Les Différents Types de Capteurs

bismuth, antimoine d'indium

Chlorure de lithium

2. CAPTEURS A EFFET PIEZOELECTRIQUE:

Fig. 1 : L’effet piézoélectrique

2-1- L’effet piézoélectrique:

Une force appliquée à une lame de

quartz induit une déformation qui donne

naissance à une tension électrique.

Fig. 2 : Principe d’un capteur de force

2-2- Capteur de force:

La tension VS de sortie sera

proportionnelle à la force F :

VS = k.(F+F) = 2k.F avec k constante.

Métal

V

U

Ampli

Mise

en forme

VS

12

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

2-3- Capteur de pression:

Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide) exerce une force F sur une paroi S (surface); on

peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci- dessous :

Sachant que :

Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P.

Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la force F0

(pression extérieure P0).

Fig. 3 : Principe d’un capteur de pression

Ampli

Us

Enceinte à la pression P

F

Fo

Capteur de force de surface S

On a F = P.S ; F0 = P0.S et uS = k.(F+F0) ( capteur de force, k = constante ).

Donc uS = k.S ( P + P0 ) = k' ( P + P0 )  uS = k' ( P + P0 ) .

Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P0 et de la pression

de l'enceinte P.

2-4- Capteur d’accélération:

Fig. 4 : Principe d’un capteur d’accélération

L'augmentation de vitesse V

du véhicule donne une accélération a

qui induit une force F exercée par la

masse sur le capteur.

On a donc :

F = m.a mais uS = 2k.F

et donc uS = 2k.m.a

2-5- Capteur ultrason:

F

Capteur de Force

Tension Us en sortie

Masse m

suspendue

V

La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur. Un capteur de

pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal ultrasonore.

3. CAPTEURS A EFFET HALL:

3-1- L’effet Hall:

Un barreau de semi-conducteur soumis à un

champ magnétique uniforme B et traversé par un

courant I, est le siège d'une force électromotrice UH

sur deux de ses faces.

La tension de Hall UH est définie par la relation ci-

contre :

Chapitre 2

Fig. 5 : L’effet Hall

B

B

B

I

e

I

V

UH

13

RH : constante de Hall (dépend du semi-conducteur)

I : intensité de la source de courant (A)

B : intensité du champ magnétique (T)

e : épaisseur du barreau de silicium.

Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au champ magnétique B :

UH = k.B avec k constante égale à

3-2- Capteur de champ magnétique:

Fig. 6 : Principe d’un capteur de champ magnétique

I

Générateur

de courant

Capteur

HALL

UH

Ampli

Us=A.UH

Us

La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.

3-3- Autres applications:

Fig. 7 : Capteur de proximité

3.3.1 Capteur de proximité:

Le capteur détecte l'approche de

l'aimant placé au préalable sur un objet.

Capteur de

champ

magnétique

N

S

Aimant

3.3.2 Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit:

Le courant I crée un champ magnétique

proportionnel à ce courant :

Le capteur donne une tension US = k.B = k'.I

avec k et k' constantes.

C'est le principe des pinces ampèremétriques

(mesure de forts courants de 1000A et plus).

Fig. 8 : Mesure de courant en boucle fermée

Conducteur parcouru

par un courant I

Entrefer

Capteur de champ

magnétique

Tore de métal de

perméabilité µ

4. CAPTEURS A EFFET PHOTOELECTRIQUE:

4-1- L’effet photoélectrique:

Un semi-conducteur est un matériau pauvre en porteurs de charges électriques (isolant). Lorsqu'un

photon d'énergie suffisante excite un atome du matériau, celui-ci libère plus facilement un électron qui

participera à la conduction.

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

14

4-2- Les photorésistances:

Une photorésistance est une résistance dont la valeur varie en fonction du flux lumineux qu'elle reçoit.

Exemple:

 Obscurité : R0 = 20 MΩ (0 lux)





Caractéristique lumière/tension:

Lumière naturelle : R1 = 100 kΩ (500 lux)

Lumière intense : R2 = 100 Ω (10000 lux).

R (Ω)

108

107

102

0

E (Lux)

10-2 102103

Avantages :





Bonne sensibilité

Faible coût et robustesse.

Inconvénients :

 Temps de réponse élevé

 Bande passante étroite



Sensible à la chaleur.

Utilisation : Détection des changements obscurité-lumière (éclairage public).

4-3- Les photodiodes:

Une photodiode est une diode dont la jonction PN peut être soumise à un éclairement lumineux.

Courbe : Le graphe I = f(U) pour une photodiode dépend de l'éclairement en (Lux) de la jonction PN.

Fig. 9 : Caractéristique courant/tension d’une photodiode en fonction de l’éclairement

Photodiode

I=f(U)

4

3

2

1

0

0

0,5

Obscurité (diode normale)

Eclairement moyen (500 lux)

Eclairement fort (10000 lux)

0,5

1

On constate que lorsque la diode est éclairée, elle peut se comporter en générateur (I = 0, U= 0,7V

pour 1000lux). On a donc affaire à une photopile (effet photovoltaïque).

Chapitre 2

15

Avantages :

 Bonne sensibilité



Faible temps de réponse (bande passante élevée).

Inconvénients :

 Coût plus élevé qu'une photorésistance

 Nécessite un circuit de polarisation précis

Fig. 10 : Emetteur/Récepteur infrarouge

Utilisations :

 Transmission de données

6

 Télécommande IR

 Transmission de données par fibre

optique

 Détection de passage

Emetteur

(diode IR)

Rayon lumineux ou

fibre optique

Récepteur

(photodiode)

 Roue codeuse

Fig. 11 : Principe de la roue codeuse

 Mesures d'angle et de vitesse

 Comptage d'impulsions

(souris de PC)

Emetteur

diode IR

Récepteur

Photodiode

5. CAPTEURS A RESISTANCE VARIABLE PAR DEFORMATION :

5-1- Capteurs potentiométriques de déplacement:

5.1.1 Principe:

Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un

potentiomètre (schéma ci-dessous).

Fig. 12 : Principe d’un capteur potentiométrique

Position 1

R

C

E

Position x (0<x<1)

(1-x).R

x.R

C

U

On applique une tension continue E entre les extrémités A et B du potentiomètre. La tension U en sortie

aura l'expression suivante :

La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur.

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

16

Avantages :

Simplicité d’utilisation



Faible coût.



Inconvénients :

 Usure mécanique

5.1.2 Utilisations:

 Mesure de déplacement réctilogne

 Mesure d’angles de rotation

 Mesure de débit de fluide : Le débit du fluide exerce une force sur un clapet relié au curseur d'un

potentiomètre. La tension en sortie du potentiomètre augmente avec la vitesse d'écoulement.

Fig. 13 : Mesure de débit

Piste

résistive

Fluide

Curseur

Ressort

de rappel

5-2- Capteurs à jauges d’extensiométrie:

5-2-1. Principe:

La résistance d'un conducteur est donnée par la « fameuse » relation :

 : Résistivité en Ω.m

L : longueur en m



S : section en m2



La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la résistance R.

La relation générale pour les jauges est

où Kest le facteur de jauge.

5-2-2 Fonctionnement d’une jauge simple:

La jauge est constituée d'une piste résistive collée sur un support en résine. Le tout est collé

sur le corps dont on veut mesurer la déformation.



Corps au repos (pas d’allongement)

Fig. 14 : Jauge d’extensiométrie

Résistance

mesurée Ro

Ω

Support

Corps

déformable

Piste

résistive

Longueur l

Chapitre 2 Les différents types de capteurs

17



Corps ayant subi un étirement (effort de traction)

Fig. 15 : Jauge d’extensiométrie ayant subi un étirement

Résistance mesurée

Ro + R

Ω

F

F

Longueur l+ l

Remarque : Dans le cas d’une contraction, la résistance de la jauge serait Ro - R.

 Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)

La tension de sortie v du pont a

l'expression suivante :

Fig. 16 : Conditionneur de signal

En général, la variation R est petite

devant R0; la relation se simplifie alors

pour devenir quasi-linéaire :

E

V

R

R

La tension de sortie v du pont a

l'expression suivante :

Résistances quelconques

Jauge au repos

R0

R0+ R

Jauge après

étirement

En général, la variation R est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire :

Remarque : On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un pont à 2 résistances

et 2 jauges symétriques R0 + R et R0 - R.

Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une parfaite linéarité.

6. CAPTEURS DE TEMPERATURE :

6-1- Thermomètre à thermocouple:

Fig. 17 : Principe de fonctionnement d’un thermocouple

fils soumis à

On constate que si la température T2 est

différente de T1 alors il apparaît une tension U

la

aux bornes des deux

température T1.

Le phénomène inverse est aussi vrai : si on

applique une tension, alors il y aura un

échauffement ou un refroidissement au point

de liaison des deux conducteurs (modules à

effet Peltier).

V

T1 T1

U

métal B métal A

Soudure

Température à

mésurer T2

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

18

Application: Mesure des hautes températures : 900 à 1300 °C.

6-2- Thermistance:

Une thermistance est un composant dont la résistance varie en fonction de la température. En

première approximation, la relation entre résistance et température est la suivante :

: La résistance à la température

: La résistance à la température 0°C

: Le coefficient de température.

Remarque:





si a > 0 alors on a une thermistance CTP (R quand )

si a < 0 alors on a une thermistance CTN (R quand ).

Application: On insère la thermistance dans un pont de jauge. On obtient ainsi une tension V en sortie du

pont . Si on prend , on obtient .

On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant. La tension à ses bornes sera donc

proportionnelle à la résistance.

6-3- Capteurs à sortie numérique directe:

On trouve actuellement sur le marché, des capteurs de température à sortie numérique directe de

type série. Il s'agit notamment des capteurs DALLAS qui sont classés en deux catégories :

6-3-1 Les capteurs à sortie I2C (2fils) DS1621:

Ce capteur DS1621 peut mesurer une température

variant de -55°C à 125°C avec une précision de 0,5°C.

Pour transmettre la mesure (9 bits), il utilise la norme I2C

qui consiste à transmettre en série les bits de mesure sur

la ligne SDA en synchronisation avec la ligne SCL

(horloge).

Tableau 3

Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions :





Il est adressable physiquement sur 3 bits (A0, A1 et A2), ce qui permet d'en utiliser 8 sur la même

ligne SDA-SCL.

Il possède une fonction thermostat qui permet de commander un chauffage (températures TH et TL)

par l'intermédiaire de la ligne TOUT même lorsque le capteur est déconnecté du matériel

informatique.

Chapitre 2

capteurs

19

6-3-1 Les capteurs à sortie I2C (2fils) DS1621:

Ce capteur DS1820 peut mesurer une température variant

de -55°C à 125°C avec une précision maximale de 0,125°C.

Pour transmettre la mesure ( résolution réglable de 9 à12 bits ),

il utilise la norme i-button qui consiste à transmettre en série

sur un seul fil, le résultat de la mesure.

La ligne VD peut être connectée à la masse GND et la ligne DQ

supportera à la fois l'alimentation et la transmission des

données, d'où l'appellation 1 Wire.

Il suffit donc de deux fils (DQ et GND) pour alimenter et

communiquer avec ce capteur.

Tableau 4

Le DS1621 possède aussi d'autres fonctions :



Il est doté d'une adresse (numéro de série) affectée en usine et définitive. Elle est codée sur 8

octets ce qui permet d'utiliser, en théorie, un très grand nombre de DS1820 sur la même ligne.

 Une alarme de température peut être paramétrée et la consultation de celle-ci se fait par lecture

d'une zone mémoire (adresse – donnée).

Cours de : Capteurs et actionneurs en instrumentation

20