- Capteur
-
Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille. On fait souvent (à tort) la confusion entre capteur et transducteur : le capteur est au minimum constitué d'un transducteur.
Le capteur se distingue de l'instrument de mesure par le fait qu'il ne s'agit que d'une simple interface entre un processus physique et une information manipulable. Par opposition, l'instrument de mesure est un appareil autonome se suffisant à lui-même, disposant d'un affichage ou d'un système de stockage des données. Le capteur, lui, en est dépourvu.
Les capteurs sont les éléments de base des systèmes d'acquisition de données. Leur mise en œuvre est du domaine de l'instrumentation.
Sommaire
Classification
Les capteurs ont plusieurs modes de classifications :
Apport énergétique
Capteurs passifs
Ils ont besoin dans la plupart des cas d'apport d'énergie extérieure pour fonctionner (exemple : thermistance, photorésistance, potentiomètre, jauge d’extensométrie appelée aussi jauge de contrainte…). Ce sont des capteurs modélisables par une impédance. Une variation du phénomène physique étudié (mesuré) engendre une variation de l'impédance. Il faut leur appliquer une tension pour obtenir un signal de sortie.
Capteurs actifs (ou capteurs directs)
On parle de capteur actif lorsque le phénomène physique qui est utilisé pour la détermination du mesurande effectue directement la transformation en grandeur électrique. C'est la loi physique elle-même qui relie mesurande et grandeur électrique de sortie.
Un capteur actif fonctionne assez souvent en électromoteur et dans ce cas, la grandeur de sortie est une différence de potentiel.
Le nombre des lois physiques permettant une telle transformation est évidemment limité, on peut donc recenser facilement les capteurs actifs (dont le nombre est fini). Toutefois, les domaines d'applications sont eux très étendus.
T température - effet thermoélectrique ou effet Seebeck
Type de sortie
Les capteurs et leurs conditionneurs peuvent aussi faire l'objet d'une classification par type de sortie:
Capteurs analogiques
La sortie est une grandeur électrique dont la valeur est proportionnelle à la grandeur physique mesurée par le capteur. La sortie peut prendre une infinité de valeurs continues. Le signal des capteurs analogiques peuvent être du type :
Quelques capteurs analogiques typiques :
- capteur à jauge de contrainte
- LVDT
- thermocouple
Capteurs numériques
La sortie est une séquence d'états logiques qui, en se suivant, forment un nombre. La sortie peut prendre une infinité de valeurs discrètes. Le signal des capteurs numériques peuvent être du type :
- train d'impulsions, avec un nombre précis d'impulsions ou avec une fréquence précise
- code numérique binaire
- bus de terrain
- …
Quelques capteurs numériques typiques :
- les capteurs incrémentaux
- les codeurs absolu
Capteurs logiques
Ou capteurs TOR. La sortie est un état logique que l'on note 1 ou 0. La sortie peut prendre ces deux. Le signal des capteurs logiques peuvent être du type :
- courant présent/absent dans un circuit
- potentiel, souvent 5V/0V
- DEL allumée/éteinte
- signal pneumatique (pression normale/forte pression)
- …
Quelques capteurs logiques typiques :
- les capteurs de fin de course
- les capteurs de rupture d'un faisceau lumineux
- divers capteurs de position
Caractéristiques des capteurs
On caractérise un capteur selon plusieurs critères dont les plus courants sont :
- la grandeur physique observée
- son étendue de mesure
- sa sensibilité
- sa précision
- sa linéarité
- son temps de réponse
- sa bande passante
- sa résolution
- son hystérésis
- sa gamme de température d'utilisation
Remarques : Pour utiliser un capteur dans les meilleures conditions, il est souvent utile de pratiquer un étalonnage et de connaître les incertitudes de mesures relatives à celui-ci.
Capteurs intelligents
Les dernières années du XXe siècle ont vu apparaître le concept de capteurs intelligents.
En plus de leur faculté de mesurer une grandeur physique, ils possèdent d'autres fonctionnalités dont voici une liste non-exhaustive :
- fonctions configurables de traitement du signal (filtre, gains…)
- fonctions d'auto-test et d'auto-contrôle
- étalonnage automatique
- sortie sur des bus de terrain
Principes physiques courants exploités par les capteurs
- variation de capacité
- variation d'inductance
- variation de résistance
- effet Hall
- effet photoélectrique
- dilatation, déformation
- piézo-électricité
- effet Doppler
- principe de la corde vibrante
Exemples
Distance
- inductif
- variation de reluctance
- courants de Foucault
- capacitif
- optique
- confocal chromatique
- triangulation
- réflexion
- ombroscopie, diascopie
- épiscope
- Lidar
- stéréovision
- défocalisation
- ultrason
- micro-onde
Lumière
Sons
- microphone
- micro pour instruments
- hydrophone
Capteur de Température
Pression
Débit
- débitmètre à turbine
- roues ovales
- plaque à orifice
- tube de Pitot
- débitmètre à effet vortex
- débitmètre électromagnétique
- débitmètre à Venturi
- débitmètre à ultrasons
- débitmètre ionique
- débitmètre massique
Courant
- Capteur de courant à effet Hall
- Shunt
- Capteurs de courant a effet fluxgate
Niveau
- à pression différentielle
- à sonde capacitive
- à tube de torsion
- à flotteur (par exemple poire de niveau)
- à rayon gamma
- à ultrasons
- par radar
Capteurs de position
La traduction directement numérique de la position d'un axe tournant est un atout majeur dans les systèmes qui travaillent avec des signaux numérisés. Elle permet un gain de temps (car pas de conditionnement du signal analogique et économie d'une conversion analogique en numérique) et surtout de précision. Le codeur rotatif est un capteur de position angulaire lié mécaniquement à l'axe de rotation du système sur lequel on travaille.
Principe de fonctionnement :
- entrainement d'un disque qui comporte une succession de parties opaques et de fenêtres transparentes.
Ces parties déterminent les deux niveaux logiques, la lumière émise par des diodes électroluminescentes ou des diodes laser est focalisée au travers de chaque piste sur un phototransistor lui faisant face.
- L'interface électronique, incluse dans le codeur, traite le signal reçu par le phototransistor et le convertit en signal rectangulaire (=signal de sortie du codeur)
Il existe deux types principaux de codeurs de position rotatifs :
- les codeurs incrémentaux relatifs
- les codeurs absolus
- souris (informatique)
- capteur de proximité
- codeur
- détecteur de mouvements
- LVDTs et RVDTs
- corde vibrante
Contrainte
- corde vibrante
- piézo-électrique
- jauge de contrainte (jauge de déformation)
- plot magnétique
Inertiels
Exemples d'utilisation
Lors des opérations de transfert, chargement, déchargements ou pour le stockage dans les citernes, ballasts ou cales d'un navire il est important de connaître l'état de leurs remplissage. Cette information peut être communiquée soit de manière continue, soit par la détection de seuils (niveau : bas, haut, très haut).
La mesure continue
Un capteur de niveau sera placé sur le réservoir dont on veut connaître le remplissage. Il délivrera un signal dont l'amplitude ou la fréquence sera directement fonction du niveau du reservoir. On peut donc connaître à tout moment le niveau de remplissage du réservoir ou le volume encore disponible.
La détection de seuils
Plusieurs capteurs seront placés sur le réservoir à mesurer. Ces capteurs délivreront une information binaire indiquant si le niveau est atteint ou non. Cette détection peut être utilisée pour l'arrêt ou le démarrage d'une pompe. Un niveau haut évite un débordement du réservoir et un niveau bas assure une réserve minimale.
On utilisera différents types de capteurs en fonction de la nature du produit. On utilisera les propriétés physiques et chimiques, viscosité, si on veut une mesure par seuil ou continue.
Méthode hydrostatique
Le capteur donnera une information continue directement fonction de la hauteur du fluide dans le réservoir.
Méthode électrique
On va utiliser les propriétés de conductivité du fluide. Il faut faire attention à la corrosion et a la polarisation des sondes car elles sont parcourues par un courant électrique. Cette méthode peut parfois être utilisée pour des solides.
Voir aussi
Bibliographie
- Georges Asch, Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod (ISBN 2100057774)
- F. Baudoin, M. Lavabre - Capteurs : principes et utilisations, Editions Casteilla 2007 - ISBN : 978.2.7135.2749.4
- Mesure de déplacement sans contact
- Les capteurs
Articles connexes
- Amplificateur d'instrumentation
- Capteur (télédétection)
- Expérimentation Assistée par Ordinateur (ExAO)
- Détecteur
Portail de la physique
Portail de l’électricité et de l’électronique
Wikimedia Foundation. 2010.
