Partie 2: L'acquisition d'une information par un capteur

Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs...), on a besoin de contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position, vitesse, luminosité, ...). Le capteur est l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques.

I. Qu’est-ce qu’un capteur ?

Un capteur transforme une grandeur physique en une grandeur normée, généralement électrique, qui peut être interprétée par un dispositif de contrôle commande.

II. Les capteurs dans la chaîne d’information

La fonction ACQUERIR est chargée de mettre en forme des informations issues du système piloté, de l'opérateur ou d'une autre chaîne d'information, afin d'effectuer le traitement adapté.

A partir d'une grandeur physique à mesurer, le capteur délivre un signal, souvent électrique, utilisable après adaptation pour le traitement. Les familles de capteurs les plus courantes à connaître sont les suivantes :

III. Les types de signaux électriques

Un capteur peut délivrer 3 types de signal électrique différent :

IV.Caractéristique d’un capteur.

Pour le choix d’un capteur, plusieurs éléments doivent être pris en considération :

- Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.
- Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
- Sensibilité : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée.
- Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.
- Rapidité : Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.
- Linéarité : représente l'écart de sensibilité sur l'étendue de mesure

C’est toujours très difficile de retrouver ces caractéristiques sur les documents constructeur mais il est important de savoir décrypter l’essentiel

V. Capteur actif ou passif

1. Les capteurs actifs

Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à mesurer (énergie thermique, mécanique ou de rayonnement)
Types de capteurs actifs : Effet hall, Effet thermoélectrique, Effet piézo-électrique, Effet d'induction électromagnétique, Effet photo-électrique, Effet pyroélectrique

2. Les capteurs passifs

Il s'agit généralement d'impédances (résistance, inductance, capacité) dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La variation d'impédance résulte :
• d'une variation de dimension du capteur (capteurs de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile)
• d'une déformation résultant d’une force ou d’une grandeur s'y ramenant (pression accélération). Exemples : armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensomètre liée à une structure déformable

Exercice : Faire l’exercice d’application « caractéristique d’un capteur »

Déterminer :

- La nature de la détection la pression
- Le type de signal délivré en sortie du capteur et sa plage de valeur
- Le type de capteur (passif ou actif)
- Sa tension d’alimentation
- Son câblage
- Sa plage de fonctionnement en température
- L’étendue de sa mesure
- Sa précision
- Erreur de réglage

VI. Les capteurs de température

Très présentes dans le domaine de la recherche, de l’industrie et également de l’habitat, on utilise différentes méthodes de mesure :
• Méthodes optiques (rayonnement spectral)
• Méthodes mécaniques (dilatation d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz)
• Méthodes électriques (résistivité, fém. à la jonction de matériaux de natures différentes, fréquence de résonance d’un quartz)

1) Thermomètre à résistance et thermistance

Le fonctionnement des thermomètres à résistance et des thermistances est basé sur un même phénomène physique, à savoir la variation de la résistance électrique d'un conducteur avec la température. Les lois de variation étant très régulières, il est possible de les utiliser pour repérer les températures par des mesures de résistance. Mais comme ces lois sont différentes suivant qu'il s'agit d'un métal ou d'un agglomérat d'oxydes métalliques, deux cas ont été distingués sous les appellations de thermomètre à résistance d'une part et de thermistance d'autre part.

2) Thermomètre à résistance :

La résistance électrique d'un conducteur métallique croit avec la température. Cette variation est parfaitement réversible. On peut donc établir une relation R = f() entre la résistance R et la température T et ainsi relevé T en mesurant R.

Lorsque la température varie on a :

Avec : Ro la résistance à 0 °C ;
- T la température en °C ;
- a coefficients positif, spécifiques au métal.

C'est le platine qui est le matériau le plus utilisé.
Exemple : La sonde Pt100 est une sonde platine qui a une résistance de ........ Ohms pour une température de 0 °C. et pour 100°C on a R= ………………Ω

3) Thermistance

a. Constitution : Une thermistance est un agglomérat d'oxydes métalliques frittés, c'est-à-dire rendus compacts par haute pression exercée à température élevée, de l'ordre de 150 bars et 1000°C.

La composition d'une thermistance peut-être, par exemple : Fe2O3 (oxyde ferrique), MgAl2O4 (aluminate de magnésium), Zn2TiO4 (titane de zinc). La résistance électrique d'une thermistance est très sensible à l'action de la température. Il existe deux types de thermistance, les CTN à coefficient de température négatif, et les CTP à coefficient de température positif.

b. Loi de variation

La loi de variation est de la forme : a et b sont deux paramètres de la thermistance.

La comparaison des variations de résistivité d'un fil de platine et d'une thermistance est faite sur la figure ci-après.

On constate que la variation de la résistivité est beaucoup plus importante pour une thermistance que pour un fil métallique : pour un même écart de température.
La variation du courant à travers une thermistance est très supérieure à celle qui traverse une sonde classique. Donc la mesure est plus sensible

4) Les Thermocouples

a) Constitution

b) Principe: Si T2≠ T1 : alors il y a une apparition d’une FEM du à 2 phénomènes

Lorsqu'une différence thermique est présent dans un conducteur électrique, le flux de chaleur créé un mouvement d'électrons, ce qui génère une force électromotrice (f.é.m.) dans cette zone. L'amplitude de cette f..e.m dépend du matériau dont le conducteur est composé ainsi que du gradient de température. La tension existant entre les deux extrémités du conducteur représente la somme algébrique des f.e.m générées le long de ce conducteur.

Ainsi, un thermocouple est constitué de deux conducteurs en métaux de caractéristiques thermoélectriques différentes (notés A et B). En général, on désigne la connexion entre les deux conducteurs dissemblables comme étant la jonction de mesure (notée M). Les jonctions qui relient les conducteurs aux connexions de sortie (en cuivre en général) sont appelées jonctions de référence (notées R1 et R2)

c) Courbes et tableau caractéristiques pour différents thermocouples