales d’un capteur: Soit n mesures mi effectuées avec un capteur sur un mesurande variable mi, on définit à partir de ces mesures: - La valeur moyenne: mmoy = - L’écart type: σ =
  • 10. Fidélité, Justesse, Précision: 10 Erreur de précision = erreur de justesse + erreur de fidélité Capteur est exacte ou précis = Fidèle + Juste Fidèle : mesures peu dispersés (écart type) Juste: mesures proche de la valeur vraie (moyenne) Caractéristiques principales d’un capteur:
  • 11. 11 Le temps de réponse est le temps au bout duquel la sortie du capteur atteint 95% de sa valeur finale quand le mesurande est un échelon. La rapidité = C’est l’aptitude de suivre les variations du mesurande. elle caractérise le temps de réaction (ou de réponse) d'un capteur. (temps de retard à la montée, temps de montée, temps de retard à la chute, temps de chute). Caractéristiques principales d’un capteur:
  • 12. Fonction de transfert = relation fonctionnelle qui relie le mesurande (entrée) et la grandeur électrique (sortie) du capteur. Elle est définie par: - un graphe (courbe d’étalonnage), - ou par une équation caractéristique (linéaire, exponentielle, logarithmique…) 12 Caractéristiques principales d’un capteur:
  • 13. Bande passante = plage de fréquence du mesurande où les caractéristiques du capteur spécifiées par le constructeur sont respectées. Elle caractérise la variation de la sensibilité du capteur en régime dynamique (en fonction de la fréquence). Il s’agit de la gamme de fréquence du mesurande que peut traiter le capteur. Si la fréquence du mesurande est comprise entre fb (basse) et fh(haute), l'amplitude du signal de sortie sera conforme aux spécifications du constructeur. 13 Caractéristiques principales d’un capteur: Dans cette bande, le sensibilité ne varie pas au delà de -3dB. La rapidité est liée à la bande passante. Détermination de la bande passante: On applique une variation périodique du mesurande et on mesure la sortie associée et on trace la sensibilité du capteur en fonction de la fréquence.
  • 14. Non-linéarité : écart ou déviation maximale de la réponse du capteur(caractéristique réelle), par rapport à la fonction de transfert linéaire (caract linéaire) dans l'étendue de mesure. Erreur relative de linéarité ym a x ym a x  y0  14 Caractéristiques principales d’un capteur: Caractéristique réelle : obtenue par une série de mesure effectuées sur le capteur sur l’étendue de mesure : le tracé graphique. Caractéristique linéaire : obtenue en approchant au mieux la caractéristique réelle du capteur (moindres carrés de Gauss, Maximum de Vraisemblance, Inférence Bayésienne… ). NB: Un capteur est linéaire ssi sa sensibilité est constante sur l’étendue de mesure
  • 15. Hystérésis : déviation max de la valeur de sortie pour un même mesurande par rapport à un cycle croissant ou vis versa = L'hystérésis est la différence maximale entre ces deux valeurs de sortie sur l’étendue de mesure. 15 Caractéristiques principales d’un capteur: Certains capteurs possèdent un effet Hystérésis. En effet, pour des valeurs croissantes du mesurande la caractéristique réelle obtenue n’est pas la même que celle obtenue avec des valeurs décroissantes du mesurande sur l’étendue de mesure: c’est l’effet Hystérésis. Suite à l’effet Hystérésis, le résultat de la mesure dépend de la précédente mesure.
  • 16. Résolution : La valeur de l’incrément du mesurande Δm en dessous duquel aucune variation Δ y de la réponse ne peut être détectée . Autrement dit c’est la plus petite variation du mesurande que peut détecter un capteur. 16 Caractéristiques principales d’un capteur: N.B: Quand-t-on fait varier le mesurande à partir de 0, la résolution s’appelle cette fois ci le seuil du capteur.
  • 17. Erreur d’offset (ou de zéro): C’est la valeur délivrée par le capteur lorsque aucun mesurande n’est lui appliqué à son entrée. 17 Caractéristiques principales d’un capteur: Erreur de gain (ou d’échelle): C’est l’erreur max due à la déviation de la sortie du capteur par rapport à la réponse correspondante obtenue avec un capteur de référence (normalisé) sur l’étendue de mesure . Elle est souvent exprimée en dB (décibel). Il existe dans ce cas un coefficient entre la réponse du capteur et la sortie de référence.
  • 18. Finesse: C’est la qualité d’un capteur à ne pas venir modifier par sa présence le mesurande. Autrement dit c’est l’influence du capteur sur la grandeur physique à mesurer. 18 Caractéristiques principales d’un capteur: Exemple: mesure du champ magnétique: La présence d’un capteur à forte perméabilité (très sensible) aura tendance à perturber le champ qu’on souhaite mesurer. Solution: On recourt à une correction post-mesure: on estime l’effet de l’insertion du capteur sur le mesurande pour le prendre en compte afin d’obtenir la bonne mesure.
  • 19. Autonomie: Elle caractérise la durée maximale de fonctionnement du capeur sans entretien et avoir une certaine capacité d’auto-entretien. 19 Caractéristiques principales d’un capteur: Un capteur doit être : Rapide: délivre sa réponse en temps réel, Fidèle: chaque essai doit être reproductible, Facile à calibrer : à corriger, Robuste : résiste aux grandeurs d’influence ( température, pH, force ionique…), Simple à utiliser: n’exige qu’un minimum de technicité. N.B:. La rapidité (ou temps de réponse) et la bande passante sont deux propriétés dynamiques, les autres (Fidélité, justesse, Précision, stabilité) sont des propriétés statiques.
  • 21. Fonction et structure d’un capteur: 21 Un capteur (corps d’épreuve + transducteur) : c’est un dispositif transforme une grandeur physique (température, débit, niveau, vitesse …) en une grandeur électrique (tension, courant). Conditionneur: il assure les fonctions de linéarisation de filtrage et d’amplification du signal de sortie du capteur. Il est conçu souvent à base des amplificateurs opérationnels. Corps d’épreuve: c’est un dispositif lorsqu’il est soumis à la grandeur physique, il produit une autre grandeur directement mesurable par le capteur (grandeur intermédiaire). Un transducteur : dispositif qui transforme un mesurande (ou mesurande intermédiaire) en un signal électrique. Il traduit les réactions du corps d’éprouve en un signal électrique. N.B: Pour des raisons économiques et de facilité d’exploitation, on peut utiliser un capteur sans corps d’épreuve mais un capteur sensible à l’un des effets de la grandeur physique à mesurer.
  • 22. Fonction et structure d’un capteur: 22 Un transmetteur : il exprime la grandeur électrique dans l’unité concernée (°C, Bar, m3, m/s, …) et envoie cette valeur sur un afficheur ou un serveur. Autrement dit il convertie le signal de sortie du capteur en un signal de sortie standard. Il peut être incorporé ou non au capteur. Il possède deux réglages: - décalage de zéro quand la grandeur mesurée est au minium, - réglage du gain quand la grandeur mesurée est au maximum. Il permet aussi la transmission du signal de sortie du capteur à distance.
  • 23. Fonction et structure d’un capteur: Les différents types de signaux de sorties : Les sorties analogiques : courant: 0 – 20 mA (souvent 4mA – 20mA), tension : 0 – 10 V (on utilise la sortie courant pour la transmission à distance). N.B: 4mA au lieu de 0mA pour ne pas la confondre avec la mesure lors de la coupure de l’alimentation, Les sorties Tout Ou Rien : elles délivrent un niveau logique 0 ou 1 (0V ou 5V) Les sorties numériques : elles délivrent une information sur un certain nombre de bits dans un code donné(BCD, Code Gray,…) 23
  • 24. Formes des allures des réponses des capteurs: 24 La plupart des capteurs délivre en leurs sorties des signaux électriques selon trois types : Analogique , Numérique (forme en escalier) et Logique TOR (deux niveaux ou 2 états).
  • 25. Erreur de mobilité: C’est la déviation maximale de la sortie du capteur par rapport à la réponse correspondante obtenue avec un capteur de référence (normalisé) souvent linéaire sur l’étendue de mesure dans le cas ou la réponse du capteur est en marche d’escalier. Elle due à une numérisation du signal (pas continue = discontinue). Ce type de capteur contient un convertisseur analogique numérique. 25 Caractéristiques principales d’un capteur: Stabilité: Elle qualifie la capacité d’un capteur à conserver ses performances pendant une longue durée (durée de vie). Exemple: problème du dérive de zéro.
  • 26. Types de signaux de sortie: 26
  • 27. Types de signaux de sortie: 27 Signal analogique: représenté par une grandeur physique dont l’amplitude peut produire une infinité de valeur dans un intervalle donné. Il est divisé en 3 types: - Signal continu: varie lentement dans le temps : température , débit , niveau. On s’intéresse à son niveau ou à son amplitude. - Signal temporel : varie en fonction du temps, c’est sa forme qui est important: pression cardiaque, chromatographie. - Signal fréquentiel: obtenu par transformée de Fourier (signal périodique) pour décrire le comportement dynamique; le spectre fréquentiel transforme l’information désirée: analyse vocale, sonar, spectrographie. Signal numérique: l’amplitude de la grandeur physique qui le représente ne peut prendre qu’un nombre fini de valeurs en général sous forme de puissance de 2. Il est divisé en 3 types: - Signal TOR: il informe sur l’état bivalent d’un système: vanne ouverte ou fermée. - Train d’Impulsion (périodiques): chaque impulsion est l’image d’un changement d’état, on s’intéresse à la fréquence des impulsions obtenues . Un codeur incrémental donne un nombre fini et connu d’impulsions par tour (mesure de position). - Echantillonnage: c’est l’image numérique d’un signal analogique, c’est le niveau qui compte pour ce type de signaux. Par exemple: température, niveau , débit.
  • 28. 28 Représentation d’un capteur dans son environnement Mesurande (grandeurs d’intérêt): Elles sont classées en 6 familles, à chaque famille correspond un certain nombre de capteurs: - Électriques: tension, courant, impédances (R,C, L, M=inductance mutuelle) - Mécaniques: Force, vitesse , déplacement, position, accélération, masse, débit… - Magnétiques: Perméabilité, champ magnétique, moment magnétique….. - Thermiques: Température, capacité thermique, flux thermique…. - Radiatives: Lumière visible, (7 couleurs), rayons: X, Gama, UV, IR, micro-ondes….. - Biochimiques: Humidité, gaz, concentration, Ph, Hormone….
  • 29. 29 Grandeurs d’influence (de perturbation): grandeurs physiques ou chimiques auxquelles la réponse du capteur est sensible (qui influe sur la mesure). On cite: température, pression, accélération, humidité, champs( électrique, magnétique, électromagnétique…), tension d’alimentation, Parasites (bruits)… Afin de réduire et rendre négligeable l’effet de ces grandeurs d’influence, il faut: - Protéger le capteur, - Compenser leurs effets. Représentation d’un capteur dans son environnement Grandeurs de sorties (mesure ou sortie du capteur): EN générale la réponse d’un capteur est de nature électrique, souvent on trouve les types suivants: -Tension, - Courant, - Charge électrique, - Diélectrique, - Impédances (R. C. L. M)
  • 30. 30 L’erreur de mesure est l’écart entre la valeur mesurée et la vraie valeur (attendue ou exacte). On distingue deux types d’erreurs : erreurs systématiques et erreurs accidentelles (aléatoires). Les erreurs systématiques: Ce type est du à une mauvaise connaissance ou à une mauvaise utilisation du capteur. On peut citer les erreurs de : gain, offset, linéarité. On détecte ce type d’erreurs par 2 techniques : - Comparaison des valeurs moyennes obtenues durant plusieurs essais effectués par deux capteurs différents (capteur étudié et capteur de référence ou normalisé très précis) pour un même mesurande. - En utilisant des échantillons étalons connus avec une grande précision. Causes des erreurs systématiques: -Étalonnage incorrect ou non effectué au delà de la durée de vie ou après une altération du capteur. - Emploi incorrect (non attente du régime permanent, erreur sur l’un des éléments du conditionneur, modification du mesurande par le capteur ou mauvaise finesse…..). - Exploitation inadéquate des données mesurées(erreur de linéarisation, saturation d’un élément (souvent un Ampli Op) de la chaîne de mesure). Erreurs de mesure d’un capteur:
  • 31. 31 Les erreurs accidentelles: les erreurs systématiques affectent en permanence le mesurage, par contre celles accidentelles d’amplitude aléatoire qualifié par le terme bruit, il est impossible de prévoir quand elles vont prévenir. Causes des erreurs accidentales: -Fluctuation des sources d’alimentation de la chaîne de mesure ou du conditionneur (variations des fem dans un pont) . -présence des champs électromagnétiques dans l’environnement du capteur. Lorsque ces champs sont captés par un élément de l’ensemble: capteur, conditionneur, chaîne de mesure. - Fluctuation thermique ou dérive thermique : agitation thermique des porteurs de courants…. On cite à titre d’exemple de ce types d’erreurs: Erreur de ou défauts de mobilité, erreur d’Hystérésis, erreur de lecture…. Erreurs de mesure d’un capteur:
  • 32. 32 Erreurs de mesure d’un capteur: N.B: Ce type d’erreurs est impossible à éliminer ou à annuler, mais on doit les réduire par les techniques suivantes: - Utilisation des dispositifs de protection (régulation des fem, stabilisation de la température, isolation mécanique, blindage électromagnétique…). - Utilisation des opérations de traitement de signal de filtrage, et de détection synchrone… Il est en tout cas indispensable de les évaluer. Les erreurs accidentelles: Propriétés: Un capteur est dit fidèle si l’écart type qu’il fournit est faible. Les erreurs accidentelles sont alors faibles. Un capteur est juste s’il est dépourvu d’erreurs systématiques, dans ce cas la valeur la plus probable ( ou la valeur moyenne) et la valeur vraie sont alors égales. Un capteur est précis (ou exacte) s’il est à la fois fidèle et juste. Il ne présente donc ni les erreurs accidentelles ni celles systématiques. La dispersion est faible et la valeur la plus probable (ou la valeur moyenne)est égale à la valeur vraie.
  • 33. 33 Etalonnage d’un capteur: Étalonnage: Technique permettant d’expliciter la relation entre les valeurs du mesurande (entrée) et celles (les valeurs)de la grandeurs électrique (sortie) du capteur, en tenant compte de tous les paramètres additionnels peuvant modifier la réponse du capteur. Cette relation peut être sous forme: - Graphique (courbe d’étalonnage) obtenue avec des mesures expérimentales (patique) - Algébrique (équation caractéristique) régie par les lois fondamentaux de la physique (théorie).
  • 34. 34 Etalonnage d’un capteur: types d’étalonnages: Etalonnage simple: Ce type consiste à associer aux valeurs du mesurande les valeurs correspondantes de la réponse du capteur (sortie électrique). Il s’applique à des mesurandes connus en valeur avec précision (appelées étalons). Ces valeurs sont constantes (statiques) et à un capteur non sensible ou non soumis à des grandeurs d’influence. Exemples: - Mesure de distance fixe par un capteur potentiométrique: l’indication ou la mesure ne dépend pas de la température, ou d’autres grandeurs d’influence. - Mesure d’une force constante (pesage) par des jauges compensées en température.
  • 35. 35 Etalonnage d’un capteur: Etalonnage direct (absolu): dans cette procédure, les différentes valeurs du mesurande sont fournies par des éléments de référence dont les valeurs sont connues avec une grande précision (100 fois) à celle recherchée par le capteur (càd la précision du capteur). On a ainsi plusieurs valeur du mesurande Ei et plusieurs valeurs de réponse Si du capteur.
  • 36. 36 Etalonnage d’un capteur: Etalonnage direct (absolu): Utilité de l’étalonnage direct: A partir d’une valeur de la réponse S mesurée en sortie du capteur en tenant compte de l’erreur de mesure comise , la relation obtenue (ou le graphique)nous permet de déterminer la valeur du mesurande E appliqué à l’entrée du capteur
  • 37. 37 Etalonnage d’un capteur: Etalonnage indirect (par comparaison): on utilise deux capteurs soumis aux mêmes valeurs du mesurande: - un capteur étalon (de référence ou calibrateur) dont on possède la courbe d’étalonnage et sa stabilité est assurée aussi. - un capteur qu’on désire étalonner. On fait varier la grandeur à mesurer. On a ainsi plusieurs valeurs de E(sorties de capteur étalon) et plusieurs valeurs de S (sorties du capteurs à étalonner). On peut en déduire la relation entre E et S (E=Setalon, S=Scapteur)) NB: Le capteur de référence (capteur étalon) nous permet de connaître les valeurs du mesurandes utilisées dans l’opération de ce type d’étalonnage indirect.
  • 38. 38 Etalonnage d’un capteur: A partir de la valeur de S en sortie du capteur, la relation trouvée (ou le graphique) permet de donner la valeur de E en entrée du capteur (mesurande associé). N.B: Pour les valeurs de S, il faut tenir compte des incertitudes. Etalonnage indirect (par comparaison):
  • 39. 39 Etalonnage d’un capteur: Etalonnage multiple: il est utilisé lorsque le mesurande seul ne permet pas de définir la réponse du capteur. Il s’applique au capteur sensible (ou soumis) aux grandeurs d’influence. Ainsi, on effectue une série d’étalonnage successifs pour déterminer l’influence de chacune des grandeurs d’influence sur la réponse du capteur. Exemple 1: Capteurs à hystérésis magnétique (ou mécanique). Il est souvent constitué de composants successible de l’hystérésis (magnet ou mécani), la valeur de la sortie dépend non seulement de la valeur actuelle du mesurande mais aussi de la suite des valeurs antérieures. Pour déterminer la réponse du capteur, on procède comme suit: -On fait la mise à zéro du mesurande, la sortie est à zéro aussi. On relève les valeurs de la réponse du capteur pour des valeurs croissantes jusqu’au maximum suivies de valeurs décroissantes du mesurande jusqu’à zéro.
  • 40. 40 Etalonnage d’un capteur: Exemple 2: Phototransistor C’est un capteur optique dont la grandeur de sortie Ic(courant collecteur) dépend de : - Flux du rayonnement incident et de sa longueur d’onde aussi, - La tension Vce et la résistance de mesure du capteur Rm -De la température. Ainsi, il faut tenir compte de ces 3 paramètres durant l’opération d’étalonnage.
  • 41. Un capteur doit: - fonctionner en permanence - rester fiable pendant une longue durée sans nécessiter une maintenance importante, - peut subir un environnement peu favorable (forte humidité , brusque variations de température , corrosion,haute pressions etc). Les critères déterminants pour choisir un capteur sont: - Nature de la grandeur à mesurer, - grandeurs d’influence, - Rapidité - précision - sensibilité - linéarité - Finesse - Coût 41
  • 42. 42 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs II. Phénomènes physiques utilisés dans les capteurs III. Exemples de capteurs industriels
  • 43. 43 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 1. Capteurs passifs: Il s’agit en principe d’impédances (R, L, C) dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. Dans l’expression littérale d’une impédance, sont présents des termes liés: - A sa géométrie (ou dimensions), - Aux propriétés électriques des matériaux dont-elles sont fabriquées (résistivité ρ, perméabilité magnétique μ, constante diélectrique ε (permittivité). - Plus rarement sur les deux simultanément. ) , , ( S l f R   ) , , ( S e f C   ) , , , ( l S n f L  
  • 44. 44 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 1. Capteurs passifs: a. Effets résistifs: Le mesurande est évalué grâce à la mesure de la résistance.
  • 45. 45 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 1. Capteurs passifs: b. Autres effets : Le mesurande à un effet direct sur les propriétés électriques du matériau utilisé. Le mesurande est évalué grâce à la détermination des constantes de chacune de ces propriétés électriques.
  • 46. 46 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 1. Capteurs passifs: C. Principe : La variation d’impédances résulte en générale soit d’une :  Variation de dimension du capteur (potentiomètre, inductance à noyau mobile, condensateur à armature mobile)  Déformation (contrainte) résultante de force, pression, accélération….. Exemples: armatures soumis à une différence de pression, Jauge d’extensomètre liée à un corps déformable 1) Les capteurs passifs ont besoin d’une source d’alimentation (excitation) pour qu’ils délivrent un signal électrique. 2) Certains capteurs passifs ont besoin d’un circuit complexe (alimentation et conditionneur de capteur compliqués) pour fournir un signal électrique de mesure. N.B:
  • 47. 47 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 2. Capteurs actifs : Ce type de capteur fonctionne en générateur, son principe est basé sur un effet physique qui assure la conversion de la forme d’énergie propre au mesurande (énergie thermique, mécanique, de rayonnement, électrique…) en énergie électrique.  Ces capteurs actifs ont besoin d’un circuit d’adaptation ( conditionneur du signal) pour fournir un signal électrique de mesure exploitable. Effets importants :
  • 48. 48 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 3. Capteur composite : Ce type de capteur est constitué par les deux éléments suivants:  Corps d’épreuve  Capteur actif ou passif . Capteur composite  Corps d’épreuve: dispositif lorsqu’il est soumis à la grandeur physique (par fois difficile à mesurer), il produit une autre grandeur intermédiaire (secondaire) mesurable par le capteur. C’est un élément sensible au mesurande.  Pour des raisons économiques et de facilité d’exploitation, un capteur peut être réalisé sans corps d’épreuve mais le capteur doit être sensible à l’un des effets de la grandeur physique à mesurer.
  • 49. 49 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 3. Capteur composite : Capteur de pression Ce type de capteur contient une membrane (corps d’éprouve) sensible à la pression Cette membrane assure la transformation de la pression en déformation (déplacement ou force). o Mesurande primaire : Pression o Mesurande secondaire : Déformation (Déplacement, ou force). Capteur de Force: Force appliquée sur un ressort (corps d’épreuve) qui la transforme en élongation , le capteur transforme cette dernière en signal électrique. La partie capteur (actif ou passif) traduit le mesurande secondaire en un signal électrique.
  • 50. Exemples : membrane d’un microphone, Thermopile, masse sismique d’un accéléromètre 3. Capteur composite : Microphone: membrane + jauge d’extensomètre (ou de contrainte) Pression acoustique fait bouger la membrane (mouvement) et par suite signal électrique Mesurande primaire : pression acoustique Mesurande secondaire: mouvement ou déplacement Accéléromètre : masse sismique + piézoéletrique Accélération sur une masse sismique produit une force d’inertie. L’action de cette force sur un piézoélectrique génère un signal électrique Mesurande primaire : Accélération Mesurande secondaire: force d’inertie (effort de compression)
  • 51. 51 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 3. Capteur intégré (composite): Ce type est réalisé par des techniques de la microélectronique qui regroupe sur un même substrat de silicium : le corps d’épreuve, le capteur et le conditionneur. Avantage de l’intégration (ou miniaturisation): Réduction des coûts par la fabrication en grande série, augmentation de la fiabilité par élimination de plusieurs connexions soudées, meilleure protection vis-à-vis des parasites, dimensions réduites….etc.
  • 52. 52 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 3. Capteur intégré (ou composite): Le conditionneur contient un ensemble de circuits de: compensation thermique, linéarisation, amplification, transmission par conversion tension-fréquence, ou conversion tension-courant. Types de capteurs intégrés à base de silicium: • Résistance thermométrique, • Photodiode, phototransistor • Jauges extensométriques Avantage du silicium: Réalisation de capteurs isolés (résistif, capacitif ou au moyen de diodes et de transistors) Réalisation des corps d’épreuves de propriétés mécaniques excellentes : élasticité, limite de fatigue très élevée…etc.
  • 53. 53 CHAPITRE II: ETUDE DES DIFFERENTS TYPES DE CAPTEURS I. Types de capteurs industriels 4. Capteur intelligent (smart sensor):
  • 54. 54 4. Capteur intelligent: Un tel capteur est constitué des 2 éléments suivants: - Chaîne de mesure (un ou plusieurs capteurs classiques principaux et capteurs secondaires) pilotée par microprocesseur, - Interface de communication bidirectionnelle entre le capteur intelligent et un calculateur central.
  • 55. La chaîne de mesure comporte essentiellement: 1- Le capteur principal spécifique du mesurande étudié, et identifiable par un code stocké en une mémoire PROM, 2- les capteurs secondaires propres aux grandeurs d’influence susceptibles d’affecter la réponse du capteur principal, 3- Dispositifs classiques permettant d’obtenir sous forme numérique les grandeurs de sortie de chaque capteur: conditionneur, multiplexeur, amplificateur, échantillonneur bloqueur, convertisseur analogique numérique. 4 - Un microprocesseur assurant les tâches suivantes: - Gestion de l’acquisition (ordre de priorité), - Correction de l’effet des grandeurs d’influence (au moyen des paramètres stockés en PROM et des données fournies par les capteurs secondaires) - Linéarisation, - Diagnostic des capteurs (principal et secondaires). 4. Capteur intelligent:
  • 56. 56 4. Capteur intelligent: 5- Interfaces de communication bidirectionnelle: - Du calculateur central vers capteurs: configuration , auto étalonnage….etc. - Du capteur vers calculateur central : résultats de mesure, état de la chaîne (étendue de mesure, dépassements de gamme du mesurande ou d’une grandeur d’influence….) Elle assure la liaison du capteur à un calculateur central via un bus interne partagé entre plusieurs capteurs intelligents. Elle fait transiter les données et les messages porteurs du code des capteurs concernés dans deux sens: Avantages: Configurabilité à distance, fiabilité accrue des mesures et aide à la maintenance garce aux informations d’états fournies, répartition des tâches et libération du calculateur central (mécanisme d’interruption). Exemples: Robots, Caméra intelligente, radar de nouvel génération,
  • 57. 57 1. Photo-électricité: la lumière est vue comme une onde électromagnétique se propageant à la vitesse : c=299792458 m/s dans le vide (et à c/n dans les milieux d’indice de réfraction n). Cette onde est caractérisée par sa fréquence f ou sa longueur d’onde λ : II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs actifs a. Propriétés de la lumière: Elle est à la fois une onde et un flux de photons. f v   L’aspect ondulatoire: Il est mis en évidence par les lois tels que: interférence, diffraction, réflexion et réfraction. La sortie d’un capteur actif est équivalent à un générateur de type courant, tension ou charge. Ce type de capteurs met en jeux un ensemble de phénomènes physique décrites par un ensemble de principes physiques fondamentaux.
  • 58. 58 1. Photo-électricité: II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs a. Propriétés de la lumière: Ainsi, la lumière est vue comme un ensemble de photons, de masse nulle et d’énergie E:  c h f h E . .   ) . 10 . 6256 , 6 ( tan : 34 s J Blank de te Cons h  L’aspect corpusculaire (flux de photons) apparaît les lois de l’interaction entre le rayonnement (photons) et la matière. Les particules atomiques absorbent et émettent de l’énergie sous forme de portions dits quantums d’énergie : . Dans le cas d’un rayonnement lumineux, ces quantums sont appelés photons .  . h
  • 59. 59 b. Effet photo-électrique: II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs liaison photon E F  Sous l’influence d’un rayonnement lumineux, certains matériaux libèrent des charges électriques (électrons et/ou trous) dont la quantité dépend de l’intensité du rayonnement absorbé et du type de matériau. Dans la matière, les électrons liés aux atomes exigent pour devenir libre une énergie supérieure à leurs énergie de liaison.
  • 60. 60 c. Effets associés : II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs On distingue plusieurs effets associés à l’effet photo-électrique:  Photoémission (1905 Albert Einstein): les électrons libérés sont émis hors d’un matériau (métal) éclairé et forment un courant collecté par application d’un champ électrique.  Photovoltaïque (1839 Edmond Becquerel): les électrons et les trous sont libérés au voisinage d’une jonction PN d’un semi-conducteur éclairé . Leurs déplacement dans le champ électrique de la jonction modifie la tension aux bornes de ce semi-conducteur.  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 (perpendiculaire) au champ et au rayonnement.
  • 61. 61 c. Exemple de Capteurs à effet photo-électricité : II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs L’effet photoélectricité entraîne une modification des propriétés électroniques des matériaux, ce qui le rend un principe fondamental d’un ensemble de capteurs optiques ou détecteurs photoniques à savoir:  Photorésistance  Photodiode  phototransistor  Diode PIN  CCD ou Charge couple Device (photographie numérique: imagerie)
  • 62. 62 c. Thermoélectricité : II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs Effet Seebeck: Un circuit constitué de deux métaux A et B de nature chimique différente dont les jonctions J1 et J2 (soudures ou extrémités) sont soumises des températures T1 et T2 différentes est le siége d’une tension (force électromotrice) liée la différence (T1-T2). Lorsque deux métaux différents sont réunis entre eux à chaque extrémité (J1 et J2) et sont portés à des températures T1 et T2 différentes , un courant i circule.
  • 63. 63 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs Effet Peltier (effet inverse de Seebeck): le passage d’un courant électrique dans une jonction de deux matériaux de nature différente provoque une augmentation ou une diminution de température de cette jonction: principe des réfrigérateurs. c. Thermoélectricité :  Ainsi, à partir de la mesure de la tension obtenue, on peut déterminer la température T2 lorsque T1 est connue (valeur de référence,0°C par exemple)  L’effet Seebeck constitue le principe du thermocouple qui est couramment utilisé dans les capteurs de température.
  • 64. 64 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs Effet Peltier (effet inverse de Seebeck): le passage d’un courant électrique dans une jonction de deux matériaux de nature différente provoque une augmentation ou une diminution de température de cette jonction: principe des réfrigérateurs. c. Thermoélectricité :  Ainsi, à partir de la mesure de la tension obtenue, on peut déterminer la température T2 lorsque T1 est connue (valeur de référence,0°C par exemple)  L’effet Seebeck constitue le principe du thermocouple qui est couramment utilisé dans les capteurs de température. Effet Thomson : le gradient de température entre deux points A et B d’un conducteur est le siége d’une fem entre ces deux points,
  • 65. 65 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs Certains cristaux présentent une polarisation électrique spontanée qui dépend de leur température: Ils portent en surface des quantité de charges électriques proportionnelle à cette température et de signe contraire sur les deux faces opposés. c. Pyroélectricité : Polarisation: Apparition de deux poles (pole chargé + et un autre pole chargé -) au sein d’une structure au cours d’un phénomène. Exemple: Dans un semi conducteur, les charges électriques liées sont susceptibles de se déplacer sur de petites distances ou de vibrer sous l'influence d'un champ électrique créant une certaine polarisation.
  • 66. 66 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. Pyroélectricité : (cristaux pyroélectriques, ex: sufate de triglycine) Ce phénomène peut etre utilisé dans:  la production d'électricité,  la détection de radiations: dans certains capteurs (ou détecteurs) infrarouge. Ainsi, en absorbant un flux de rayonnement variable Ø, le cristal va s’échauffer et ainsi sa polarisation va se modifier entraînant une variation de tension V détectable. NB: Si le rayonnement est constant, la tension V disparaît peu à peu (phénomène temporaire) . Ce capteur fonctionne bien si le rayonnement varie continuellement.
  • 67. 67 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. Piézoélectricité (quartz) Propriété des matériaux piézoélectriques:  Au repos, les barycentres des charges + et des charges – sont confondus.  Par application d‘une contrainte (force par exemple), les charges se séparent, leurs barycentres ne sont plus confondus, le cristal est alors polarisé: d’où l’apparition d’une tension à ses bornes. Effet piézoélectrique: un matériaux piézoélectrique (cristal) produit deux types de charges électriques différentes (+ et -) lorsqu’il est soumis à une contrainte mécanique (force, pression, déformation). Ces deux types de charges sont de quantités égales et de signes contraires sur les faces opposées d’où l’apparition d’une tension électriques à ses bornes.
  • 68.
  • 69. 69 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. Effet Hall : Lorsqu’un semi-conducteur (parallélépipède rectangle) traversé par un courant i est soumis à un champ magnétique B alors une différence de potentiel EH apparaît entre les deux faces perpendiculaires au plan (i, B). La tension est d’ailleurs proportionnelle au produit vectoriel de i et de B et appelée tension Hall EH: ) sin( ) sin(         B i K B i K E H H H   KH= constante du matériau θ : angle entre i et B Les charges dans le semi conducteur sont soumises à la force de Lorenz ce qui permet de donner naissance à la tension Hall.
  • 70. 70 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. Effet Hall : ) sin( ) sin(         B i K B i K E H H H   N.B: Pour avoir une tension mesurable, il faut que les lignes de champ B doivent être perpendiculaires au plan ou le courant i traverse le semi- conducteur (polarité correcte doit être assurée). Un aimant lié à l’objet dont on veut connaître la position détermine les valeurs de B et de θ au niveau du semiconducteur (plaquette): La tension Hall qui par ce biais est fonction de la position de l’onjet en assure donc une traduction électrique. Ce type de capteur est actif (information liée à une tension), mais ce n’est pas un convertisseur d’énergie car c’est le courant i et non pas le mesurande (position) qui délivre l’énergie liée au signal de sortie (tension de Hall).
  • 71. 71 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. Effet Hall : La tension Hall obtenue est d’amplitude assez faible (μV) même avec un fort champ magnétique B. Solution: on ajoute un amplificateur de courant continu et d’un régulateur de tension pour amplifier la tension Hall et améliorer la sensibilité du capteur à effet Hall. Applications: Détecteurs de proximité, mesure de vitesse de rotation, position des objets… Ce type de capteur peut mesurer des champs magnétiques variables et des champs magnétostatiques (statiques). Cet effet peut être utilisé pour :  Mesurer ou détecter le champ magnétique d’un aimant permanent ou d’un courant,  Mesurer la position, l’intensité et la direction d’un objet lié à l’élément source du champ.
  • 72. 72 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs La tension Hall obtenue est d’amplitude assez faible (μV) même avec un fort champ magnétique B. Solution: on ajoute un amplificateur de courant continu et d’un régulateur de tension pour amplifier la tension Hall et améliorer la sensibilité du capteur à effet Hall. Applications: Détecteurs de proximité, mesure de vitesse de rotation, position… Ce type de capteur peut mesurer des champs magnétiques variables et des champs magnétostatiques (statiques). c. Effet Hall :
  • 73. 73 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. Effet d’induction électromagnétique (ou induction ou conversion électromécanique): Lorsqu’on fait tourner un cadre métallique à une vitesse angulaire w dans un champ magnétique fixe B, une force électromotrice E est générée. N.B : En pratique la fem E est sinusoïdale, sa fréquence f proportionnelle à la vitesse w. Cet effet est utilisé dans la mesure de la vitesse angulaire. Induction de Lorenz Induction de Neumann
  • 74. 74 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. Effet Doppler: Si un objet en mouvement émet une onde avec une certaine fréquence et qu’il se rapproche du récepteur alors le récepteur reçoit l’onde avec une fréquence plus élevée. Réciproquement, si l’émetteur s’éloigne du récepteur alors le récepteur recevra l’onde avec une fréquence moins élevée. Exemple : déplacement d’une voiture Lorsque la voiture se rapproche de nous on entend une note aigue, et lorsqu’elle s’éloigne on entend une note grave.
  • 75. 75 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs c. 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. N.B: Cet effet s’applique à toutes les ondes. Exemple: Lorsqu’une galaxie s’éloigne on la voit légèrement plus rouge et lorsqu’elle se rapproche on la voit légèrement bleue. c. Effet Doppler: Application : Radar, sérine de camions….????
  • 76. 76 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 1. Variation de résistance (effet résistif): Les capteurs passifs utilisent les variations d’impédance (R,L,C, M). Ces impédances se trouvant au niveau des transducteurs. La réaction de ces transducteurs aux variations des mesurandes appliqués aux corps d’épreuves produit ces variations d’impédances. Dans la suite, on va s’intéresser aux variations de ces impédances en fonction des variations des divers mesurandes. Conductivité: propriété indiquant le degré de facilité de déplacement des électrons au sein d’un matériau. Résistivité: c’est l’inverse (contraire) de la conductivité a. Géométrie: La résistance d’un conducteur ou semi-conducteur dépend de sa géométrie. Si cette géométrie est modifiée, ceci entraînera des variations au niveau des deux dimensions: l, et S; ce qui fera varier la valeur de la résistance R. ) , , ( S l f R   L: longueur du fil, S: section du fil
  • 77. 77 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 1. Variation de résistance (effet résistif): N.B: La résistance du potentiomètre est supposée uniforme pour que la résistance soit linéaire en fonction de la position du curseur. L l R l R T  ) ( Potentiomètre linéaire RT (ou RL): résistance totale du potentiomètre (vue entre les bornes 0 et 1), R(l): résistance entre les bornes 2 et 3, càd au niveau du curseur C mobile. T M R R     ) ( Potentiomètre circulaire:
  • 78. 78 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs Exemple: Jauges de contraintes : résistances utilisées pour mesurer la déformation de poutre soumises des forces. 1. Variation de résistance (effet résistif): αM supérieur à 360 degrés Potentiomètre Hélicoïdal: Jauge
  • 79. 79 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 1. Variation de résistance: Applications : Cet effet est couramment utilisé pour la mesure de:  Positions et déplacements indispensables pour un fonctionnement correct d’un grand nombre de machines, ….  Certaines grandeurs physiques (forces, pressions, températures,…) par le déplacement qu’elles imposent à des corps d’épreuves spéciaux.
  • 80. 80 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs b. Effet du flux lumineux : La résistivité de certains semi-conducteurs dépend du flux lumineux reçu. Ce flux fait passer des électrons de la bande de valence à la bande de conduction : Donc le nombre d’électrons de la bande de conduction ( et de trous dans la bande de valence ) a varié, du coup la résistance du semi- conducteur est modifiée. La résistivité de certains matériaux (chlore de Lithium) dépend du niveau d’humidité: On peut donc déduire le niveau d’humidité (hygrométrie) en mesurant la variation de la résistance. b. Effet de l’humidité : 1. Variation de résistance :
  • 81. 81 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 1. Variation de résistance: b. Effet de la température sur les métaux : Dans les métaux, le parcours (chemin) d’un électron dans la bande de conduction peut être entravé (bloqué) par l’oscillation des atomes: -Plus la température est basse, moins les atomes oscillent et moins il est probable que l’électron soit bloqué. - A des températures extrêmement basses se produit le phénomène de la supraconductivité. - Plus la température est élevée et plus les atomes oscillent ce qui augmente la probabilité d’un électron de voir son chemin (parcours) bloqué; il aura plus de difficulté à circuler.
  • 82. 82 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 1. Variation de résistance: La relation entre la résistivité ρ et la température T est : .....) 1 ( 2 2 1 0       T T     ρ0 : la résistance à une température de référence ΔT: la différence de température actuelle et celle de référence αi : les coefficients de température. Chez les semi-conducteurs, la résistance évolue en fonction logarithmique avec la température et elle dépend du dopage du semi-conducteur utilisé. le changement de température modifie le nombre d’électrons et de trous libres, changeant ainsi la résistivité du semi-conducteur. b. Effet de la température sur les métaux : b. Effet de la température sur les semi-conducteurs : Polynôme
  • 83. 83 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 1. Variation de résistance:           0 1 1 0 ) ( T T B e R T R T : Température absolue. B: coefficient spécifique du matériau (semi-conducteur). R0 : Résistance à température de référence T0. Exemple: Une thermistance est un capteur résistif à base de matériau semi-conducteur (silicium); sa résistance varie fortement avec la température T. La résistivité est donc dépendante de la température. On peut donc utiliser cette propriété pour mesurer la température. b. Effet de la température sur les semi-conducteurs :
  • 84. 84 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 2. Variation de capacité (capacitance) ou effet capacitif: La capacité C est définie comme le rapport entre la quantité de charge Q stockées sur deux plaques métalliques et le champ électrique (tension dans ce cas) entre ces deux plaques provoqué par ces charges électriques: N.B: Cette capacitance C dépend de la géométrie des plaques et du milieu séparant ces deux plaques et qui est traversé par le champ électrique. Un condensateur est un composant électronique spécialement conçu pour tenir l’énergie électrique. Il est constitué de deux conducteurs (armatures ou plaques) placés face à face. Quand ces deux conducteurs sont séparés par un matériau isolant, leurs charges produisent un champ électrique dans cet isolant (s’ils sont déjà chargés). La capacité d’un condensateur désigne son aptitude à stocker et à libérer de l’énergie électrique.
  • 85. 85 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 2. Variation de capacité: Dans le cas de deux plaques rectangulaires parallèles de surface S distancées de d la capacitance C s’écrit: εr: la constante diélectrique du matériau soumis au champ électrique entre les deux plaques: La constante diélectrique (ou permittivité) du vide ε0 est : S d C r     0 ) / ( 854 . 8 0 m F   ) / ( 000264 . 1 m F r   Condensateur Plan:
  • 86. 86 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs La capacitance dans le cas d’un condensateur de forme cylindrique est : D et d : diamètres respectifs des électrodes externe et interne, l: longueur du cylindre.           d D l C r ln 2 0     La constante diélectrique relative d’un matériau placé entre les deux électrodes du condensateur peut être changée par des variations de:  Température,  Humidité (hygrométrie) de l’air entre armatures,  Niveau de liquide formant l’isolant. 2. Variation de capacité: Condensateur Cylindrique:
  • 87. 87 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs           d D l C r ln 2 0    La capacitance peut aussi varier avec le changement de la géométrie. Ce principe peut être utilisé dans un capteur de :  pression de fluide (membrane), cette membrane étant l’une des deux plaques du condensateur plan: La déformation de la membrane modifie la capacitance du condensateur plan.  Pression (microphone)  Déformation de solide (Jauge d’extensométriques) S d C r     0 2. Variation de capacité:
  • 88. 88 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs Effet capacitif mécanique: La capacitance peut aussi varier avec le déplacement de l’une des armatures; ainsi on distingue deux types de condensateurs: Condensateurs plans: Le déplacement de l’armature peut s’effectuer soit:  Dans son propre plan (S variable et d constant (condensateur à surface variable),  Perpendiculairement à son propre plan (S constante et d variable) (dit condensateur à éclatement variable) Condensateur à surface S variable Condensateur à éclatement variable
  • 89. 89 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs Effet capacitif mécanique: Condensateurs cylindriques: l: L’enfoncement du cylindre intérieur dans le cylindre extérieur, r1 et r2: rayons des deux cylindres. Le déplacement de l’armature se fait uniquement parallèlement à l’axe (l variable)            1 2 0 ln 2 r r l C r    Condensateurs double différentiel: L’armature A1 mobile (interne) se déplace perpendiculaire à son plan entre les deux armatures fixes A2 et A3 (externes). N.B: L’intérêt majeur de ce type de condensateur permet d’assurer une bonne linéarité entre les variations de la capacité C et le déplacement d
  • 90. 90 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs Effet capacitif mécanique: Autres types :  L’armature A1 mobile (en pointillé ou trait = interne) se déplace entre les deux armatures fixes externes A2 et A3. Applications: Microphone capacitif (variation de d)  Capteurs précis de mesure de grands déplacements (S variable): micromètre capacitif.  Capteurs de très faible déplacement: nanomètre capacitif  Capteurs de proximité capacitif haute température
  • 91. 91 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance (Effet inductif): L’inductance L est une mesure du rapport entre le flux Ø du champ magnétique B généré par un fil parcouru par un courant d’intensité I : NB: pour mesurer l’inductance L, Il faut que le courant I soit variable dans le temps. En vertu de la loi de Faraday, on écrit la relation entre la tension e(t) et le courant i(t) dans l’inductance L: dt t di L t e ) ( ) (   L’inductance d’une bobine de N spires enroulées auteur d’un noyau magnétique est: l S N L r     2 0   μ0 : Perméabilité magnétique du vide μr : Perméabilité magnétique relative du noyau magnétique S et l : Surface (section)du noyau magnétique et longueur
  • 92. 92 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance: L’inductance L d’une bobine à l’aire libre est : l S N L    2 0  L’inductance L peut être variée par les variations de la perméabilité magnétique relative qui est en fonction des contraintes mécaniques présentes dans un métal ferromagnétique soumise à une force. Réluctance: Difficulté du champ magnétique à parcourir un circuit magnétique. Elle se calcule par: L N2   Pour un circuit magnétique fait d’un seul matériau, la réluctance est : S l r     0
  • 93. 93 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance: N.B: Certains circuit magnétiques comportent des entrefers (zones ou le circuit ferromagnétique est interrompu). Un entrefer de faible épaisseur e possède une réluctance: N.B: L’inductance peut être modifiée en variant la réluctance du circuit magnétique ou en changeant le nombre de tours de la bobine. S e e 0    La réluctance totale est la somme de toutes les réluctances des différentes zones formant le circuit considéré. Calculer la réluctance et l’inductance des deux circuits suivants:
  • 94. 94 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance: Le déplacement de l’un des éléments d’un circuit magnétique entraîne une variation du flux Dans le cas ou il s’agit d’un noyau ferromagnétique son déplacement peut provoquer soit : Une variation du coefficient d’auto-induction (cas d’une bobine, induction (inductance) varaiable), Une modification du couplage entre les enroulements primaires et secondaires (cas d’un transformateur, variation du coefficient d’induction mutuelle) Bobine à noyau plongeur: Associationde 2 bobines: l0 et lf: Le coefficient d’auto-induction L du bobinage dépend de l’enfoncement du noyau: f f L L k M M L L L      0 0 2 M et k : respectivement le coefficient de l’induction mutuelle et le coefficient de couplage supposé constant. Le déplacement du noyau provoque une variation de l’inductance L qui est une fonction non linéaire de lf
  • 95. 95 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance: Bobine à noyau plongeur:   2 0 0 2 0 0 0 0 ) 1 ( ) ( 2                     l N S S l L l N l l S L M L L L f f f f f f    Les non linéarités introduites par la bobine à noyau plongeur peuvent être réduites en utilisant deux bobines identiques avec un noyau plongeur commun. Déplacement du noyau Déplacement du noyau
  • 96. 96 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance: Circuit magnétique à entrefer: Le coefficient d’auto-induction est donné par: 0 2 0 l S N L   Le déplacement de l’armature entraîne une variation de L donnée par: x l l x x l S N L           2 1 2 2 0 0 0 2 0  Les variations de L sont non linéaires en fonction de l’entrefer. Ces non linéarités peuvent être améliorées en associant deux circuits magnétiques variation d’entrefer opposées. Déplacement du noyau Déplacement de l’armature
  • 97. 97 II. Phénomènes physique utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance: Transformateur différentiel : Le transfo différentiel est constitué d’  un enroulement primaire  2 enroulements secondaires placés symétriquement par rapport au primaire alimenté par une tension sinusoïdale. Déplacement rectiligne Transfo diff à déplacement rectiligne: Déplacement angulaire Transfo diff à déplacement rectiligne:
  • 98. 98 II. Phénomènes physiques utilisés dans les capteurs passifs 3. Variation de l’inductance: Applications: Mesure de courant : pince ampèremétrique: Mesure d’accélération : accéléromètre inductif ( par mesure de déplacement):
  • 99. 99 III. Étude de quelques capteurs industriels: 1. Classification des capteurs Les capteurs peuvent être classés en fonction de :  Leurs principes de fonctionnement : capteur passif ou capteur actif)  Signal de sortie (réponse) qu’ils délivrent : capteurs analogique, capteur logique (TOR), capteur numérique (digital).  Mesurande qu’il transforme : capteur de température, de pression, d’humidité, de gaz…  Principe de transformation du mesurande : capteur résistif, capacitif, inductif, à effet Hall,…..  Leurs rôles dans un système donné. Par exemple: un processus industriel : capteur de contrôle de produits finis (dimensions, poids….) , de sécurité,…
  • 100. 10 0 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.1. Capteurs de température La température est une grandeurs de type intensive, à la vitesse des particules. Elle possédant 4 échelles différentes: Kelvin, Celsius, Fahrenheit, et Rankin. Kelvin: défini à partir du point triple de l’eau, qui vaut 273,16K (soit 0,01°C). C’est la fraction 1/273,16 de la température du point triple de l’eau. 0 K est le zéro absolu qui correspond à l’absence de toute agitation thermique du milieu (vitesse nulle des particules) . Celsius : 15 , 273    K C T T , Le zéro absolu vaut donc -273,15°C Fahrenheit: Cette échelle attribue une plage de 180°F entre la température de solidification de l’eau (32°F) et sa température d’ébullition(212°F). Ainsi: ) 32 ( 9 5 32 5 9         F C C F T T ou T T
  • 101. 10 1 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.1. Capteurs de température a- Généralités: Les capteurs de températures sont utilisés dans de nombreuses industries: Chimie, médecine, Alimentation (nourriture), Analyse et optimisation de fonctionnement, gestion de bains de peinture, traitement des métaux….. Les capteurs de températures sont classés en deux catégories principales :  Capteur à contact: échange de chaleur entre le milieu et le capteur jusqu’à avoir l’équilibre thermique.  Capteurs sans contact (Pyromètres optiques ) : basé sur la relation entre la température d’un corps et son rayonnement optique (Infra-Rouge ou Visible) qu’il émet sous l’effet de sa température.
  • 102. 10 2 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.1. Capteurs de température On distingue trois grandes familles de capteurs de température à savoir: • Les thermo-résistances, • les capteurs de température à semi-conducteurs, •Les thermocouples. 2.1.1. Les thermo-résistances: Principe: La résistance d’un matériau varie en fonction de sa température. Ainsi , on mesurer la température par une mesure de résistance  Les lois de variation de résistances sont différentes suivant qu’il s’agit d’un métal ou d’un agglomérat d’oxyde métallique. Ainsi on distingue deux types de thermo- résistances: • les résistances métalliques (métal) ou thermomètre à résistance, • les thermistances (oxyde métallique). La sensibilité thermique de ce type de capteur est définie par : dT dR R 1  
  • 103. 10 3 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermorésistances: )) ( 1 ( ) ( 0 0 T T T       a. Thermomètres à résistance métalliques: Principe: La résistivité d’un métal ou d’un alliage de métaux dépend de la température selon la loi suivante: ρ0: résistivité à la température absolue T0 T0: Température absolue α: coefficient dépendant du type de métal. Dans une étendue de mesure dépendant de chaque métal, la relation résistance-température s’écrit:   3 2 1 ) 0 ( ) ( CT BT AT R T R     R(0) : Résistance à 0°C, A, B et C : coefficients positifs spécifiques au métal considéré. N.B : Trois points de calibrage permettent de connaître A, B et C. Parfois B et C sont faibles (nulles).
  • 104. 10 4 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermorésistances: b. Thermorésistances à base de métaux:  Critères de choix d’un métal: N.B: Le platine reste le plus utilisé.
  • 105. 10 5 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermorésistances: b. Thermorésistance métalliques: sensibilité
  • 106. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermorésistances : b. Exemple de Thermomètre à résistance métalliques: La sonde Pt100 : Sonde de platine de résistance: 100 Ω à 0°C et 138,5 Ω à 100°C Avantages: Très précise (utilisée en étalonnage), Simple à mettre en œuvre, Peut être approximée par une loi linéaire, Inconvénient: Sensible à l’auto échauffement et la variation des résistances de connexions (soudures).
  • 107. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermomètres à thermistance : Une thermistance est un agglomérat d’oxyde métallique frittés (compacts par haute pression exercée à température élevée; 150 Bars et 1000°C). Une thermistance peut être fabriquée à base d’un ensemble d’éléments chimiques à savoir: Oxyde ferrique (Fe2O3), Aluminate de magnésium (MgAlO4), titane de zinc (Zn2TiO4). La variation de résistance d’une thermistance dépend des matériaux utilisés. La résistance électrique d’une thermistance est très sensible à l’effet de la température. Il existe deux types de thermistance: Les CTN à coefficient de température négatif, Les CTP à coefficient de température positif. La loi de variation est donnée par : T b e a T R   ) ( a et b : paramètres spécifique de la thermistance
  • 108. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermomètres à thermistance : •La variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance. •La thermistance n’est pas linéaire. Par comparaison avec un thermomètre résistant (sonde Pt100): N.B: Leur domaine d’utilisation va de -80°C à +700°C avec une précision de 0,1 à 0,5 °C. N.B : Pour les CTN, le paramètre a = R(0°) : résistance à 0°C Pt100 CTN CTN
  • 109. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermomètres à thermistance : Avantages:  Temps de réponse court, moins cher,  Meilleure sensibilité,  Faible encombrement petits cylindres (diamètre de 1 à 12 mm, Longueur de 5 à 50 mm),  Ne présente pas le phénomène de polarisation  Peuvent traversées par un courant continu DC ou alternatif AC indifféremment. Disavantages:  La loi de variation de la résistance en fonction de la température n’est pas linéaire.  Diversités des caractéristiques dans les séries selon le matériau de fabrication,  Sensible à l’auto échauffement et la variation des résistance de connexion (soudures).
  • 110. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermomètres à thermistance : Applications du type CTP:  Détecteur de température : protection des moteurs, transformateur contre des élévations excessive de la température. Protection contre des surintensités de courants électriques  Détecteur de niveau de liquide par mesure de résistance de la thermistance quand-t-elle est placée dans l’eau qui est différente par rapport à la mesure dans l’air, Applications du type CTN: Mesure et contrôle de température  Limitation d’impulsions transitoires de températures, Mesure de flux de liquide  …….. CTP CTN Qlques Ohms à qlque 100 de kohms
  • 111. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermocouples : Principe: Effet Seebeck: L’association de deux fils métalliques de nature différente connectés à leurs deux extrémités. Un courant électrique circule dans la boucle ainsi formée s’il y a une différence de température entre les extrémités appelées Jonctions ou soudures. On distingue :  La jonction chaude portée à la température Tc,  La jonction froide portée à la température Tf. La tension Es obtenue est directement liée à la différence de température et à un coefficient α dépendant de la nature des deux matériaux constituant le thermocouple, appelé coefficient de Seebeck: ) ( f c T T Es  
  • 112. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les thermocouples : Les pouvoirs thermodynamiques des métaux et alliages (V=f(T)) sont définis dans des tables par rapport à un métal de référence Pt et par rapport à 0°C. Généralement la température de référence est la température ambiante. N.B: la relation V=f(T) de n’importe couple de métaux peut être déterminée. Avantages:  Capteurs très répondus pour la mesure de température  Peu onéreux,  Précis,  Fonctionnant sur une large gamme de température.  Rapide (de l’ordre de qlques ms).
  • 113. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur : Ce type de capteur est largement utilisé actuellement pour une gamme de température usuelle. Il s’agit d’un boîtier constitué des éléments suivants : Elément sensible (diode Zener ) Bloc d’amplification de tension) On dispose en sortie d’une tension qui peut atteindre 10mV/°C avec une précision inférieure à 1%. Principe: On détecte la variation de température par mesure de la variation du courant traversant la diode Zener en inverse. Caractéristiques: Sensibilité, précision, intégration: bonnes Excellente linéarité, Étendue de mesure de température réduite (-100°C à +150°C), Prix modéré. a. Capteurs à base de diode Zener:
  • 114. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur : b. Capteurs à base de diode ou de transistor: Principe : La tension aux bornes d’un semi-conducteur ( diode ou transistor) et le courant qui le traverse dépendent de la température.                KT qV CT I avec KT qV I I m  exp exp 0 0 VØ : Hauteur de la bande interdite (1,2V pour le Silicium) C : Constante dépendant de la géométrie de la jonction, m: Coefficient voisin de 3, K : Constante de Boltzman (1,3806488(13) 10-23 J/K Avec: B=
  • 115. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur : b. Capteurs à base de diode ou de transistor:   C mV b I K q k b      / 2 ln ln 2 A courant constant I, la mesure de V est linéaire en fonction de la température : a : dépend de l’élément sensible (diode ou transistor) K constante de température b T a V    Avantages:  Simplicité  Peu coûteux  Non linéarité faible Défaut:  Étendue de mesure limitée.
  • 116. 2.1. Capteurs de température 2.1.1. Les capteurs à semi-conducteur : b. Capteurs de température sans contact : Pyromètre optique La pyromètre optique est une méthode de mesure de la température. Son principe est basé sur la relation entre la température d’un corps et le rayonnement optique (Infrarouge ou visible) que ce corps émet. Ce type de capteurs permet de déterminer la température sans contact avec l’objet. Applications: • Mesure de température élevée (>2000°C) • Mesure à de grande distance • Environnement très agressif • Localisation des points chauds • Pièce en mouvement
  • 117. 11 7 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.1. Capteurs à effet photoélectriques:  Photon : Un grain (quantum) d’énergie de valeur :    h E photon du radiation de fréquence La Planck de te cons s j h : tan / 10 . 62 , 6 34    Avec:  Longueur d’onde : Elle caractérise un phénomène vibratoire (série de vibrations), donnée par la relation:   / c  vibration de fréquence La s m vide le dans lumière la de vitesse La c : ) / 10 . 3 ( : 8  N.B: Chaque couleur de la lumière est caractérisée par une longueur d’onde particulière. Ou:
  • 118. 11 8 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.1. Capteurs à effets photoélectriques: Photoélectricité: L’impact d’un photon de fréquence γ sur un métal suffisait à en extraire un électron si l’énergie du photon h. γ dépassait l’énergie d’extraction W nécessaire pour dégager l’électron du métal. Ce phénomène constitue le principe de base mis en œuvre dans la plupart des capteurs optiques. Réciproquement: Dans le cas ou un électron libre e percute (frappe)un électron e’ , si l’énergie apportée (reçue) est suffisante, l’électron e’ se déplace sur une orbite d’atome de plus grand diamètre. En retrouvant sa position initiale, l’électron e’ cède (perd, libère) l’énergie reçue par e sous forme de photons. Ce phénomène inverse est le principe mis en œuvre dans les émetteurs photoélectriques : diodes électroluminescentes. W h   .
  • 119. 11 9 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.1. Capteurs à effets photoélectriques: Capteurs passifs: Rappel:  Un composant est dit passif s’il ne dispose d’aucune source d’énergie interne.  L’énergie à sa sortie est fournie par l’environnement.  Les composants passifs de base sont : la résistance , les condensateurs et les capacités a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR) La photorésistance (ou cellule photoconductrice) est un composant électronique dont la résistivité ρ varie en fonction de la quantité de lumière incidente. LDR Serpentin
  • 120. 12 0 LDR Sous l’influence de la lumière, il y a:  Libération (extraction) de charges électriques dans le matériau,  Augmentation corrélative de la conductivité (diminution de la résistivité) La résistance R de la photorésistance LDR peut être s’exprimée de la façon suivante: a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR)
  • 121. 12 1 LDR a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR) Les cellules d’une photorésistance sont réalisées à l’aide de matériaux semi-conducteurs homogènes polycristallins ou monocristallins, intrinsèques (purs) ou extrinsèques (dopés):  Matériaux polycristallins: CdS, CdSe, CdTe, PbS, PbSe, PbTe,  Matériaux monocristallins:Ge, Si purs ou dopés par: Au, Cu, Sb, Zn, SbIn, AsIn  Technologie de fabrication d’une LDR:  Caractéristiques Lumière – Résistance d’une LDR: Obscurité (ombre): RO= qlues 10 MΩ Lumière naturelle : Rn= qlques 100 kΩ Lumière intense (forte): qlques 100 Ω Ordre de grandeurs:
  • 122. 12 2 LDR a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR)  avantages et inconvénients d’une LDR: Avantages:  Bonne sensibilité,  Robustesse,  Simplicité de certains montages d’utilisation,  Faible coût. Inconvénients:  Non linéarité de la réponse (R) en fonction du rayonnement (flux lumineux),  Temps de réponse en général élevé et bande passante limitée,  Sensible à la chaleur, Application (utilisation):  Détection des changement obscurité – lumière (éclairage publique): (présence - absence de lumière).  Détecteur de présence,  Mesure du rayonnement (quantification)  Commande de relais optiques
  • 123. 12 3 LDR a. La photorésistance: capteur optique passif (LDR) N.B 1: Le choix d’une LDR est dicté par: la longueur d’onde de la lumière qu’elle devra capter, La valeur de la résistance en fonction de la quantité de lumière reçue. N.B 2: L’application des photorésistances est multiple, mais on les trouve le plus souvent dans les structures qui:  Ne nécessite pas une grande précision, L’encombrement n’est pas un critère essentiel.
  • 124. 12 4 b. La photodiode: Détecteur optique actif: rayon lumineux (mesurande) transformé en signal électrique (réponse) La photodiode est un composant basé sur la jonction d’un semi-conducteur de type N et d’un semi-conducteur de type P: Chaque photon absorbé par le semi-conducteur (Silisium) peut créer une paire électron- trous, Sous l’action d’un champ externe des deux semiconducteurs (polarisation en inverse), l’électron se diffuse vers la zone N et le trou se diffuse vers la zone P, On a une diffusion des trous et des électrons dans des sens opposés, Ces porteurs donnent naissance à un photocourant de génération. Empilement de couches minces (épaisseurs :1μm)
  • 125. 12 5 b. La photodiode: Détecteur optique actif: Caractéristiques courant - tension selon l’éclairement : Montage utilisé: Le montage permettant de tracer la caractéristique I-V en fonction de l’intensité de l’éclairement est constitué des éléments suivant: Source de tension E continue polarisant la diode en inverse, Résistance de mesure Rm aux bornes de laquelle est recueilli le signal (tension).
  • 126. 12 6 b. La photodiode: Détecteur optique actif: Caractéristiques courant - tension selon l’éclairement : La caractéristique (courbe) IRm = f(URm) pour une photodiode dépend de l’éclairement de la jonction PN. N.B: Pour E constante (fixe), le courant varie en fonction de l’éclairement.
  • 127. 12 7 b. La photodiode: Détecteur optique actif: Avantages :  Bonne sensibilité, Faible temps de réponse (bande passante élevée),  Grande stabilité  Faible encombrement. Inconvénients :  Coût plus élevé qu’une photorésistance,  Nécessite un circuit de polarisation. Domaine d’application (utilisation):  Transmissions de données Télécommande Infra Rouge IR,  Détection de passage,  Utilisées pour développer des capteurs plus performants. Couvercle transparent
  • 128. 12 8 c. Le phototransistor: Détecteur optique actif: Le faible courant électrique transmis par les photodiode a poussé les constructeurs de semi-conducteurs à rajouter à ce composant un transistor donnant ainsi naissance au phototransistor.  Il s’agit d’un transistor dont la base est sensible aux rayonnements lumineux, lorsqu’il est éclairé il crée un courant électrique.  Sa sensibilité est entre 100 et 400 fois plus grande à celle d’une photodiode. Même à l’obscurité, il crée un courant non négligeable.  Sa constante de temps est plus importante (base plus épaisse), et donc la fréquence de coupure plus basse que celle des photodiodes. NB: Certains phototransistors disposent d’une troisième patte permettant d’affiner la sensibilité du capteur. Utilisation : Ce type de transistor trouve ses applications dans les optocoupleurs Phototransistor
  • 129. 12 9 d. La cellule photovoltaïque: actif: capteur photovoltaïque: Une cellule PV (pile solaire ou plaque solaire capteur photovoltaïque) se comporte comme un générateur d’énergie (courant et tension) lorsqu’elle est éclairée. Principe: Elle est sous forme d’un semi-conducteur à simple jonction de Silicium:  Une couche contient un excès de charges négatives par ajout d’un autre élément riche en électrons (dopée N),  L’autre couche contient un excès de charges positives obtenue par ajout d’un élément déficitaire en électrons (dopée P). Ces deux couches agissent comme les deux pôles d’une pile (création d’un champ électrique interne). Lorsque les rayons atteignent la couche N, ils fournissent l’énergie nécessaire aux électrons pour passer dans les fils conducteurs situés à la surface et circuler dans le circuit extérieur.
  • 130. 13 0 d. La cellule photovoltaïque: actif: Caractéristiques I-V: Caractéristiques P-V: Une cellule PV est capable de générer une tension de 0,5V à 2 V suivant les matériaux utilisés et un courant directement dépendant de l’éclairement et sa surface (5 à 6 pouces).
  • 131. 13 1 d. La cellule photovoltaïque: actif: Types de cellules PV:
  • 132. 13 2 e. Les capteurs CCD (Charge Coupled Device) : capteur d’image Il s’agit d’un composant électronique qui transforme les signaux lumineux (UV, Visible ou IR) en signaux électriques analogiques. Un capteur CCD est un circuit intégré optoélectronique dont la fonction est de capter une image. Afin de récupérer une image captée, ce capteur est constitué d’une:  Matrice de capteurs optoélectroniques dont chaque point de mesure est appelé pixel.  Structure logique permettant le balayage des pixels en ligne et en colonne. Ainsi ce capteur procède à une scrutation des pixels les un après les autres puis les transférer vers un fils de sortie. NB: Pour images couleurs, chaque pixel est défini par l’intensité lumineuse de trois couleurs : rouge, vert et bleu. Ainsi, à chaque pixel sont associés trois capteurs photoélectriques.
  • 133. 13 3 d. Les capteurs CCD : capteur d’image Applications: Appareils photos : transformation de la lumière en un signal qui sera numérisé pour obtenir une image numérique. Caméras de surveillance, Scanners Radar…. On trouve actuellement la nouvelle technologie de capteurs d’image plus développée : capteurs CMOS (Complementary Metal Oxyde Semiconductor)
  • 134. 13 4 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Capteurs de position: Pour un bon fonctionnement, de nombreux automatismes exigent la connaissance de la position exacte de leurs éléments. Pour mesurer cette position, les capteurs de positions sont indispensables. Le choix d’un capteur de position repose sur plusieurs éléments :  Le type du signal de sortie (analogique, numérique, logique),  Le mode de liaison avec l’objet dont on souhaite mesurer la position (avec ou sans lien physique)  Le type de déplacement (rectiligne ou angulaire) a. Classification selon le signal de sortie: Détecteur : un dispositif donnant un signal de nature logique (binaire ) : 2 états Codeur: un élément dont le signal généré est de nature numérique: chaque code numérique correspond à une position rectiligne ou angulaire bien précise. Capteur: le signal généré est de type analogique.
  • 135. 13 5 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Capteurs de position: b. Classification selon le mode de liaison: L’objet en contact avec le capteur (liaison mécanique) : la mesure est donc une mesure de position ou de déplacement L’objet n’a aucun lien mécanique: La mesure est une mesure de proximité. Ce type est utilisé pour la mesure de la position ou de déplacement d’un objet fragile qui pourrait être détérioré par une mesure exigent un contact mécanique. c. Classification selon le type de déplacement: Le type de déplacement dépend de la forme de la trajectoire parcourue par l’objet dont on cherche à déterminer la position ou le déplacement, deux types sont distingués:  Déplacement rectiligne  Déplacement angulaire
  • 136. 13 6 III. Principes et étude de quelques capteurs industriels 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Capteurs de position: d. Unités de mesure: Les unités de mesure usuelles de distance linéaire dépend de l’échelle de la distance à mesurer et du système d’unité: Foot 12 inch Pouce Inch (2,54 cm) Foot= 12 inch Pied 12 pouces (30,48 cm) Verge 3 pieds (91,44 cm) Mille 5280 pieds (1.62 km) Mètre 39,37 pouces (3,28 pieds , 1,09 Verge)  Sous unités: micromètre, millimètre, centimètre, kilomètre  Degré,  Radian: 57,2958 degrés
  • 137. 13 7 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Détecteur de position: Il s’agit d’un élément de mesure donnant un signal de sortie logique. La détection se fait par contact de l’objet à détecter avec l’élément de mesure Principe :  Un objet (ou doigt de l’opérateur) entre en contact avec l’organe de commande (poussoir, tige, ou levier,…).  Un mécanisme de commande transmet l’effort subit par l’organe de commande à l’élément de contact (interrupteur).  L’élément de contact entraîne l’ouverture ou la fermeture d’interrupteurs. L’élément de contact est protégé (contre la poussière, l’eau …)par un boîtier (corps). Elément de contact
  • 138. 13 8 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Détecteur de position: L’élément de contact permet d’obtenir diverses configurations de branchements, on distingue deux types de contacts: Simple rupture : l’ouverture ou la fermeture du circuit s’effectue en un seul point. Double rupture: la rupture ou la fermeture s’effectue en deux points. L’élément de contact peut être aussi: Normalement ouvert (NO): les contacts se ferment lorsque l’interrupteur est actionné Normalement fermé NF: les contacts s’ouvrent lorsque l’interrupteur est actionné.
  • 139. 13 9 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Détecteur de position: NB: La double rupture assure une meilleure sécurité durant les actions des contacts car :  l’ouverture du circuit est garantie lors de la rupture,  les problèmes des arcs électriques sont minimisés. Caractéristiques principales :  Pouvoir de coupure et type de contact  Taux moyen de bon fonctionnement  Encombrement  Indice de protection IP  Type de palpeur. NB:  Au niveau électrique, un détecteur de position fonctionne aussi bien en courant alternatif (AC) qu’en courant continu (DC).  Les circuits qui peuvent être interrompues par ce dispositif sont des circuits résistifs et inductifs.
  • 140. 14 0 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Détecteur de position: Applications: Interrupteurs de fin de cours (limit switch), Interrupteurs et poussoirs des interfaces opérateurs. NB: Au niveau électrique, un détecteur de position fonctionne aussi bien en courant alternatif (AC) qu’en courant continu (DC). Les circuits qui peuvent être interrompues par ce dispositif sont des circuits résistifs et inductifs. NB: Pouvoir de coupure: Il s’agit d’une caractéristique fort importante pour les actions des contacts:  Tension de coupure sans risque de claquage : de 1V jsqu’à 380V (DC et /ou AC).  Courant de coupure : de 1mA à plusieurs A. La durée de vie utile est d’environ 30 000 000 opérations (en raison de l’usure et la fatigue mécanique de l’élément de contact)
  • 141. 14 1 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Détecteur de proximité: Ces capteurs à sortie logique sont utilisés pour la détection d’un objet à distance sans contact mécanique.Ils sont donc recommandés lorsque:  La vitesse de l’objet à détecter est rapide : éviter que les interrupteurs de fin de course se brisent quand l’objet est trop rapide,  Les pièces à détecter sont fragiles :le contact mécanique peut endommager ces pièces fragiles, aussi l’interrupteur exige une certaine force pour commuter)  Les objets à détecter sont de petites dimensions. La portée de ces capteurs peut varier de 25um à 200m selon l’application et le type de détecteur de proximité utilisé. On distingue 3 types selon le principe physique utilisé: inductif, capacitif et photo-électrique. Ils sont bien adaptés pour les applications suivantes:  Contrôle de présence/absence, de fin de course,  Détection de passage, positionnement,  Comptage de pièces, et barrage de protection.
  • 142. 14 2 2. Quelques exemples de capteurs 2.3. Détecteur de proximité: Détecteurs de proximité inductif Détecteurs de proximité capacitif
  • 143. 14 3 1. Détecteurs de proximité capacitifs: Ces détecteurs utilisent des principes de physiques basés sur les champs électrique. Un champ électrique apparaît dés qu’il existe une différence de potentiel entre deux points. Considérons deux plaques conductrices de sections S, séparées d’une distance d. ces deux plaques forment alors un condensateur. Si ces deux plaques sont portées à deux potentiels différents, un champ électrique apparaît et traverse le milieu séparant ces deux plaques. Ce milieu est caractérisé par la constante diélectrique ε qui caractérise le milieu isolant. La capacité formée par ces deux plaques parallèles est donnée par: d S C r  0  m F / 10 . 85 , 8 12 0    r    0  εr : Permittivité relative, ε0 : Permittivité du vide
  • 144. 14 4 1. Détecteurs de proximité capacitifs: Un oscillateur RLC dont la valeur de la capacité changera d’amplitude et de fréquence. Ainsi deux cas se présentent:  Si la cible est isolante; sa présence changera la constante diélectrique ε donc changera la valeur de C,  Si la cible est un métal, elle changera la valeur de d (vers (d-e)), puisque le champ électrique traverse le métal de la cible. En effet, c’est surtout l’impact sur la géométrie du condensateur qui fait réagir le détecteur de proximité capacitif, car il y a une plaque supplémentaire (condensateur différentiel). Au niveau structure, le détecteur présente:  Une face sensible qui est source du champ électrique.  Deux électrodes placés sur cette face sensible, l’une étant reliée à la masse (électrode de masse), l’autre étant connectée à l’oscillateur RLC.  Ainsi on distingue deux situations:  En l’absence d’objets dans le champ électrique, l’oscillateur oscille avec une certaine amplitude.  En présence d’un objet (conducteur ou /et isolant) dans le champ électrique, la valeur de la capacité change et cela change l’amplitude de l’oscillateur RLC.
  • 145. 14 5 1. Détecteurs de proximité capacitifs: N.B1: Le capteur doit être blindé afin de ne pas détecter tout objet entre ce capteur et une plaque mise à la masse à ses cotés latéraux. N.B2: La portée de détection dépend en partie de la constante diélectrique du matériau à détecter:  Les matériaux dont la constante diélectrique est proche de celle de l’air sont difficiles à détecter.  Les matériaux de constantes diélectriques est fort différente de celle de l’air sont plus faciles à détecter.
  • 146. 14 6 1. Détecteurs de proximité capacitifs: N.B1: on distingue 2 types matériaux: solides (verre), et poudreux (sucre en poudre). NB: les détecteurs de proximité capacitifs sont très sensibles au dépôts résultant des matériaux poudreux. Une solution consiste à utiliser un détecteur de proximité capacitif avec un champ de compensation. Ce type de détecteur contient un autre électrode qui entoure l’électrode principale. Cet électrode émet un champ électrique dit de compensation de portée très courte qui n’est donc affectée que par les contaminations qui se déposent sur la face sensible. Le champ électrique de détection est lui aussi affecté par les contaminations. Pour annuler l’effet de ces contaminations, il suffit de mesurer le champ de compensation et d’en déduire le champ électrique résultant.
  • 147. s La résistance d’un fil conducteur est définie par la loi de Pouillet : R  L où R est la résistance électrique  la résistivité du matériau L la longueur du fil s la section du fil R  L s R    L  s R L  K R L où K est appelé le facteur de jauge Capteur de déformation (Jauges d’extensométrie) Si on tire sur ce fil, il va s'allonger (l augmente) et sa section va se réduire, sa résistance va donc augmenter (l/s augmente). L'épaisseur du fil est d'environ 5µm, la plaque isolante de l'ordre du double. 14 7
  • 148. Le débit est mesuré par déduction ou indirectement La mesure de la vitesse moyenne à travers une section connue = débit mesuré à travers cette section: : Qv = S . V S est la surface de section de la conduite en m² V est la vitesse moyenne du fluide en m/s 14 8
  • 149. constitué de deux tubes coudés concentriques dont les orifices, en communication avec le fluide dont on veut mesurer la vitesse, sont disposés de façon particulière. •L'un, placé orthogonalement, à une vitesse relative v égale à la vitesse du fluide et une pression statique ps égale à la pression ambiante. •L'autre, placé dans le sens de l'écoulement, a une vitesse relative nulle et une pression totale pt, somme de la pression dynamique et de la pression statique. La différence entre ces pressions donne la vitesse v = vitesse p = pression dans la conduite (ps est la pression statique, pt est la pression totale) ρ = masse volumique du fluide 14 9
  • 150. L'émetteur envoie un train d'ondes qui va se réfléchir sur l'objet à détecter et ensuite revenir à la source. Le temps mis (1 temps + 2 temps) pour parcourir un aller-retour permet de déterminer la distance de l'objet par rapport à la source. L'émetteur (quartz piézo-électrique) envoie un train d'ondes et ensuite le capteur passe en mode réception et attend le retour du signal. 15 0
  • 151. 15 1
  • 153. pression atmosphérique moyenne au niveau de la mer, à 15 °C, est de 1013 mbar. Elle peut varier, de ± 25 mbar, avec la pluie ou le beau temps. Elle est fonction de l’altitude (hydrostatique). Pression relative c’est la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique .souvent utilisée, la plupart des capteurs, soumis à la pression atmosphérique, mesurent en relatif. Pour mesurer en absolu, il leur faut un vide poussé dans une chambre dite de référence Pression absolue c’est la pression réelle, dont on tient compte dans les calculs sur les gaz. Elle est comptée à partir de zéro. Le vide est une pression inférieure à la pression atmosphérique. Le vide parfait correspond théoriquement à une pression absolue nulle. Il ne peut être atteint, ni dépassé 15 3
  • 154. Valeurs intéressantes à retenir 15 4 Pascal bar mbar mmCE kgf/cm2 atm torr 1 Pa (N/m2)= 1 10-5 10-2 0.102 0.102×10-4 0.987×10-5 0.0075 1 bar (daN/cm2) = 105 1 1000 10 200 1.02 0.987 750 1 mbar = 100 10-3 1 10,2 1,02×10-3 9.87 7500 1 mmCE = 9.81 9.81×10-5 0,0981 1 10-4 0.968×10-4 0.0735 1 kgf/cm2 (10mCE) = 98100 0.981 981 10 000 1 0.968 735 1 atm (760 torr) = 101325 1.013 1013 10330 10,33 1 760 1 torr (mmHg) = 133 0.00133 1,33 13.6 0.00136 0.00132 1 Capteur de pression Unités de pression
  • 155. Capteur à jauges de contraintes Capteur inductif Capteur pièzorésistif/électrique Capteur capacitif 15 5
  • 156. Manomètres hydrostatique s Manomètres à déformation de solide 1. Organe moteur, tube de Bourdon 2. Support de tube 3. Capuchon du tube 4. Secteur denté 5. Biellette 6. Engrenage 7. Aiguille 8. Cadran 15 6
  • 157. 15 7
  • 158. Différents types de capteur d’humidité capacitif résistive 15 8
  • 159. BIOCAPTEURS outil analytique qui transforme une information chimique en un signal électrique mesurable 15 9 formé de deux parties : un biorécepteur (élément de reconnaissance) et un transducteur Self-contained, integrated device Has many Nomenclatures: -receptor = a Biological recognition element -Transducer = Physico-chemical Ability to be repeatibly calibrated -Either continuous operation -Or rapidly and reproducibly regenerated
  • 160. Transduction Méthode d’immobilisation (Type de surface) composé à analyser (Analyte) Récepteur biologique Processeur BIOCAPTEUR : Principe 16 0
  • 161. À ne pas confondre biocapteurs et: •Capteurs chimiques ou physique utilisés pour le contrôle des processus biologiques (par ex. pH in vivo ou mesure de la pression artérielle) •Systèmes analytiques qui utilisent d’autres appareils commela chromatographie liquide haute pression (HPLC) ou l’analyse en injection de flux (FIA) 16 1
  • 162. - Concept - Lyons and Clark (1956) - Urea Sensor - Guibault & Montalvo (1969) - Glucose Analyser -- Yellow Springs Instr. Co. (1973) - Enzyme Thermistor – Mosbach (1974) - Microbial Electrodes – Divis (197) - Fibre-Optic Oxygen Sensor – Lubbers & Opitz (1975) - Biostator – Clemens et al. (1976) - Immnosensor – Liedberg et al. (1982) - Enzyme Electrode – MediSense Inc. (1987) - BIAcore – Pharmacia, Sweden (1990) - NanoSensor – Vo-Dinh (2000) 16 2 BIOCAPTEURS history
  • 163. BIOCAPTEUR Souhaits du marché -portable -microinstrumentation Biologie -bioreconnaissance -protéine modifiée -recepteur -DNA Physique -optique -semiconducteur Instrumentation -portable -instrumentation Electronique -optoelectronique -silicium -analyse données -contrôle Chimie -immobilisation -membranes -polymers -matériaux d’électrode -biorécepteurs synthétiques 16 3
  • 164. Récepteur biocatalytique -enzyme (mono or multi enzyme) -cellules entières (bacterie, champignon, levure,cellule eukaryote) -organites (mitochondrie, membrane cellulaire) -tissu (plant or animal tissue slice) Récepteur d’affinité -reaction anticorps-antigène -fragment d’ADN -tissu animal ou végétal Membranes biomimétiques 16 4 LES RECEPTEURS BIOLOGIQUES
  • 165. Enzymes Catalysent les réactions : Amplification du signal Enzymes REDOX (reductases, oxidases, oxydo-réductases). Electrons produits/consommés. Transducteur ampéromètrique. Enzymes hydrolytiques (proteases, lipases, esterases). Protons produits/consommés. Transducteurs potentiomètrique ou conductimètrique. Réactions enzymatiques couplées : avec la peroxidase, la luciferase donne une réaction colorée ou emet des photons Transducteurs optiques. 16 5
  • 166. sont localisés à la surface des cellules ou inclus dans les membranes. Ils sont souvent utilisés dans les membranes intactes. Interfaçage biologie cellulaire avec la micro-electronique: cellule nerveuse 16 6 Récepteur Protéique
  • 167. Nerve cell receptor: acetylcholine receptor protein 16 7 •When acetylcholine is released at the junction of nerve cells…. •It binds to the receptor protein in the cell membrane •nerve cell responds by changing its membrane potential: the nerve cell signals
  • 168. Anticorps et antigènes Très sélectifs et interactionstrès fortes Désavantage : pas d’effet catalytique , (souven t fluorescent ) marquage l’anticorps ou de l’antigène pour nécessité de de de s transducteurs optiques Transducteur piezoelectric : modification de la fréquence de vibration du quartz lors de la réaction antigène -anticorps 16 8
  • 169. ADN : acide déoxyribonucléique Biocapteurs pour le diagnostic basés sur l’ADN et L’ARN dans le format chip utilisé pour la détection des modifications génétiques ou expression des protéines L’ADN et l’ARN peuvent être synthesisés au laboratoire. L’hybridation peut être controlée facilement à l’aide de la température L’hybridation peut être analysée optiquement. 16 9