Les capteurs

Capteurs Ce cours est destiné à donner un aperçu :
- des possibilités de mesure des grandeurs physiques ;
- des principales caractéristiques dont il faut tenir compte lors de
l'utilisation d'un capteur. Position du problème On désire mesurer tous les types de grandeurs physiques pour les traiter et
les exploiter.
Pour cela on transforme la grandeur à mesurer, en un signal facilement
exploitable : une tension ou un courant électriques.
définitions
Le mesurande : grandeur physique objet de la mesure.
Capteur : dispositif qui soumis à l'action d'un mesurande, non
électrique, présente en sortie une caractéristique
électrique. [pic] s = f(m) Pour faciliter l'exploitation de la réponse, on s'efforce de réaliser des
capteurs dont la relation s=f(m) est linéaire. Dans ce cas s et m sont
proportionnels. [pic] ou k est une constante
Nature du signal de sortie Analogique : - généralement électrique sous forme de tension ou de
courant
- La grandeur du signal peut prendre une infinité de valeurs
dans un intervalle donné.
L'information peut alors être :
continue - on mesure le niveau (tension ou intensité)
temporelle - on mesure la période ou la fréquence Numérique : - l'information est binaire.
L'information peut alors être :
Tout ou rien - exemple de l'état d'une vanne ouverte ou fermée
train d'impulsions - on compte le nombre de train d'impulsions
numérique - il s'agit alors d'une grandeur analogique
numérisée.
Type de capteurs 1 Capteurs passifs
Il s'agit d'impédances (très souvent des résistances) dont l'un des
paramètres déterminants est sensible au mesurande. |Mesurande |Caractéristique |Types de matériaux |
| |électrique sensible |utilisés |
|Température |Résistivité |Métaux : platine, |
| | |nickel, cuivre. |
| | |Semi-conducteurs. |
|Très basse température|Constante diélectrique|Verres. |
|Flux lumineux |Résistivité |Semi-conducteurs. |
|Déformation |Résistivité |Alliages de nickel, |
| | |silicium dopé. |
| |Perméabilité |Alliage |
| |magnétique |ferromagnétique. |
|Position (aimant) |Résistivité |Matériaux |
| | |magnétorésistants : |
| | |bismuth, antimoniure |
| | |d'indium. |
|Humidité |Résistivité |Chlorure de lithium. |
| |Constante diélectrique|Alumine ; polymères. |
2 Capteurs actifs
Ils fonctionnent en générateurs en convertissant la forme d'énergie propre
au mesurande en énergie électrique. |Mesurande |Effet utilisé |Grandeur de sortie |
|Température |Thermoélectricité |Tension |
|Flux lumineux |Pyroélectricité |Charge |
| |Photoémission |Courant |
| |Effet photovoltaïque |Tension |
| |Effet |Tension |
| |photoélectromagnétique | |
|Force | | |
|Pression |Piézoélectricité |Charge |
|Accélération | | |
|Vitesse |Induction |Tension |
| |électromagnétique | |
|Position (aimant)|Effet Hall |Tension | Effet thermoélectrique. Un circuit formé de deux conducteurs de nature
chimique différente dont les jonctions sont à des températures T1 et T2 est
le siège d'une force électromotrice e(T1, T2). Application : détermination
à partir de la mesure de e d'une température inconnue T1 lorsque T2 (0°C
par exemple) est connue. (Fig. 1.3a). Effet pyroélectrique. Certains cristaux dits pyroélectriques, le sulfate de
triglycine par exemple, ont une polarisation électrique spontanée qui
dépend de leur température. Application : un flux de rayonnement lumineux
absorbé par un cristal pyroélectrique élève sa température ce qui entraîne
une modification de sa polarisation qui est mesurable par la variation de
tension aux bornes d'un condensateur associé (Fig. 1.3b). Effet piézo-électrique. L'application d'une force et plus généralement
d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques, le
quartz par exemple, entraîne une déformation qui suscite l'apparition de
charges électriques égales et de signes contraires. Application : mesure de
forces ou de grandeurs s'y ramenant (pression, accélération) à partir de la
tension que provoquent aux bornes d'un condensateur associé à l'élément
piézo-électrique les variations de sa charge (Fig. 1.3c). Effet d'induction électromagnétique. Lorsqu'un conducteur se déplace dans
un champ d'induction fixe, il est le siège d'une f.é.m. proportionnelle à
sa vitesse de déplacement. Application : la mesure de la f.é.m. d'induction
permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine (Fig.
1.3d). Effets photoélectriques. On en distingue plusieurs, qui diffèrent par leurs
manifestations mais qui ont pour origine commune la libération de charges
électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou
plus généralement électromagnétique, dont la longueur d'onde est inférieure
à une valeur seuil, caractéristique du matériau. Effet photoémissif. Les électrons libérés sont émis hors de la cible
éclairée et forment un courant collecté par application d'un champ
électrique. Effet photovoltaïque. Des électrons et des trous sont libérés au voisinage
d'une jonction de semi-conducteurs P et N illuminée ; leur déplacement dans
le champ électrique de la jonction modifie la tension à ses bornes. Effet photoélectromagnétique. L'application d'un champ magnétique
perpendiculaire au rayonnement provoque dans le matériau éclairé
l'apparition d'une tension électrique dans la direction normale au champ et
au rayonnement. Applications. Les effets photoélectriques sont à la base de
méthodes de mesure des grandeurs photométriques d'une part, et ils assurent
d'autre part, la transposition en signal électrique des informations dont
la lumière peut être le véhicule (Fig. 1.3e).
[pic]
[pic]
[pic] Fig. 1.3. exemples d'application d'effets physiques à la réalisation de
capteurs actifs : (a) thermoélectricité, (b) pyroélectricité, (c)
piézoélectricité, (d) induction électromagnétique, (e) photoélectricité,
(f) effet Hall. Effet Hall. Un matériau, généralement semi-conducteur et sous forme de
plaquette, est parcouru par un courant I et soumis à une induction B
faisant un angle ( avec le courant. Il apparaît, dans une direction
perpendiculaire à l'induction et au courant une tension vH qui a pour
expression :
VH = KH . I . B . sin (
où KH dépend du matériau et des dimensions de la plaquette. Application :
un aimant lié à l'objet dont on veut connaître la position détermine les
valeurs de B et ( au niveau de la plaquette : la tension v qui par ce biais
est fonction de la position de l'objet en assure donc une traduction
électrique (Fig. 1.3f). Caractéristiques métrologiques
1 Les erreurs Le capteur et toute la chaîne de traitement de la mesure introduisent des
erreurs : bruit, décalage, référence, linéarité...
L'erreur globale de mesure ne peut être qu'estimée. Une conception
rigoureuse de la chaîne de mesure permet de réduire les erreurs et donc
l'incertitude sur le résultat.
On parle de : fidélité, justesse, précision, incertitude, linéarité. 2 Etalonnage L'étalonnage permet d'ajuster et de déterminer, sous forme graphique ou
algébrique, la relation entre le mesurande et la grandeur électrique de
sortie. Très souvent l'étalonnage n'est valable que pour une seule
situation d'utilisation du capteur.
3 Limites d'utilisation Les contraintes mécaniques, thermiques ou électriques auxquelles un capteur
est soumis entraînent, lorsque leurs niveaux dépassent des seuils définis,
une modification des caractéristiques du capteur. Au dessus d'un certain
seuil l'étalonnage n'est plus valable, au dessus d'un autre plus grand le
capteur risque d'être détruit.
4 Sensibilité Plus un capteur est sensible plus la mesure pourra être précise. C'est une
caractéristique importante pour l'exploitation et l'interprétation des
mesures.
5 Rapidité - Temps de réponse La rapidité est la spécification d'un capteur qui permet d'apprécier de
quelle façon la grandeur de sortie suit dans le temps les variations du
mesurande.
6 Finesse C'est une spécification qui permet d'estimer l'influence de la présence du
capteur et de ses liaisons sur la valeur du mesurande. La finesse doit être
la plus grande possible.
Conditionneurs des capteurs passifs Exemple d'un capteur résistif 1 Montage potentiométrique
1 Linéarisation par approximation des petits signaux Exercice 2 Linéarisation en utilisant une source de courant Exercice 3 Linéarisation par montage push-pull