Capteur - Définition et Explications

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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...) 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...) entre un processus physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) 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...) ou d'un système de stockage des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...). 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...) 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...) d'apport d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) extérieure pour fonctionner (exemple : thermistance, potentiomètre, thermomètre (Un thermomètre est un appareil qui sert à mesurer et à afficher la valeur des...) 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...) de transducteurs alimentés (exemple : chronomètre mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...), jauge ( En tant qu'instrument de mesure : Une jauge est un instrument de mesure. On trouve par...) d’extensométrie 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...) d'une classification par type de sortie:

Capteurs analogiques

Le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) 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 (Un train est un véhicule guidé circulant sur des rails. Un train est composé de...) d'impulsions, avec un nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) précis d'impulsions ou avec une fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) précise
  • code numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) binaire
  • bus de terrain (Terme employé dans l'industrie pour qualifier des systèmes d'interconnexion d'appareils de...)
  • ...

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...) observée
  • son étendue de mesure
  • sa sensibilité
  • sa précision
  • sa linéarité
  • sa bande passante (La bande passante (angl. bandwidth) est un intervalle de fréquences pour lesquelles la...)
  • sa plage (La géomorphologie définit une plage comme une « accumulation sur le bord de mer de...) de température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) de fonctionnement
  • sa dérive thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...)
  • sa résolution
  • son hystérésis (Soit une grandeur cause notée C produisant une grandeur effet notée E. On dit qu'il y a...)

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 XXe 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...)
  • 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...)
  • variation de résistance
  • effet hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant...)
  • dilatation (La dilatation est l'expansion du volume d'un corps occasionné par son réchauffement,...)
  • 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, du rayonnement...)
    • triangulation (En géométrie et trigonométrie, la triangulation est une technique permettant de...)
    • réflexion
    • ombroscopie
    • temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de vol-LIDAR
    • stéréovision
  • ultrason
  • micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire...)

de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...)

  • photodiode (Une photodiode est un composant semi-conducteur ayant la capacité de détecter un rayonnement du...) ou phototransistor
  • capteur photographique (Un capteur photographique est un composant électronique servant à convertir un rayonnement (UV,...)
  • cellule photoélectrique

de sons

  • microphone (Un microphone (ou plus simplement micro par apocope) est un dispositif de conversion des ondes...)
  • micro pour instruments
  • hydrophone (Un hydrophone est un transducteur électroacoustique destiné à transformer, dans les liquides,...)

de température

  • pyromètre
  • thermomètre, sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) PT100
  • thermocouple (En physique, les thermocouples sont utilisés pour la mesure de températures. Ils sont bon marché...)
  • thermistance

de pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...)

  • tube de Bourdon
  • capsule anéroïde
  • piézo-électrique
  • corde vibrante
  • baromètre (Le baromètre est un instrument de mesure, utilisé en physique et en...)

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

  • débitmètre à turbine (Une turbine est un dispositif rotatif destiné à utiliser la force d'un fluide (eau, vapeur, air,...)
  • roues (La roue est un organe ou pièce mécanique de forme circulaire tournant autour d'un axe passant par...) ovales
  • plaque à orifice
  • tube de Pitot (Le tube de Pitot et l'antenne de Prandtl sont des systèmes similaires de mesure de vitesse des...)
  • débitmètre à effet vortex
  • débitmètre électromagnétique
  • débitmètre à tube de Venturi (Venturi est un constructeur automobile français spécialisé dans la commercialisation de voitures...)
  • 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...)
  • à flotteur
  • à rayon gamma (Rayon gamma est le nom donné au rayonnement électromagnétique produit par la...)
  • à ultrasons
  • par radar (Le radar est un système qui utilise les ondes radio pour détecter et déterminer la...)

de déplacements

  • souris (Le terme souris est un nom vernaculaire ambigu qui peut désigner, pour les francophones, avant...) (informatique)
  • capteur de proximité
  • codeur
  • détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change...) 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...)
  • inclinomètre (Un inclinomètre (ou clinomètre) est un instrument servant à mesurer des angles par rapport à la...)
  • gyromètre
  • gyroscope (Un gyroscope (du grec « qui regarde la rotation ») est un appareil qui exploite le...)

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 destiné à la navigation maritime, c'est-à-dire prévu...) 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 (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) moment le niveau de remplissage du réservoir ou le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...) 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 (Un fluide est un milieu matériel parfaitement déformable. On regroupe sous cette...) 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...) des sondes car elles sont parcourues par un courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge...). Cette méthode peut parfois être utilisée pour des solides.

Méthode basée sur le rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...)

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)

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