Fiche de révision : Les capteurs et leurs applications

📋 Plan du Cours

1. Définition et structure des capteurs
2. Classification des capteurs
3. Caractérisation et étalonnage
4. Détection et mesure de position
5. Mesure de vitesse et accélération
6. Mesure des efforts mécaniques
7. Mesure de température

📖 1. Définition et structure des capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur : Organe qui prélève une grandeur physique et élabore une autre grandeur physique, souvent électrique, représentative de la grandeur mesurée et utilisable pour la mesure ou la commande.
• Corps d’épreuve : Élément mécanique qui réagit sélectivement au mesurande et le transforme en une autre grandeur physique mesurable.
• Transducteur : Élément qui traduit les réactions du corps d’épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.
• Transmetteur : Élément qui met en forme, amplifie, filtre ou met à niveau le signal de sortie pour sa transmission à distance et peut être incorporé ou non au capteur.

📝 Points essentiels

• La structure générale d’un capteur comprend un corps d’épreuve qui transforme le mesurande en grandeur mesurable, un transducteur qui produit le signal électrique et, éventuellement, un transmetteur qui met ce signal en forme pour sa transmission.

📖 2. Classification des capteurs

★ À maîtriser

• Les signaux de sortie des capteurs sont analogiques, logiques tout ou rien (TOR) ou numériques.

• Un capteur analogique délivre un signal continu pouvant prendre une infinité de valeurs dans un intervalle, généralement en relation proportionnelle avec la grandeur mesurée.

• Un capteur TOR délivre une information binaire, vrai ou faux (0 ou 1), caractérisant le phénomène détecté.

• Un capteur passif fait varier une impédance, telle que R, L ou C, avec le mesurande et doit être intégré dans un circuit alimenté.

Compléments

📌 Un capteur numérique délivre un code électrique discontinu composé de plusieurs bits et pouvant prendre un nombre limité de valeurs distinctes.

• Un codeur absolu de 4096 positions par tour représente la position 143 par le code 000010001111, soit environ 12,6°.

• Les capteurs actifs reposent notamment sur les effets suivants :

  • photoélectrique ou photovoltaïque
  • thermoélectrique
  • piézoélectrique
  • d’induction électromagnétique
  • Hall

💡 Astuce mémo

Un capteur passif modifie une impédance ; un capteur actif produit directement une énergie électrique.

📖 3. Caractérisation et étalonnage

🔑 Notions clés & Définitions

• Sensibilité : Pente de la caractéristique entrée-sortie du capteur, qui traduit sa capacité à détecter une variation du mesurande.
• Étalonnage : Détermination, sous forme graphique ou algébrique, de la relation entre le mesurande et la grandeur électrique de sortie, souvent valable seulement pour une situation d’utilisation donnée.
• Résolution : Plus petite variation du mesurande que le capteur peut mesurer.
• Rapidité : Caractéristique indiquant dans quelle mesure la sortie du capteur suit dans le temps les variations du mesurande.
• Finesse : Caractéristique estimant l’influence du capteur et de ses liaisons sur le mesurande ; elle est d’autant plus grande que cette influence est faible.

★ À maîtriser

📐 Formule - L’étendue de mesure est la différence entre les valeurs maximale et minimale du mesurande : $EM = m_{\max} - m_{\min}$.

📌 La fidélité caractérise la reproductibilité des mesures, la justesse leur accord avec des valeurs étalon, et la précision réunit la justesse et la fidélité.

Compléments

• Des contraintes mécaniques, thermiques ou électriques dépassant certains seuils peuvent modifier les caractéristiques du capteur, invalider son étalonnage ou le détruire si elles dépassent un seuil supérieur.

📖 4. Détection et mesure de position

🔑 Notions clés & Définitions

• Potentiomètre : Résistance variable à trois bornes dont un curseur se déplace sur une piste résistante et fournit une tension dépendant de sa position et de la tension appliquée à la résistance.

★ À maîtriser

📌 Un détecteur inductif sans contact détecte les objets métalliques, tandis qu’un détecteur capacitif peut détecter d’autres matériaux et est légèrement plus cher.

📌 Un codeur incrémental détermine un déplacement relatif par comptage d’impulsions, tandis qu’un codeur absolu fournit un code correspondant à une position déterminée.

Compléments

📌 Les détecteurs de position sont souvent des capteurs TOR, et les technologies sans contact sont généralement plus robustes en environnement industriel.

• Un capteur mécanique de fin de course commute un contact sec dont l’information peut être reliée à un circuit de commande ou à une entrée d’automate.

• Un détecteur de proximité inductif ou capacitif commute un transistor bloqué ou saturé et fournit un niveau de tension interprété comme 0 ou 1 par l’automate.

• Un détecteur ultrasonore s’affranchit de la couleur de l’objet, mais sa détection peut dépendre du type de matériau, de la forme et des conditions d’ambiance, et il peut nécessiter un réglage ou un apprentissage.

• La combinaison des voies A et B d’un codeur incrémental permet de déterminer le sens de rotation.

• Un codeur absolu peut utiliser le code Gray, à convertir en binaire naturel pour un microcontrôleur, ou une piste supplémentaire permettant la lecture axiale du code binaire naturel.

• La course ou le débattement angulaire d’un potentiomètre est limité par construction.

📖 5. Mesure de vitesse et accélération

★ À maîtriser

📐 Formule - La génératrice tachymétrique délivre une force électromotrice liée à la vitesse angulaire par $E = k\Omega$.

• Un codeur incrémental fournit une image de la vitesse angulaire par la mesure de la fréquence de ses signaux de sortie A et B.

📐 Formule - Le principe des accéléromètres repose sur le principe fondamental de la dynamique appliqué à leur masse sismique : $\vec{F} = m\vec{\Gamma}$.

• Dans un accéléromètre, l’accélération déplace la masse sismique, un élément sensible mesure ce déplacement et permet d’en déduire l’accélération du capteur.

Compléments

• Le capteur embarqué LFIIP mesure une vitesse de 0,3 à 400 km/h et une distance avec une précision de 0,1 km/h et 0,1 % en mesure de distance.

• Les accéléromètres peuvent utiliser les détections suivantes :

  • piézoélectrique
  • piézorésistive
  • par jauge de contrainte
  • capacitive
  • inductive
  • optique
  • à poutre vibrante
  • à ondes de surface

📖 6. Mesure des efforts mécaniques

🔑 Notions clés & Définitions

• Piézoélectricité : Propriété de certains matériaux de se polariser électriquement sous une contrainte mécanique et, réciproquement, de se déformer sous l’application d’un champ électrique.

★ À maîtriser

📌 Un capteur à jauges d’extensiométrie collées sur un corps d’épreuve mesure une déformation par la variation de résistance des jauges.

📐 Formule - La charge électrique produite par un capteur piézoélectrique est proportionnelle à l’effort appliqué : $Q = kF$, avec $k$ de l’ordre de $10 \cdot 10^{-10}\,\mathrm{C\,N^{-1}}$.

Compléments

• La déformation mesurée par une jauge de contrainte est de l’ordre de $\varepsilon \approx 10^{-6}$.

• Les jauges de contrainte sont presque toujours utilisées en pont de Wheatstone à quatre branches résistives, avec une tension d’excitation appliquée au pont.

💡 Astuce mémo

Contrainte sur le matériau piézoélectrique → polarisation électrique.

📖 7. Mesure de température

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermocouple : Capteur formé de deux métaux différents en contact, produisant une faible tension à circuit ouvert liée à la température au point de contact.
• Thermomètre infrarouge : Instrument qui détermine la température de surface à distance à partir du rayonnement thermique émis par l’objet, converti en signal électrique par un détecteur.

★ À maîtriser

📌 Une thermistance a une résistance qui varie avec la température : elle augmente pour une CTP et diminue pour une CTN.

Compléments

• La sonde PT100 est une sonde à résistance de platine de 100 Ω à 0 °C, dont le comportement reproductible permet l’échange sans réétalonnage.

• Pour de petites variations de température, la tension thermoélectrique d’un thermocouple est approximativement linéaire.

• La mesure infrarouge dépend de l’énergie émise par l’objet et de son émissivité, et le point laser indique le centre de la zone circulaire mesurée.

💡 Astuce mémo

La mesure infrarouge porte sur la surface sans contact ; les autres thermomètres décrits utilisent un capteur en contact.