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Les capteurs analogiques

I) Généralités :

1.1) Définition

Un capteur est un organe chargé de prélever une grandeur physique à mesurer et de la transformer en une grandeur exploitable. Le capteur est un organe de saisie d'informations. C'est le premier maillon de toute une chaîne de mesure, acquisition de données, de tout système d'asservissement, régulation, de tout dispositif de contrôle, ...

Le mesurande m : grandeur physique objet de la mesure (température, pression, vitesse, …)

Capteur : dispositif qui soumis à l’action d’un mesurande, non électrique, présente en sortie une caractéristique électrique.

s = f(m)

La mesure de s doit permettre de connaître la valeur de 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.

ou k est une constante. On parle aussi de sensibilité du capteur. Plus k est grand, plus le capteur est sensible.

Mise en situation :

Constitution d’un capteur :

- --Corps d'épreuve : élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer (appelée aussi mesurande).

But : transformer la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable .

- Elément de transduction : élément sensible lié au corps d'épreuve. Il traduit les réactions du corps d'épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie .

- Boîtier : élément mécanique de protection, de maintien et de fixation du capteur .

- Module électronique de fonctionnement : il a, selon les cas, les fonctions suivantes :

- alimentation électrique du capteur ( si nécessaire )

- mise en forme et amplification du signal de sortie

- filtrage, amplification

- conversion du signal ( CAN,...)

1.2) Nature du signal de sortie

Analogique :

Ø Généralement électrique sous forme de tension ou de courant

Ø 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

Remarque : La caractéristique de ce type de capteur est linéaire dans les cas les plus fréquents (Relation proportionnelle entre la grandeur physique d’entrée et le signal de sortie délivré).

Numérique :

Ø l’information est binaire.

Ø L’information peut alors être :

v tout ou rien ( TOR ) : exemple de l’état d’une vanne ouverte ou fermée

ð Ces capteurs génèrent une information électrique de type binaire ( Vrai ou faux ) qui caractérise le phénomène à détecter ou capter

Remarque : On distingue les capteurs TOR avec ou sans contact physique vis-à-vis de l’objet à détecter.

v un signal électrique périodique ( Signal carré ) à période variable.

v Soit un signal numérique codé sur n variables binaires ( n Bits ).

Caractéristiques métrologiques d’un capteur

Les liens entre un capteur et la grandeur qu’il mesure sont définis par ses caractéristiques d’emploi.

1) Etendue de mesure

Domaine de mesure pour lequel les indications du capteur ne doivent pas être entachées d’une erreur supérieure à l’erreur maximale tolérée. On appelle les valeurs limites du domaine, « portée minimale » et « portée maximale ».

2) Sensibilité

C’est le rapport de la variation du signal de sortie à la variation correspondante de la grandeur à mesurer.

C'est à dire à la pente de la courbe de réponse du capteur pour une valeur donnée :

S=ds/de

ds : variation de sortie

de : variation de l'entrée

3) Précision

C’est l’aptitude du capteur à donner des indications proche de la valeur vraie de la grandeur mesurée.

4) Fidélité et justesse

La justesse est la qualité d’un capteur à fournir des indications précises.

La fidélité est la qualité d'un capteur à fournir des indications identiques pour une même valeur de la grandeur à mesurer.

a : capteur ni fidèle, ni juste ( erreurs et incertitudes de mesure importantes )

b : capteur fidèle mais non juste

c : capteur juste mais non fidèle

d : capteur juste et fidèle, donc précis ( erreurs et incertitudes de mesure réduites )

5) Rapidité

C’est l’aptitude du capteur à suivre dans le temps les variations de la grandeur à mesurer . Il faut donc tenir compte du temps de réponse, de la bande passante et la fréquence de coupure du capteur .

6)Stabilité

La stabilité qualifie la capacité d'un capteur à conserver ses performances pendant une longue durée ( problème de dérive du zéro par exemple ).

1.3) Types de capteurs :

1.3.1) Capteurs passifs

Il s’agit d’impédances (très souvent des résistances) dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.

Mesurande	Caractéristique électrique sensible	Types de matériaux utilisés
Température Très basse température	Résistivité Constante diélectrique	Métaux : platine, nickel, cuivre. Semi-conducteurs. Verres.
Flux lumineux	Résistivité	Semi-conducteurs.
Déformation	Résistivité Perméabilité magnétique	Alliages de nickel, silicium dopé. Alliage ferromagnétique.
Position (aimant)	Résistivité	Matériaux magnétorésistants : bismuth, antimoniure d’indium.
Humidité	Résistivité Constante diélectrique	Chlorure de lithium. Alumine ; polymères.

1.3.2) 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 Photoémission Effet photovoltaïque Effet photoélectromagnétique	Charge Courant Tension Tension
Force Pression Accélération	Piézoélectricité	Charge
Vitesse	Induction électromagnétique	Tension
Position (aimant)	Effet Hall	Tension

1.4) Grandeurs d’influence

Un certain nombre de paramètres d’environnement peuvent modifier les caractéristiques d’un capteur et parasitent la relation s=f(m) :

- la température ambiante

- le champ magnétique

- l’humidité

- la tension d’alimentation

Il est impératif que ces grandeurs interviennent le moins possible sur le capteur.

1.5) Transmetteur

Le transmetteur est un dispositif qui convertit le signal de sortie du capteur en un signal de mesure standardisé. Il fait le lien entre le capteur et le système de contrôle et de commande.

Ces principales fonctions sont :

- l ‘alimentation du capteur

- linéarisation du signal

- décalage du zéro

- mise à l’échelle (amplification)

II) Capteurs de position et de vitesse :

2.1) Les capteurs potentiométriques

a)principe :

ü Les capteurs potentiométriques servent à détecter une position ou un déplacement

ü Ils permettent de détecter un déplacement rectiligne ou angulaire

ü La rotation de son axe est liée à la variation de la résistance comprise entre le curseur et l'une de butées par rapport à sa résistance totale : on peut transmettre à distance, un signal électrique de tension proportionnel à la position de l'axe

a) potentiomètre

b) montage potentiométrique

c) montage en pont

Capteur potentiométrique

a) dispositif mécanique à détection de déplacement rectiligne

b) dispositif mécanique à détection de déplacement angulaire

Exemples d'applications

Détection d'erreur dans un servomécanisme de positionnement

Ø à l'aide d'un pont potentiométrique, on recueillit un signal d'erreur et on l'amplifie pour fournir un signal de correction.

Ø La branche de gauche du pont sert à donner la consigne (analogique à la position recherchée) et la branche de droite nous informe de la position d'un moteur réversible.

Ø Un signal d'erreur est disponible à la sortie lorsque le pont n'est pas balancé: Une correction dynamique sera effectuée tant que le signal d'erreur ne sera pas égal à zéro

b) caractéristique :

ü La linéarité d'un potentiomètre est une mesure de sa qualité à produire des variations égales de la tension sur le curseur pour des variations égales de la position de l'arbre : Pour un potentiomètre parfaitement linéaire, par exemple, la tension sur le curseur pour un angle de 90° sera exactement le double de celle correspondant à un angle de 45°.

ü L'erreur de linéarité est l'écart entre la valeur réelle et la valeur nominale, par rapport à l'alimentation (grandeur pleine échelle).

Exemple : pour une tension mesurée au centre d'un potentiomètre de 4,96V pour une alimentation de 10,0V, l'erreur de linéarité est de:

(potentiomètre au centre, valeur nominale = 5,0v)

Erreur de linéarité (%) = valeur nominale - valeur mesurée x 100

grandeur pleine échelle

Calcul de l'erreur de linéarité

2.2) Les capteurs de déplacement avec transformateur différentiel

Ø Les capteurs de déplacement rectiligne, souvent nommés LVDT « Linear Voltage Differential Transmitter », se composent de deux parties physiquement distinctes.

Ø Il s'agit du noyau mobile et d'une structure magnétique possédant un primaire et deux secondaires en sortie différentielle.

Ø La position du noyau dans le transformateur détermine la valeur des tensions induites aux deux secondaires du transformateur.

Ø La différence de tension (l'erreur) indique la position du noyau mobile.

Transformateur différentiel à déplacement linéaire

a) le noyau centré, il n'y a pas de signal d'erreur

b) le noyau décentré d'un côté, il y a production d'un signal d'erreur

Positionnement du noyau mobile

c) le noyau décentré de l'autre côté, il y a production d'un signal d'erreur

Positionnement du noyau mobile

Ø Pour la détection d'une position angulaire, on utilise le même principe avec une géométrie de transformateur différente.

Transformateur pour mesurer un déplacement angulaire

2.3) Les capteurs à effet Hall

Ø Un capteur à effet Hall est constitué d'une plaquette de semi-conducteur traversée par un courant. Cette plaquette, lorsque soumise à un champ magnétique permanent placé perpendiculairement, génère à des extrémités perpendiculaires, une différence de tension.

Principe d'un capteur à effet Hall

Ø Les applications les plus courantes sont la détection (absence ou présence) d'un champ magnétique par commutation de la sortie ou pour la détection de fin de course.

Ø La détection du déplacement ou de la position d’un élément ferromagnétique résulte en commutation de sortie.

Le TIL 170, avec sortie à collecteur ouvert, en est un exemple typique. Ce dernier, lorsque soumis à un champ magnétique supérieur à 25mTesla, commute sa sortie.

On peut trouver aussi des capteurs à effet Hall dont la fonction de transfert de tension de sortie est proportionnelle au champ magnétique détecté.

Les avantages des détecteurs à effet Hall sont les suivants:

· grande vitesse de commutation (jusqu'à 100kHz;

· pas de rebondissement mécanique;

· pas de détérioration des contacts;

· résistant à la corrosion;

· la sensibilité est assez grande, un faible champ magnétique (moins de 10mTesla) peut les actionner.

2.4) Les capteurs de vitesse de rotation

a)techniques de mesure de vitesse de rotation

ü Un générateur à courant continu sert de capteur de vitesse : Un générateur à courant continu est couplé mécaniquement à l'arbre du moteur dont nous voulons connaître la vitesse. Une tension continue, mesurée à la sortie du générateur, est directement proportionnelle à la vitesse de rotation.

ü L'arbre tournant entraîne une roue dentelée en matériel ferromagnétique :les dents de la roue influencent la réluctance d'un capteur magnétique qui réagit aux absences et aux présences successives du métal. Il suffit de mesurer la fréquence des variations d'inductance pour la traduire en tension proportionnelle.

ü Un détecteur optoélectronique utilise un disque transparent dont la périphérie est recouverte d'un fin réseau de barres noires opaques.

D'un côté du coupleur, on retrouve une diode émettrice, et de l'autre côté, un photodarlington. Lorsque les barres fines coupent le faisceau, il en résulte un signal de fréquence que nous traduisons en tension proportionnelle à l'aide d'un convertisseur fréquence - tension.

Techniques de mesure de la vitesse de rotation

Principe de la mesure de la vitesse par capteur optoélectronique

III) Les capteurs de température

Les capteurs de température se trouvent sous diverses formes en industrie:

· les systèmes de mesure mécaniques:

- lames bimétalliques (pyromètre à bilame);

- les thermomètres à bulbes ou à dilatation;

· les systèmes de mesure électrique:

- les diodes, les transistors et les transducteurs intégrés;

- les thermistances;

- les thermomètres à résistances RTD;

- les thermocouples;

· Les systèmes de mesure optique:

- les thermomètres à rayonnement;

- les thermomètres optiques.

3.1) Les thermistances

Ø Les thermistances sont des résistances sensibles à la température qui sont comprimées et moulées suivant différentes formes.

Ø Les thermistances sont habituellement insérées dans un circuit en pont dont la tension de sortie est fonction de la température, ou sur un diviseur de potentiel pour activer un circuit de comparaison.

Constitution : Elément sensible en platine dont la résistance varie selon la loi suivante :

Signal de sortie : Valeur ohmique variable associée à un conditionneur de sonde qui délivre une tension ( ex : 0-10V) ou un courant (ex: 4-20 mA)

Critère de choix :

ü Les thermorésistances sont employées pour des températures inférieures à 200°C. Leur temps de réponse est long.

ü On emploie surtout des thermistances à coefficient de température positif (CTP).

ü La plus employée est la sonde PT 100 dont la résistance vaut : R= 100 W à 0°C et R= 198,5 W à 100°C.

ü Pour des températures négatives ou très élevées, on emploi des thermocouples qui sont plus précis et qui ont un faible temps de réponse

Tableau des classifications

Métal	a (10^-3 °C^-1)	Plage d'utilisation °C	Température de fusion °C
Cuivre	3,93	-190/+150	1083
Nickel	5,37	-60/+180	1453
Platine	3,85	-60/+1100	1769

Différents types :

1-La thermistance CTP (coefficient de température positif) augmente sa résistance si la température s'élève et vice versa.

2-La thermistance CTN (coefficient de température négatif) diminue sa résistance si la température s'élève et vice versa.

La valeur nominale de la thermistance est fournie pour une température nominale de 25°C.

Formes et symboles des thermistances

Courbes typiques de thermistances CTN

Thermistances

3.2)Les capteurs au silicium basés sur le principe d’un diode zéner ont leur tension de zéner proportionnelle à leur température (sensibilité : 10mV/°C).

3.3) Les thermocouples

Effet Seebeck

Signal de sortie : Lorsque la température "q_c"est différente de la température "q_f", il apparaît une tension "e" proportionnelle à l'écart entre les deux températures.

Cette Tension "e" très faible (qq mV) est donc proportionnelle à la température mesurée.

Cette force électromotrice e dépend :

- De la nature des métaux de jonction;

- De la température

Ø Lorsque deux conducteurs de matériaux différents, sont reliés ensemble et que leurs points de jonction sont maintenus à des températures différentes, une force électromotrice est développée.

Ø Le thermocouple est constitué par deux fils de métaux différents réunis à une extrémité. Cette jonction est appelée « soudure chaude ».

L'autre extrémité, appelée « soudure froide », est utilisée comme référence. Lorsque chauffée, une tension proportionnelle à la différence de température entre la soudure chaude et la soudure froide est générée.

Ø Les tensions disponibles à la sortie du thermocouple sont de l'ordre du millivolt.

Ø Si la température de référence (jonction froide) est maintenue constante, la variation de la tension de sortie dépendra uniquement de la température à la jonction chaude.

Le thermocouple: symboles et principes

Ø Pour obtenir une tension de sortie exempte des fluctuations de la température ambiante, la jonction froide (référence) est maintenue artificiellement stable. Plusieurs techniques sont utilisées par les manufacturiers pour compenser la variation de la température ambiante. Citons quelques exemples:

· maintien de la température de référence (jonction froide) à 0°C;

· maintien de la température de référence (jonction froide) à la température ambiante;

· compensation thermique de la tension de sortie en fonction des fluctuations de la température ambiante.

Critère de choix :

-La norme définit une lettre selon le couple de matériau utilisé.

-La couleur des conducteurs est également normalisée.

-Les différentes sensibilités des thermocouples permettent un choix selon la gamme de mesure et la précision voulue.

Conclusion sur le choix des capteurs

Caractéristiques des capteurs de température

Tableau : Récapitulation des caractéristiques des capteurs de température
Capteur	Étendue de mesure	Précision relative à l'étendue de mesure	Sensibilité	Temps de réponse
Bimétal	-25°C à +500°C	1% à 2%	excellente	bon
Thermomètre à bulbe (à dilatation)	-50°C à +1000°C	0,5% à 2%	bonne	bon
Circuit intégré AD590	-55°C à +150°C.	0,3% à 0,5%	excellente	bon
Circuit intégré LM335	-40°C à +100°C	0,5 à 1%	excellente	bon
Thermistance CTN	-40°C à +200°C	0,2% à 2%	excellente	bon
RTD pt 100W	-180°C à +650°C	0,1%	bonne	excellent à bon
Thermocouple	-200°C à +2500°C	0,5% à 3,0%	bonne à passable	excellent à bon
Thermomètre à rayonnement	+200°C à +2500°C	0,2% à 0,5%	mauvaise	mauvais

Tableau : avantages et des désavantages des capteurs de températuress

Avantages:

· aucune source extérieure nécessaire;

· simple à utiliser;

· robuste;

· peu coûteux;

· grande variété;

· bontemps de réponse;

· grande plage de mesure de température.

Avantages:

· le plus stable;

· le plus précis;

· bonne sensibilité;

· assez large plage de mesure;

· plus linéaire que le thermocouple.

Avantages:

· tension de sortie assez élevée;

· temps de réponse rapide;

· mesure à deux fils;

· grande gamme de température;

· peu coûteux.

Avantages:

· le plus linéaire;

· très grande sensibilité;

· sortie directement en courant ou en tension;

· peu coûteux.

Inconvénients:

· non-linéaire;

· basse tension de sortie;

· jonction de référence nécessaire;

· peu stable;

· peu sensible.

Inconvénients:

· assez coûteux;

· meilleur avec source à courant;

· faible sensibilité;

· dissipation de chaleur interne qui peut influencer la mesure.

Inconvénients:

· non-linéaire;

· peu précis;

· fragile;

· dissipation interne qui influence la mesure;

· dissipation de chaleur interne qui peut influencer la mesure.

Inconvénients:

· température mesurée inférieure à 150°C;

· relativement lent;

· dissipation interne qui influence la mesure.

Critères de choix d’une dynamo tachymétrie

1. Qualités de la dynamo tachymétrie

Elle n'a pas besoin d'être alimentée

Elle existe en de nombreuses gammes : de 5V à 3000 tr.mn^-1 à plusieurs centaines de Volts à 3000 tr.mn^-1.

La dynamo tachymétrie est capable de délivrer une puissance faible, mais notable. Ceci lui permet d'intervenir directement comme grandeur de commande dans certains procédés.

Elle résiste bien aux températures élevées ( T>250°C), aux vibrations, aux champs magnétiques.

2. Défauts

La tension délivrée est ondulée, ce qui limite la précision.

Cette ondulation est lente à basse vitesse, ce qui complique le filtrage.

Les balais sont un facteur d'usure, et interdisent l'emploi en atmosphère explosible.

Le prix : de 450 à 900 Euros pour un modèle de milieu de gamme.

Exemple d’application :

Etuve : mesure de la température interne	Chaîne de traitement de surface	Banc Hydrotherm

Quelques photos constructeur :

Tableau des classifications

Symbole	Nature des matériaux	Plage de température °C	Sensibilité mV/°C	Code des couleurs
Symbole	Nature des matériaux	Plage de température °C	Sensibilité mV/°C	Norme CEI	Norme NF
K	+Chromel - Alumel	-180/+1350	41	+ Vert - Blanc	+Jaune - Rouge
J	+ Fer - Constantan	-180/+750	55	+ Noir - Blanc	+Jaune - Noir
E	+ Chromel -Constantan	-200/+600	68	+ Violet - Blanc	+Jaune - Violet
T	+ Cuivre - Constantan	0/+350	40	+ Marron - Blanc	+Jaune - Bleu
S	+ Platine/Rhodium - Platine	-50/+1700	12	+ Orange - Blanc	+Jaune - Vert
R	+ Platine/Rhodium - Platine	-50/+1700	14	+ Orange - Blanc	+Jaune -
B	+ Platine/Rhodium - Platine/Rhodium	-50/+1750	10	+ Gris - Blancs	Non normalisé

Quelques photos constructeur :

Mesure et détection des niveaux :

Un flotteur se maintient à la surface du liquide et il est rendu solidaire d'un capteur de position qui délivre le signal électrique correspondant au niveau. La mesure s'apparente ensuite à la mesure d'un déplacement ou la détection d'une position.

flotteur