Capteur - Définition

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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.

Le capteur se distingue de l'instrument de mesure par le fait qu'il ne s'agit que d'une simple interface entre un processus physique 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 ou d'un système de stockage des données. Ce qui n'est pas forcément le cas du capteur.

Les capteurs sont les éléments de base des systèmes d'acquisition de données. Leur mise en œuvre est du domaine de l'instrumentation.

Classification

Les capteurs ont plusieurs modes de classification :

Apport énergétique

Capteurs passifs

Ils n'ont pas besoin d'apport d'énergie extérieure pour fonctionner (exemple : thermistance, potentiomètre, thermomètre à mercure…). Ce sont des capteurs modélisables par une impédance. Une variation du phénoméne physique étudié (mesuré) engendre une variation de l'impédance.

Capteurs actifs

ils sont constitués d'un ou d'un ensemble de transducteurs alimentés (exemple : chronomètre mécanique, jauge 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 en fonction de l'intensité du phénoméne physique mesuré.

Type de sortie

Les capteurs peuvent aussi faire l'objet d'une classification par type de sortie:

Capteurs analogiques

Le signal 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 :

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 :

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
  • sortie sur des bus de terrain

Principes physiques courants exploités par les capteurs

  • variation de capacité
  • variation d'inductance
  • variation de résistance
  • effet hall
  • dilatation
  • piézo-électricité
  • effet Doppler
  • principe de la corde vibrante

Exemples de capteurs

de distance

de lumière

de sons

de température

de pression

  • tube de Bourdon
  • capsule anéroïde
  • piézo-électrique
  • corde vibrante
  • baromètre

de débit

  • débitmètre à turbine
  • roues ovales
  • plaque à orifice
  • tube de Pitot
  • débitmètre à effet vortex
  • débitmètre électromagnétique
  • débitmètre à tube de Venturi
  • 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
  • à flotteur
  • à rayon gamma
  • à ultrasons
  • par radar

de déplacements

  • souris (informatique)
  • capteur de proximité
  • codeur
  • détecteur de mouvements
  • LVDTs et RVDTs
  • corde vibrante
  • capteur de position

de contrainte

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

Inertiels

Exemples concrets d'utilisation de capteurs

Les capteurs de niveaux à bord des navires

Lors des opérations de transfert, chargement, déchargements ou pour le stockage dans les citernes, ballasts ou cales d'un navire 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 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 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. 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 du fluide 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 des sondes car elles sont parcourues par un courant électrique. Cette méthode peut parfois être utilisée pour des solides.

Méthode basée sur le rayonnement

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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