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06 Déc 2020
Les Capteurs en Instrumentation industrielle
Les Capteurs en Instrumentation industrielle
1. Définition des capteurs :
La grandeur physique objet de la mesure : déplacement, température, pression, etc. est désignée comme le mesurande et représentée par m ; l’ensemble des opérations expérimentales qui concourent à la connaissance de la valeur numérique du mesurande constitue son mesurage. Lorsque le mesurage utilise des moyens électroniques de traitement du signal, il est nécessaire de produire à partir du mesurande une grandeur électrique qui en soit une représentation aussi exacte que possible : ceci signifie que la grandeur électrique et ses variations apportent toute l’information nécessaire à la connaissance du mesurande.
Les capteurs sont des dispositifs qui soumis à l’action d’un mesurande non électrique présentent une caractéristique de nature électrique (charge, tension, courant ou impédance) désignée par s et qui est fonction du mesurande : s = F (m), s étant la grandeur de sortie ou réponse du capteur, m est la grandeur d’entrée ou excitation.
La mesure de s doit permettre de connaître la valeur de m. La relation s = F (m) résulte dans sa forme théorique des lois physiques qui régissent le fonctionnement du capteur et dans son expression numérique de sa construction (géométrie, dimensions), des matériaux qui le constituent et éventuellement de son environnement et de son mode d’emploi (température, alimentation)
2.Les types des capteurs :
Capteur actif 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 prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement. Les plus classiques sont :
- Effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d’une force électromotrice e (T1, T2).
- Effet piézo-électrique : L’application d’une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraine l’apparition d’une déformation et d’une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.
- Effet d’induction électromagnétique : La variation du flux d’induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique.
- Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l’influence d’un rayonnement lumineux ou plus généralement d’une onde électromagnétique dont la longueur d’onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau.
- Effet Hall : Un champs B crée dans le matériau un champs électrique E dans une direction perpendiculaire.
- Effet photovoltaïque : Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d’une jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.
- Capteurs passifs :
Il s’agit généralement d’impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. La variation d’impédance résulte :
- Soit d’une variation de dimension du capteur, c’est le principe de fonctionnement d’un grand nombre de capteur de position, potentiomètre, inductance `a noyaux mobile, condensateur `a armature mobile.
- Soit d’une déformation résultant de force ou de grandeur s’y ramenant, pression accélération (armature de condensateur soumise `a une différence de pression, jauge d’extensiométrie liée à une structure déformable). L’impédance d’un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu’en intégrant le capteur dans un circuit électrique, par ailleurs alimenté et qui est son conditionneure
- Capteurs composites :
Pour des raisons de cout ou de facilité d’exploitation on peut être amené à utiliser un capteur, non pas sensible à la grandeur physique à mesurer, mais à l’un de ses effets. Le corps d’épreuve est le dispositif qui, soumis à la grandeur physique à mesurer produit une grandeur directement mesurable par le capteur.
3. Capteurs intégrés
C’est un composant réalisé par les techniques de la micro-électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium commun, le capteur à proprement dit, le corps d’épreuve et l’électronique de conditionnement.
3. Caractéristiques générales des capteurs
Pour tout capteur la relation s = F (m) sous sa forme numériquement exploitable est explicitée par étalonnage : pour un ensemble de valeurs de m connues avec précision, on mesure les valeurs correspondantes de s ce qui permet de tracer la courbe d’étalonnage ; cette dernière, à toute valeur mesurée de s, permet d’associer la valeur de m qui la détermine, S est la sensibilité du capteur.
Un des problèmes importants dans la conception et l’utilisation d’un capteur est la constance de sa sensibilité S qui doit dépendre aussi peu que possible :
- De la valeur de m (linéarité) et de sa fréquence de variation (bande passante) ;
- Du temps (vieillissement) ;
- De l’action d’autres grandeurs physiques de son environnement qui ne sont pas l’objet de la mesure et que l’on désigne comme grandeurs d’influence. En tant qu’élément de circuit électrique, le capteur se présente, vu de sa sortie :
- Soit comme un générateur, s’étant une charge, une tension ou un courant et il s’agit alors d’un capteur actif ;
- Soit comme une impédance, s’étant alors une résistance, une inductance ou une capacité : le capteur est alors dit passif.
Cette distinction entre capteurs actifs et passifs basée sur leur schéma électrique équivalent traduit en réalité une différence fondamentale dans la nature même des phénomènes physiques mis en jeu. Le signal électrique est la partie variable du courant ou de la tension qui porte l’information liée au mesurande : amplitude et fréquence du signal doivent être liées sans ambiguïté à l’amplitude et à la fréquence du mesurande.
Un capteur actif qui est une source, délivre immédiatement un signal électrique ; il n’en est pas de même d’un capteur passif dont les variations d’impédance ne sont mesurables que par les modifications du courant ou de la tension qu’elles entraînent dans un circuit par ailleurs alimenté par une source extérieure. Le circuit électrique nécessairement associé à un capteur passif constitue son conditionneur et c’est l’ensemble du capteur et du conditionneur qui est la source du signal électrique.
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