Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation d'une aiguille…. On fait souvent (à tort) la confusion entre capteur et transducteur : le capteur est au minimum constitué d'un transducteur (Un transducteur est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre.).

Le capteur se distingue de l'instrument de mesure (En physique et en sciences de l’ingénieur, mesurer consiste à comparer une grandeur physique qui caractérise un objet (ou un événement) avec...) par le fait qu'il ne s'agit que d'une simple interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) entre un processus physique (La physique (du grec φυσικη) est étymologiquement la science de la nature. Son champ d'application actuel est néanmoins plus restreint : la physique décrit...) et une information manipulable. Par opposition, l'instrument de mesure est un appareil autonome se suffisant à lui-même. Il dispose donc d'un affichage (L' affichage désigne l'application d'une surface de papier script dans un lieu public(et non du foyer)sur un support destiné à son émission, externe ou interne, ce qui en fait un média à part entière sans contexte...) ou d'un système de stockage des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). Ce qui n'est pas forcément le cas du capteur.

Les capteurs sont les éléments de base des systèmes d'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de données. Leur mise en œuvre est du domaine de l'instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :).

Classification

Les capteurs ont plusieurs modes de classification :

Apport énergétique

Capteurs passifs

Ils n'ont pas besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins...) d'apport d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) extérieure pour fonctionner (exemple : thermistance, potentiomètre, thermomètre (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer des températures. C'est le domaine d'étude de la thermométrie.) à mercure…). Ce sont des capteurs modélisables par une impédance (Le terme Impédance est utilisé dans plusieurs domaines:). Une variation du phénoméne physique étudié (mesuré) engendre une variation de l'impédance.

Capteurs actifs

ils sont constitués d'un ou d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble, désigne intuitivement une collection d’objets (que l'on appelle éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait, le créateur de...) de transducteurs alimentés (exemple : chronomètre mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de...), jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par exemple : La jauge de contrainte, traduisant un effort mécanique en résistance...) d’extensométrie (L'extensométrie est la mesure des déformations.) appelée aussi jauge de contrainte, gyromètre…). Ce sont des capteurs que l'on pourrait modéliser par des générateurs comme les systemes photovoltaïques et electromagnétiques. Ainsi ils générent soit un courant, soit une tension (La tension est une force d'extension.) en fonction de l'intensité du phénoméne physique mesuré.

Type de sortie

Les capteurs peuvent aussi faire l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les...) d'une classification par type de sortie:

Capteurs analogiques

Le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés...) des capteurs numériques peuvent être du type :

• sortie tension
• sortie courant
• règle graduée
• ...

Quelques capteurs analogiques typiques :

• capteur à jauge de contrainte
• LVDT

Capteurs numériques

Le signal des capteurs numériques peuvent être du type :

• train (En transport ferroviaire, un train consiste en une suite de véhicules qui circulent le long de guides pour transporter des voyageurs ou des marchandises d'un point à un autre. Ces guides sont le plus...) d'impulsions, avec un nombre (Un nombre est un concept caractérisant une unité, une collection d'unités ou une fraction d'unité.) précis d'impulsions ou avec une fréquence (La fréquence est le nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit pendant une durée déterminée. La fréquence est l'inverse (au sens mathématiques) de la période. On note . Si...) précise
• code numérique binaire
• bus de terrain (Terme employé dans l'industrie pour qualifier des systèmes d'interconnexion d'appareils de mesure, de capteurs, d'actionneurs, … Les bus de terrain les...)
• ...

Quelques capteurs numériques typiques :

• les capteurs incrémentaux
• les codeurs absolus

Caractéristiques des capteurs

On caractérise un capteur selon plusieurs critères dont les plus courants sont :

• la grandeur physique (Une grandeur physique est un ensemble d'unités de mesure, de variables, d'ordres de grandeur et de méthodes de mesure (qui sont l'objet de la métrologie) lié à un aspect ou phénomène particulier de la physique. Par...) observée
• son étendue de mesure
• sa sensibilité
• sa précision
• sa linéarité
• sa bande passante (D'une façon générale, la bande passante est l'ensemble des fréquences pour lesquelles la réponse d'un appareil est supérieure à un minimum.)
• sa plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de matériaux d'une taille allant des sables fins aux blocs ». La plage ne se limite...) de température (La température d'un système est une fonction croissante du degré d'agitation thermique des particules, c'est-à-dire de son énergie thermique. Elle est définit par l'équilibre de transfert de chaleur avec d'autres systèmes.) de fonctionnement
• sa dérive thermique (Le thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de l'énergie pour la production de chaleur ou de froid, et des...)
• sa résolution
• son hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a hystéresis lorsque la courbe E = f(C) obtenue à la croissance de C ne se superpose pas avec la...)

Remarques : Pour utiliser un capteur dans les meilleures conditions, il est souvent utile de pratiquer un étalonnage et de connaître les incertitudes de mesures relatives à celui-ci.

Capteurs intelligents

Les dernières années du XX^e siècle ont vu apparaître le concept de capteurs intelligents.

En plus de leur faculté de mesurer une grandeur physique, il possèdent d'autres fonctionnalités dont voici une liste non-exhaustive :

• fonctions configurables de traitement du signal (filtre, gains…)
• fonctions d'auto-test et d'auto-contrôle
• étalonnage automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les mathématiques, la...)
• sortie sur des bus de terrain

Principes physiques courants exploités par les capteurs

• variation de capacité
• variation d'inductance (L'inductance d’un circuit électrique est un coefficient qui traduit le fait qu’un courant le traversant crée un champ magnétique à travers la section entourée par ce circuit. Il en résulte un flux du champ magnétique à travers la...)
• variation de résistance
• effet hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension perpendiculaire à ceux-ci.)
• dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement, généralement imperceptible. Dans le cas d'un gaz, il y a dilatation à pression constante ou maintien du volume et...)
• piézo-électricité
• effet Doppler
• principe de la corde vibrante

Exemples de capteurs

de distance

• inductif
• capacitif
• optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière et de ses relations avec la vision.)
  • triangulation (En topologie, une triangulation d'un espace topologique X est un complexe simplicial K homéomorphe à X, et un homéomorphisme h:K→X. Dans les termes de Layman, si X...)
  • réflexion
  • ombroscopie
  • temps (Le temps est un concept développé pour représenter la variation du monde : l'Univers n'est jamais figé, les éléments qui le composent bougent, se transforment et évoluent pour l'observateur qu'est l'homme. Si on considère l'Univers...) de vol-LIDAR
  • stéréovision
• ultrason
• micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre l'infrarouge et les ondes de radiodiffusion. Le terme de micro-onde provient du fait que ces ondes ont une longueur d'onde plus courte celles...)

de lumière (La lumière désigne les ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 0,38 à 0,78 micron (380 nm à 780 nm ; le symbole...)

• photodiode (Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du domaine optique et de le transformer en signal électrique.) ou phototransistor
• capteur photographique (Un capteur photographique est un composant électronique servant à convertir un rayonnement (UV, visible ou IR) composé de photons en un signal électrique analogique. Ce signal sera ensuite numérisé par un Convertisseur Analogique-Numérique puis...)
• cellule photoélectrique

de sons

• microphone (Un microphone (ou plus simplement « micro ») est un dispositif de conversion des ondes sonores acoustiques d'un milieu compressible en impulsions...)
• micro pour instruments
• hydrophone (Un hydrophone est un transducteur électroacoustique destiné à transformer, dans les liquides, des oscillations acoustiques en oscillations électriques.)

de température

• pyromètre
• thermomètre, sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est...) PT100
• thermocouple (En physique, les thermocouples sont utilisés pour la mesure de températures. Ils sont bon marché et permettent la mesure dans une grande gamme de températures. Leur principal défaut est leur...)
• thermistance

de pression (La pression est la force exercée sur une surface donnée.)

• tube de Bourdon
• capsule anéroïde
• piézo-électrique
• corde vibrante
• baromètre (Le baromètre est un instrument de mesure, utilisé en physique et en météorologie, qui sert à mesurer la pression atmosphérique. Il peut, de façon secondaire, servir d'altimètre pour...)

de débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.)

• débitmètre à turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air, gaz de combustion), dont le couple est transmis au moyen d'un arbre.)
• roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par son centre.) ovales
• plaque à orifice
• tube de Pitot
• débitmètre à effet vortex
• débitmètre électromagnétique
• débitmètre à tube de Venturi (Venturi est un constructeur automobile français spécialisé dans la commercialisation de voitures sportives de luxe. La marque, fût créée en 1984 par deux anciens salariés de chez Heuliez. Elle s'appelait alors "MVS" (Manufacture de...)
• débitmètre à ultrasons
• débitmètre ionique
• débitmètre massique

de courant

• Capteur de courant à effet Hall
• Shunt

de niveau

• à pression différentielle
• à sonde capacitive
• à tube de torsion (La torsion est la déformation subie par un corps soumis à l'action de deux couples opposés agissant dans des plans parallèles.)
• à flotteur
• à rayon gamma (Les rayons gamma, symbolisés par la lettre grecque γ, sont une forme de rayonnement électromagnétique de haute énergie produits par la désintégration γ ou d'autre processus nucléaire ou subatomique tel que...)
• à ultrasons
• par radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la distance et/ou la vitesse d'objets tels que les avions, bateaux, ou encore la pluie. Un émetteur envoie des ondes radio, qui...)

de déplacements

• souris (informatique)
• capteur de proximité
• codeur
• détecteur (Un détecteur est un moyen technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.) de mouvements
• LVDTs et RVDTs
• corde vibrante
• capteur de position

de contrainte

• corde vibrante
• piézo-électrique
• jauge de contrainte
• plot magnétique

Inertiels

• accéléromètre (Un accéléromètre est un capteur qui, fixé à un mobile, permet de mesurer l'accélération de ce dernier.)
• inclinomètre (Un inclinomètre (ou clinomètre) est un instrument servant à mesurer des angles par rapport à la ligne d'horizon (ou horizontale). Là où le niveau à bulle (ou niveau) permet de détecter précisément où se situe l'horizontale, l'inclinomètre...)
• gyromètre
• gyroscope (Un gyroscope (du grec « qui regarde la rotation ») est un appareil qui exploite le principe de la conservation du moment angulaire en physique (ou encore...)

Exemples concrets d'utilisation de capteurs

Les capteurs de niveaux à bord des navires

Lors des opérations de transfert, chargement (Le mot chargement peut désigner l'action de charger ou son résultat :), déchargements ou pour le stockage dans les citernes, ballasts ou cales d'un navire (Un navire est un bateau de fort tonnage, ponté et destiné à la navigation en pleine mer, c'est-à-dire lorsqu'il est prévu pour naviguer au-delà de la limite où cessent de s'appliquer...) il est important de connaître l'état de leurs remplissage. Cette information peut être communiquée soit de manière continue, soit par la détection de seuils (niveau : bas, haut, très haut ).

La mesure continue

Un capteur de niveau sera placé sur le réservoir dont on veut connaître le remplissage. Il délivrera un signal dont l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) ou la fréquence sera directement fonction du niveau du réservoir. On peut donc connaître à tout moment le niveau de remplissage du réservoir ou le volume (En physique, le volume d'un objet mesure « l'extension dans l'espace » qu'il possède dans les trois directions en même temps, de même que l'aire d'une figure dans le plan mesure...) encore disponible.

La détection de seuils

Plusieurs capteurs seront placés sur le réservoir a mesurer. Ces capteurs délivreront une information binaire indiquant si le niveau est atteint ou non. Cette détection peut être utilisée pour l'arrêt ou le démarrage d'une pompe (Une pompe est un dispositif permettant d'aspirer et de refouler un fluide.). Un niveau haut évitera un débordement du réservoir et un niveau bas assurera une réserve minimale.

On utilisera différents types de capteurs en fonction de la nature du produit. On utilisera les propriétés physique et chimique, viscosité, si on veut une mesure par seuil ou continue, ..

Méthode hydrostatique

Le capteur donnera une information continue directement fonction de la hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) du fluide (Les fluides sont des milieux parfaitement déformables. On regroupe sous cette appellation les gaz qui sont l'exemple des fluides compressibles, et les liquides, qui sont des fluides peu...) dans le réservoir.

Méthode électrique

On va utiliser les propriétés de conductivité du fluide. Il faut faire attention à la corrosion et a la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du courant...) des sondes car elles sont parcourues par un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique (électrons).). Cette méthode peut parfois être utilisée pour des solides.

Méthode basée sur le rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par...)

Ce système de mesure a un avantage c'est qu'il n'y a pas de contact avec le fluide pour la mesure.

Bibliographie

Georges Asch, Les capteurs en instrumentation indusrielle, Dunod (ISBN 2100057774)