Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 7 Département d’Electronique, Université de BATNA2
LES CAPTEURS
II-1- INTRODUCTION
Le capteur constitue l’élément essentiel dans une chaîne de mesure. Il occupe la
première position dans une chaîne de mesure. Un capteur a comme fonction
principale la conversion de la grandeur à mesurer, qui est en générale une grandeur
non électrique (mesurande), en une grandeur facilement manipulée par l’élément
final d'une chaîne de mesure.
On assiste aujourd’hui à une évolution technologique considérable, où le côté
assistance humaine est progressivement remplacé par des machines intelligentes.
Ces machines sont capables de traiter l’information et de prendre des décisions
adéquates selon la nature de l’application programmée. C’est dans cette optique
que le développement des capteurs a évolué. Il permet de réaliser des mesures plus
performantes et surtout, il donne une traduction plus proche de la grandeur à
mesurer.
En dehors de la nature des grandeurs à mesurer, les capteurs peuvent être classés
dans deux grandes catégories : capteurs passifs et capteurs actifs. Cette
classification est liée au comportement du capteur de point de vue énergétique.
II-1-1 CAPTEURS PASSIFS
Le terme passif est tiré de la caractéristique de l’élément passif R, L ou C qui
constitue la partie essentielle du capteur. L'élément passif constituant le capteur,
change de valeur suivant l’intensité de la grandeur non électrique qui lui est
appliquée. Par conséquent, on peut conclure que ce genre de capteurs ne font que :
Dissiper de l’énergie (cas de R)
Emmagasiner de l’énergie électromagnétique ½ LI2 (cas de L).
Emmagasiner de l’énergie électrostatique ½ CV2 (cas de C).
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 8 Département d’Electronique, Université de BATNA2
En général, la réponse de tels types de capteurs est due essentiellement à une
modification au niveau de ses dimensions, ou sur des propriétés électriques des
matières qui le constituent (résistivité, perméabilité, permittivité…).
II-1-2 CAPTEURS ACTIFS
Ce sont des capteurs qui, suite à l’action de la contrainte non électrique, génèrent
une énergie électrique. Nous pouvons les définir aussi comme étant des sources
d’énergie électrique commandées par des grandeurs non électriques. Le principe de
fonctionnement de ces capteurs peut être considéré à titre d’exemple comme une
conséquence de l’un des effets suivants :
Effet piézo-électrique.
Effet Hall.
Effet photoélectrique.
Effet thermoélectrique.
Nous nous limitons dans les paragraphes qui suivent à la présentation des capteurs
de déplacement et de température. L'étude est limitée à ce genre de capteurs,
parce que la mesure de la majorité des autres grandeurs physiques ''force, pression,
vitesse, accélération…." peut être déduite de la mesure de déplacement ou de la
mesure de la température.
II-2- CAPTEURS DE DEPLACEMENT
Le contrôle de déplacement d’un objet est d’une très grande importance pour les
sciences expérimentales. Par la mesure de déplacement, nous pouvons directement
déduire la vitesse, l’accélération, couple, force et pression. Par conséquent, l'étude
de capteurs de déplacement est très utile. Ce déplacement peut être rectiligne ou
angulaire.
II-2-1- CAPTEUR RESISTIF.
Le capteur est un potentiomètre. C’est le type de capteur de déplacement le moins
cher. Son fonctionnement est basé sur le principe de diviseur de tension. Le
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 9 Département d’Electronique, Université de BATNA2
potentiomètre est alimenté par une tension connue entre ses deux bornes fixes,
alors que sa troisième borne (curseur) est liée à l’objet mobile. Il peut y avoir deux
types de capteurs: capteur rectiligne et capteur angulaire.
II-2-1-1- CAPTEUR RECTILIGNE
Le terme rectiligne associé à ce capteur, indique la nature de la piste résistive. Cette
dernière constitue un segment de droite dont la longueur détermine le
déplacement maximale mesurable. La figure-2-1 représente le schéma de principe
de ce capteur. La borne trois (3) est un curseur. Il est connecté à la partie dont on
veut mesurer le déplacement.
Fig-2-1 Capteur potentiométrique rectiligne
Son principe est basé sur l'application d'une tension de référence, continue ou
alternative, entre les bornes (1) et (2). Pour chaque position du curseur, borne (3),
correspond une fraction de la tension totale. Cette fraction est l'image du
déplacement effectué. Elle est exprimée par:
V R
II-2-1-2- CAPTEUR ANGULAIRE
Un capteur de déplacement est dit angulaire à cause de la forme de sa piste
résistive. L'avantage de ce type de capteur réside dans leur emploi dans les
déplacements angulaires et les déplacements rectilignes. Pour un même
déplacement maximal à mesurer, les potentiomètres angulaires présentent des
dimensions plus réduites que les potentiomètres rectilignes.
1 2
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 10 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Ils existent deux types de capteurs potentiométriques angulaires: les capteurs
circulaires et les capteurs hélicoïdaux.
a- Capteur circulaire
Le principe de fonctionnement du capteur circulaire est le même que celui décrit
dans le cas du potentiomètre rectiligne. La seule différence entre les deux, est que
dans le cas d'un capteur circulaire la position du curseur est définie par un angle. La
figure-2-2 représente la structure d'un tel capteur.
NRR N
b- Capteur hélicoïdal
En réalité un capteur hélicoïdal est l'association de plusieurs capteurs circulaires,
figure-2-3. L'importance de ce dernier réside dans la possibilité de mesurer des
déplacements angulaires allant au delà de 360°.
La formule liant la résistance provoquée par un déplacement et la résistance totale
est donnée par:
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 11 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Fig-2-3 Capteur potentiométrique de déplacement " Potentiomètre Hélicoïdal "
Où M 360°
Remarque
Les potentiomètres résistifs exigent un contact permanent du curseur avec la piste.
Ceci réduit leur durée de vie. Dans certains cas, où la durée de vie est critique, on
doit faire appel à des capteurs où la variation s'effectue sans contact, tels que les
capteurs capacitifs ou inductifs.
II-2-2 CAPTEUR CAPACITIF.
Un condensateur est caractérisé par sa capacité C. Il peut y avoir des condensateurs
plans ou cylindriques dont les capacités sont exprimées par:
d
S = section des deux parties en regard des deux armatures.
d = La largeur du diélectrique séparant les deux armatures.
r = permittivité relative du diélectrique.
r r
RN ( M)
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 12 Département d’Electronique, Université de BATNA2
L = longueur des deux parties en regard des deux cylindres.
rex = rayon du cylindre extérieur.
rin= rayon du cylindre intérieur.
Nous constatons des deux formules (5) et (6) que la capacité C peut être modifiée
en jouant sur: S ou d pour le condensateur plan, et sur L pour le condensateur
cylindrique.
II-2-2-1 CAPTEUR CAPACITIF A ECARTEMENT VARIABLE
La figure-2-4 représente un capteur constitué d’un condensateur plan. L’élément
mobile dont on veut contrôler le déplacement est connecté à l’une des armatures
A1 ou A2. L’écartement au repos, entre les deux armatures est D0. Un déplacement d
correspond à un écartement :
D = D0+d D
Fig-2-4 Capteur capacitif de déplacement " Condensateur à écartement variable "
Concernant la figure-2-5, un condensateur capacitif différentiel est alimenté par une
tension sinusoïdale. L’élément mobile est connecté à l’armature du milieu A3. Au
repos A3 est placée au milieu, entre les deux armatures. Par conséquent, les
capacités C13 et C23 , capacités formées respectivement par A1 - A3 et A2-A3, sont
égales et les tensions entre leurs bornes sont égales, d’où une tension différentielle
nulle.
Pour un déplacement quelconque, la tension différentielle prend une valeur positive
dans un sens et une valeur négative dans l’autre sens.
d
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 13 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Fig-2-5 Capteur capacitif différentiel de déplacement
" Condensateur à écartements variables "
II-2-2-2 CAPTEUR CAPACITIF A SECTION VARIABLE
La figure-2-6 montre un capteur capacitif, dont la capacité dépend des sections des
parties en regard des deux armatures. La valeur de cette capacité peut être
modifiée par simple rotation de l’une des deux armatures.
La capacité d’un condensateur circulaire est définie par :
d 360 r
d : écartement entre les deux armatures.
: angle d’ouverture des deux parties en regard.
Fig-2-6 Capteur à condensateur rotatif.
" Condensateur à sections variables "
Sur la figure-2-7, nous avons montré un montage différentiel d’un capteur capacitif
à trois armatures, deux fixes et une mobile ou active. Dans ce cas le déplacement
d’un élément mobile entraîne le déplacement de l’armature active du
M A1 A2
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 14 Département d’Electronique, Université de BATNA2
condensateur. La variation des deux capacités C13 et C23 est une variation
différentielle. La tension prélevée au niveau de l’armature mobile est directement
liée aux valeurs prises par C13 et C23.
Fig-2-7 Capteur capacitif de déplacement
" Condensateur à sections variables "
II-2-3- CAPTEUR INDUCTIF.
L’élément actif dans les capteurs inductifs est une bobine. La grandeur physique à
mesurer, qui est dans notre cas un déplacement, agit sur la surface ou sur la
longueur d’un circuit magnétique.
Ce changement au niveau du circuit magnétique est traduit par une variation de :
L’inductance L dans le cas d’une bobine isolée.
L’inductance L et l’inductance mutuelle M dans le cas d’un circuit couplé.
Nous nous limitons à présenter dans cette partie le transformateur différentiel. Ce
dernier est très utilisé à cause de sa simplicité au niveau du montage, et surtout de
son isolation galvanique entre l’excitation et la charge.
De la figure-2-8, nous constatons que la tension induite aux bornes de R peut être
calculée par l’application de la loi des mailles. Les secondaires du transformateur,
sont montés de façon que les f.e.m induites soient en opposition de phases. Sachant
que R représente la résistance d’entrée d’un instrument de mesure ou d’un
amplificateur d’instrumentation. Par conséquent, sa valeur est trop grande par
A 2 f
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 15 Département d’Electronique, Université de BATNA2
rapport à celles des impédances des secondaires. Dans le cas d’une excitation
sinusoïdale, nous pouvons écrire :
Maille secondaire (ZL1 + ZL2 + R)I2 + j (M1-M2) I1 =0 (10)
Et avec l’approximation de ZL >> j (M1-M2), nous obtiendrons :
V(t) Z
M2
L
L1
L2
M1
R
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 16 Département d’Electronique, Université de BATNA2
II-3- CAPTEURS DE TEMPERATURE
Le contrôle de la température a été depuis toujours le plus répandu. La mesure de
température dans un processus industriel est indispensable. La température est un
moyen de diagnostic de pannes, sa croissance excessive indique: fatigue, surcharge
ou court-circuit, dysfonctionnement d'un système de refroidissement, etc…
Il y a trois types principaux de capteurs de température:
Thermomètres à résistances
Thermocouples
II-3-1- THERMOMETRES A RESISTANCES
Ces capteurs consistent à employer des métaux purs dont la résistivité varie
rapidement avec la température " 0,3 à 0,6 % par °K à la température ambiante ".
Les métaux, généralement employés dans la fabrication de ces capteurs, sont le
cuivre, le nickel et le platine.
Les résistances en cuivre présentent une bonne linéarité pour les basses
températures. Leur emploi est limité par les faibles valeurs de résistivité qu'ils
présentent, et surtout le risque d'oxydation qui peut y avoir pour les hautes
températures.
Bien que le nickel présente un coefficient de multiplication de sa résistance de
1,617, pour une température allant de 0 à 100°C, il est instable. Son emploi se limite
à des températures supérieures ou égales à 0°C et inférieures ou égales à 120°C.
Le platine peut être obtenu avec une pureté de 99,99%. A cause de sa très grande
stabilité, le platine pur a été utilisé dans la mesure des températures dans un large
domaine. Le capteur en platine consiste en un fil bobiné placé dans une capsule en
verre. Cet enrobage du fil de platine, permet sa protection contre les effets
chimiques et contre les chocs. Ainsi, on obtient des sondes thermométriques qui
peuvent être placées dans des endroits perturbés.
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 17 Département d’Electronique, Université de BATNA2
La résistance en platine peut être exprimée en fonction de la température suivant la
loi de CALLENDAR-VAN DUSEN, donnée par:
3
0
: prend la valeur 0 pour les températures positives.
De l'équation (12), il peut être noté que la relation liant la résistance et la
température, est une relation non linéaire. Cependant, pour les températures
basses " 0 °C à 100 °C " la relation (12) peut être ramenée à une relation linéaire:
RT = R0 (1+ T) (13)
Le tableau-2-1 donne les coefficients de température pour les métaux utilisés.
Comme il peut être remarqué sur ce tableau que tous les coefficients sont positifs.
Ceci indique que les résistances de ces métaux croissent avec la température. Ainsi
pour une sonde en platine de résistance 100 à 0 °C aura une résistance de 139 à
100 °C.
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 18 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Les courbes du graphe donné sur la figure 2-9 montrent clairement la variation de la
résistance des trois matériaux en fonction de la température.
Fig-2-9 Variation de la résistance en fonction de la température
Pour le Cuivre, le Nickel et le platine
II-3-2- THERMISTANCES
Les thermistances, ou thermomètres à semi-conducteur, sont des capteurs de
température, qui présentent une variation rapide et importante de résistances
pour de faibles variations de la température. Par comparaison avec les résistances
des métaux mentionnés auparavant, les thermistances ont des résistances qui
décroissent pour une augmentation de la température.
On appelle les thermistances résistances à coefficient de température négatif ‘‘ CTN
’’. Les thermistances sont constituées par des mélanges d’oxydes métalliques semi-
conducteurs, tels que MgO, MgAI2O4, Fe3O4…
La relation liant les résistances des thermistances à la température, est une relation
non linéaire. Cette relation est une exponentielle sous la forme :
eA R T B
Nickel Cuivre
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 19 Département d’Electronique, Université de BATNA2
T : température en Kelvin.
RT : résistance à la température T.
A et B : des constantes qui dépendent de la thermistance en
question.
Généralement, les catalogues ne mentionnent pas la valeur de A. Seules B et RT0,
résistance à T0, sont données. Il serait dans ce cas indispensable d’utiliser une
deuxième formule pour le calcul de RT. Cette formule est exprimée par :
) T B
T B(
TT 0
0 eRR (15)
Comme exemple, prenons la thermistance GL23, qui est définie par une résistance
de 2K à 20 °C et par une constante de température B=3125 K.
Le tableau-2-2 ci-dessous donne des valeurs de R pour différentes températures.
Température (°C) 0 10 20 30 40 50 100
R en K 4,37 2,91 2,00 1,41 1,01 0,74 0,20
Tab-2-2 Valeur de R pour la GL23 pour différentes températures
II-3-3- THERMOCOUPLE
II-3-3-1- EXPERIENCE DE SEEBECK
La figure-2-10 illustre une expérience réalisée par Seebeck dans les années 1820.
L’expérience consiste à connecter une barre de bismuth à un galvanomètre par
l’intermédiaire de fils de cuivre. Seebeck a découvert que si une jonction bismuth-
cuivre est chauffée tandis que l’autre est maintenue froide, le galvanomètre indique
le passage d’un courant électrique suivant un sens bien déterminé tel qu’il montré
par la déviation sur La figure 2-10.
C’est ainsi que l’effet thermoélectrique a été découvert. Seebeck a aussi constaté
que cet effet ne se limite pas à la paire bismuth-cuivre, mais il peut être obtenu par
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 20 Département d’Electronique, Université de BATNA2
des jonctions formées par différents métaux. Une paire de métaux avec leurs
jonctions maintenues à des températures différentes, forment un THERMOCOUPLE.
Si on met en contact deux différents métaux pour former une jonction, une f.e.m
apparaît au niveau de la jonction, appelée potentiel de contact.
Fig-2-10 Expérience de SEEBECK
La mesure des températures par thermocouple consiste à mesurer la f.e.m
développée au niveau de la jonction active ou chaude. En réalité un thermocouple
est constitué de deux jonctions, une jonction active et une jonction de référence. La
référence doit être connue et maintenue fixe. Généralement, la jonction de
référence est maintenue à une température fixe, au environ de 0 °C.
Fig-2-11 Introduction d’un troisième métal
Par connexion d’un appareil de mesure
Lier un appareil de mesure à un thermocouple, c’est introduire un troisième métal.
D’autres f.e.m seront développées au niveau des jonctions ainsi formées, tel qu’il
est montré sur la figure-2-11. La tension indiquée dans ce cas est donnée par :
(V1+V3) - (V2+V4) (16)
V
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 21 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Comme il peut être vu dans la relation (16) que la mesure serait affectée d’une
erreur due aux tensions V3 et V4. Pour réduire au maximum cette erreur, il faut que
les deux jonctions formées par les métaux B et C soient maintenues à la même
température. Ils sont enfermés dans un boîtier suivant la structure donnée sur la
figure 2-12.
Les thermocouples sont regroupés dans des catégories selon un standard
international. Le tableau-2-3 donne la gamme de températures pour certains
thermocouples standards.
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 22 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Type du
30% 38 1800
Rhénium 26%- 0 2300
R Platine – Platine Rhodium 13% 0 1593
S Platine – Platine Rhodium 10% 0 1538
T Cuivre - Constantan -184 400
Tab-2-3 Gammes te température pour thermocouples standards
Pour en avoir une idée sur la variation de la tension de sortie d’un thermocouple et
surtout son ordre de grandeur, Le tableau-2-4 résume la réponse de certains
thermocouples pour une référence maintenue à 0 °C.
T
(°C)
0 0 0 0 0 0 0
100 6,3 5,3 4,1 0,7 0,7 4,3
200 13,7 11,0 8,2 1,5 1,5 9,5
300 21,2 16,,5 12,3 2,4 2,4 15,0
400 28,9, 21,8 16,4 3,4 3,2 20,8
500 36,9 27,3 20,6 4,5 4,2
Tab-2-4 Réponses de certains types de thermocouples
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 23 Département d’Electronique, Université de BATNA2
L’amplitude de la tension délivrée par un thermocouple est très faible. Pour qu’elle
puisse être manipulée par des circuits auxiliaires, il faut qu’elle soit amplifiée. Ce qui
nécessite un amplificateur d’instrumentation avec un gain en tension importante et
une très grande impédance d’entrée Ze. Cette dernière caractéristique, Ze très
grande, est surtout recherchée pour que le signal de sortie du capteur ne soit pas
atténué avant l’amplification.
II-4- autres types de capteurs
Dans cette partie nous essayons de donner quelques montages montrant des
capteurs dans la mesure de certaines grandeurs physiques ou électriques. La
première catégorie de capteurs est basée sur l’emploi de la fibre optique. Tout
d'abord la fibre optique est un excellent isolant, ce qui permet de l'utiliser à haut
potentiel sans aucun risque de décharge avec la terre.
Elle est de plus insensible aux champs électromagnétiques perturbateurs, la mesure
est déduite de la polarité de l’onde optique à l’intérieur de la fibre. En effet, Les
capteurs de courant optiques exploitent l'effet Faraday, pour lequel une fibre
optique soumise à un champ magnétique voit l'état de polarisation de l'onde
transmise tourner d'un angle proportionnel au champ magnétique, ce dernier étant
lui-même proportionnel au courant électrique à mesurer.
La petite taille de la fibre optique permet de concevoir des capteurs légers et moins
encombrants tout en en maintenant les performances des capteurs classiques, eux-
mêmes lourds et volumineux. Autres avantages de la fibre optique est son
installation simple et rapide qui peut s’effectuer sans arrêt du circuit électrique à
mesurer.
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 24 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Fig. –II- 13 Mesure optique de la température
Fig. -2-14 Mesure optique de hautes tensions
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 25 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Fig. -2-15 Deux ensembles de conducteurs transportant chacun 50 kA ainsi que la
fibre de mesure en jaune.
Fig. -2-16 mesure différentielle entre les deux ensemble de conducteurs.
La fibre entoure les conducteurs en faisant un 8.
II-4 Capteur de pression
Fibre optique
Fibre optique
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 26 Département d’Electronique, Université de BATNA2
La pression est définie comme étant le rapport d’une force F à une surface qui lui
est perpendiculaire telle qu’il est exprimé par la l’équation suivante :
S FP avec P en Pascal, F en Newton et S en mètre carré
Du moment que dans le cas réel, les capteurs sont soumis à la pression
atmosphérique, on parle généralement de la pression relative. Cette dernière
représente la différence de pression par rapport à la pression atmosphérique.
Le pascal (Pa) correspond à l’unité de la pression dans le Système International (S.I.).
De l’équation donnée ci-dessus, on constate que le pascal définit une pression
uniforme provoquée par une force de 1 N sur une surface de 1 m2. Etant donné que
le la pression d'un pascal étant relativement faible on préfère utiliser dans le milieu
industriel une autre unité multiple qui est donnée par le bar. Le tableau ci-dessous
donne quelques unités de pression.
pascal (Pa) bar (b) atmosphère 1 pascal 1 10-5 9,869 10-6 1 bar 105 1 0,987167 1 kgf/cm2 98039 0,9803 0,968 1 atmosphère 101 325 1,0133 1 1 cm d'eau 98,04 980 10-6 968 10-6 1 mm de Hg 133 1,333 10-3 1,316 10-3 1 mb 102 10-3 987 10-6
Tube de bourdon
La pression dans le tube modifie le rayon de courbure de celui-ci La déformation du tube est proportionnelle à la pression dans le tube Un dispositif à engrenage permet d’effectuer une lecture de la valeur Inventé par Eugène Bourdon (1808-1884)
0
Principe de base d’une chaine de mesure Les Capteurs
Par Prof. Ahmed. LOUCHENE 27 Département d’Electronique, Université de BATNA2
Manomètres à membranes
• La pression déforme une membrane • La déformation est proportionnelle à la différence de pression de chaque coté de la membrane • Un dispositif à engrenage permet une lecture de la pression
Les jauges de contraintes en cours de préparation