Principaux capteurs
Introduction
Définition
Un capteur est un composant de la chaîne d'information ayant pour fonction d'acquérir des informations sur l'état de la chaîne de puissance d'un système et sur son environnement extérieur. Pour cela, il génère un signal exploitable (très souvent électrique) à partir d'une grandeur physique mesurable appelée mesurande (position, vitesse, pression, température, intensité lumineuse, champ magnétique, etc).
Les capteurs agissent sur une matière d'œuvre de type informationnel. Ils sont classés selon la nature de l'information délivrée : analogique ou discrète (numérique ou logique).
Exemple :
Caractérisation des capteurs
Caractéristiques générales
Étendue de mesure : il s'agit de la plage de valeurs possibles du mesurande \(m\) : \(EM =m_{max}-m_{min}\).
Sensibilité ou gain : elle traduit la capacité du capteur à détecter la plus petite variation possible du mesurande, et est la pente de la caractéristique entrée/sortie du capteur (exemple : \(10mV/ ^\circ C\) pour un capteur de température). Plus un capteur est sensible plus la mesure pourra être précise.
Résolution : plus petite variation du mesurande mesurable par le capteur.
Erreurs
Fondamental : Principales caractéristiques d'un capteur
Fidélité : un capteur est fidèle si ses valeurs ne changent pas au cours du temps (mesures reproductibles).
Justesse : un capteur est juste si ses valeurs ne changent pas quand on les compare à des valeurs étalon, ou à des valeurs données par d'autres capteurs normalisés.
Précision : aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie. Elle réunit la justesse et la fidélité.
Étalonnage
L'étalonnage permet d'ajuster et de déterminer, sous forme graphique ou algébrique, la relation entre la grandeur physique mesurée et la grandeur électrique de sortie. Très souvent l'étalonnage n'est valable que pour une seule situation d'utilisation du capteur.
Finesse
La présence du capteur peut perturber le phénomène physique mesuré. La finesse est une spécification qui permet d'estimer l'influence de la présence du capteur et de ses liaisons sur la valeur de la grandeur mesurée. La finesse est d'autant plus grande que l'influence du capteur est faible
Détecteurs de présence
Avec contact : les détecteurs mécaniques
Les détecteurs mécaniques de position, appelés aussi interrupteurs de position, sont surtout employés dans les systèmes automatisés pour assurer la fonction détecter les positions. On parle aussi de détecteurs de présence. Ils sont réalisés à base de micro-contacts placés dans un corps de protection et muni d'un système de commande ou tête de commande.
Détecteurs de présence sans contact
Détecteur photoélectrique
Un détecteur photoélectrique est constitué d'un émetteur et d'un récepteur de lumière, éventuellement dans le même boîtier. Il délivre une information à chaque fois que le faisceau est interrompu par un obstacle. Afin de rendre le dispositif insensible à la lumière ambiante, l'émission de lumière se fait à fréquence fixe (infrarouge par exemple).
Détecteur de proximité inductif (DPI)
Ces détecteurs fonctionnent grâce à la variation d'un champ électromagnétique perturbé par la proximité d'un objet métallique. La distance de détection varie de 1 à 60 mm selon le type de capteur, les conditions d'utilisation et le matériau de l'objet à détecter. Ils supportent bien les milieux humides et poussiéreux.
Détecteur de proximité capacitif (DPC)
Ces capteurs détectent des matériaux de tout nature. Ils sont plus spécifiquement employés pour détecter des éléments non conducteurs, non détectés pas les DPI. Ils sont très sensibles à la poussière et leur distance de détection est relativement faible.
Ils sont donc délicats à mettre en œuvre et ne sont employés que lorsqu'il n'est pas possible d'utiliser une autre technologie.
Détecteurs de proximité à ultrasons
La technologie ultrason permet de s'affranchir pour l'objet à détecter, du type de matériau, de sa couleur, de sa forme ainsi que des conditions d'ambiances. Le détecteur ultrason est « Plug and Play », pas de réglage, pas d'apprentissage, pas d'ajustement dans le temps.
L'interrupteur à lame souple (ILS)
Ce capteur comporte une lame souple sensible qui se déforme lorsqu'un aimant est placé à proximité, fermant un circuit électrique. Ce capteur se monte directement sur un vérin (un aimant doit bien entendu être monté sur le piston).
Capteurs de position
Potentiomètres linéaires (ou rectilignes) et potentiomètres rotatifs (ou angulaires)
Un curseur se déplace sur une piste résistive. En fonction de la position du curseur sur la piste, la résistance aux bornes du potentiomètre varie. Le potentiomètre forme un pont diviseur de tension. La sortie est une tension. La course (= amplitude du déplacement du curseur) de ce type de capteurs est limitée.
Le codeur incrémental
Un faisceau lumineux traverse un disque alternativement transparent et opaque. Un récepteur photo-électrique à l'opposé du disque récolte le signal de sortie. Une deuxième piste décalée de la première permet de connaître le sens de rotation. Ce capteur ne permet que des mesures de déplacement relatif et ne renseigne pas sur la position absolue.
Le codeur absolu
Un codeur absolu possède un grand nombre de pistes permettant de déterminer la position absolue d'une pièce liée au disque au cours de sa rotation. S'il possède n pistes cela permet d'avoir 2n positions pour un tour. L'information délivrée est de type numérique.
La piste centrale est la piste principale, elle détermine dans quel demi-tour la lecture est effectuée. La piste suivante détermine dans quel quart de tour on se situe, la suivante le huitième de tour etc. Plus il y aura de pistes plus la lecture angulaire sera précise.
Capteurs de vitesse
Génératrice tachymétrique
La mesure directe de la vitesse de rotation s'effectue par le biais d'une génératrice tachymétrique, qui délivre à ses bornes une tension proportionnelle à la vitesse de rotation de son rotor (moteur à courant continu inversé).
Codeur incrémental
Un codeur incrémental peut donner, par mesure de la fréquence des signaux de sortie, une image de la vitesse angulaire.
Capteur de vitesse et déplacement embarqué
Le capteur LFIIP, équipé d'une technologie IR LEDs (Infrarouge à diode électroluminescente), mesure la vitesse entre 0,3 et 400 km/h et la distance parcourue. Sa précision est de 0,1 km/h et 0,1% en mesure de distance. Très robuste et léger (250g), il est par exemple installé sous châssis ou sous nez de Formule 1. Les parties optiques sont faces à la route, le cylindre vers l'avant.
Capteurs d'accélération
Un capteur d'accélération, ou accéléromètre, est basé sur le Principe Fondamental de la Dynamique appliqué à la masse sismique du capteur (\(\vec F_{ext \rightarrow S}=m.\overrightarrow{\Gamma}_{G\in S /Rg}\)).
Ce principe de base peut être décliné par un système masse/ressort ou un système pendulaire. Un accéléromètre est toujours composé d'une masse sismique qui lorsqu'elle est soumise à une accélération va se déplacer. Un élément sensible utilisant des technologies très différentes suivant les cas permet de mesurer ce déplacement et d'en déduire l'accélération galiléenne à laquelle est soumis le capteur.
Il existe un grand nombre d'accéléromètres différents : à détection piézoélectrique, à détection piézorésistive, à jauge de contrainte, à détection capacitive, à détection inductive, à détection optique, à poutre vibrante ou encore à ondes de surface. Ils peuvent mesurer l'accélération sur 1, 2 ou 3 axes.
Capteurs d'effort
Capteurs piézo-électriques
La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains matériaux (le quartz par exemple) de se polariser électriquement sous l'action d'une contrainte mécanique et réciproquement de se déformer lorsqu'on leur applique un champ électrique.
De façon simple, on peut retenir que la charge électrique \(Q\) (Coulomb) qui apparaît sur les électrodes du capteur est proportionnelle à l'effort \(F\), soit \(Q = kF\) avec \(k\) de l'ordre de \(10.10^{-10} \; C.N^{-1}\)
Capteurs à jauge de contrainte
De son vrai nom : capteur à jauges d'extensiométrie. La force appliquée sur un corps d'épreuve le déforme et entraîne la déformation des jauges d'extensiométrie (ou de contrainte) collées sur celui-ci. Ceci provoque des variations de la résistance des jauges, cette variation très faible est convertie en tension et amplifiée.
La tension de sortie est proportionnelle à la force appliquée.
Capteurs de température
Thermistance
Une thermistance est un dispositif semi-conducteur composé d'oxydes métalliques compressés à hautes températures pour leur donner la forme d'une petite bille, d'un disque, d'une plaque ou toute autre forme. Enfin, elles sont recouvertes d'époxy ou de verre.
La valeur de leur résistance est une fonction de la température, croissante (CTP : coefficient de température positif) ou décroissante (CTN).
Le thermomètre à résistance de platine
Le thermomètre à résistance de platine, plus connu sous le nom PT100 (\(100 \Omega\) à \(0 °C\)), est une thermistance. Le platine permet une bonne reproductibilité du comportement du capteur et permet son échange sans ré étalonnage.
Thermocouple
Les thermocouples sont les capteurs les plus souvent utilisés pour la mesure de températures, car ils sont relativement peu onéreux, tout en étant précis, et peuvent fonctionner sur une large gamme de températures. Un thermocouple est créé lorsque deux métaux différents entrent en contact, ce qui produit, au point de contact, une faible tension en circuit ouvert qui correspond à la température. Il est alors possible utiliser cette tension thermoélectrique, communément appelée tension « Seebeck », pour calculer la température.
Thermomètre infrarouge
Un thermomètre infrarouge est un instrument de mesure de la température de surface d'un objet à partir de l'émission de lumière de type corps noir qu'il produit. Un thermomètre est parfois appelé à tort thermomètre laser s'il est aidé d'un laser pour viser, ou encore thermomètre sans contact pour illustrer sa capacité à mesurer la température à distance. On utilise également le terme de pyromètre de manière à exprimer la différence avec un thermomètre à contact classique puisqu'il mesure le rayonnement thermique émis et non la température elle-même.
En connaissant la quantité d'énergie émise par un objet, et son émissivité, sa température peut être déterminée.
