Capteurs

Generalites sur les Capteurs

Definitions, classifications et caracteristiques metrologiques

Definitions Fondamentales

📘 Capteur

Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique (mesurande) en une grandeur electrique exploitable (tension, courant, resistance, capacite...).

    CHAÎNE DE MESURE COMPLETE
    ═══════════════════════════════════════════════════════════════════
    
    ┌───────────┐    ┌───────────┐    ┌───────────┐    ┌───────────┐
    │ Grandeur  │    │           │    │ Condition-│    │           │
    │ physique  │───►│  CAPTEUR  │───►│   neur    │───►│    CAN    │
    │ (mesurande)    │           │    │           │    │           │
    └───────────┘    └───────────┘    └───────────┘    └───────────┘
                          │                │                 │
         Temperature      │    Signal      │   Signal        │  Signal
         Pression         │    brut        │   normalise     │  numerique
         Force            │   (mV, Ω)      │   (0-10V,       │  (bits)
         Deplacement      │                │    4-20mA)      │
         Lumiere...       ▼                ▼                 ▼
    
    Corps d'epreuve + Transducteur = CAPTEUR

1.1 Classification des Capteurs

Par Type de Signal de Sortie

Actifs: Generent une tension/courant (thermocouple, piezo, photovoltaique)
Passifs: Modifient une impedance (thermistance, jauge, LDR)

Par Nature du Signal

Analogiques: Signal continu proportionnel au mesurande
Logiques (TOR): 2 etats (0/1)
Numeriques: Sortie codee (encodeur, bus)

1.2 Caracteristiques Metrologiques

Caracteristique	Definition	Formule/Unite
Etendue de mesure	Plage de valeurs mesurables	[Mesurande_min ; Mesurande_max]
Sensibilite (S)	Variation de sortie / variation d'entree	S = ΔS/ΔM (V/°C, mV/bar...)
Resolution	Plus petite variation detectable	Δm_min
Precision	Ecart entre valeur mesuree et valeur vraie	% de l'etendue de mesure
Linearite	Ecart a la droite ideale	% de la pleine echelle
Hysteresis	Ecart entre montee et descente	% de la pleine echelle
Temps de reponse	Temps pour atteindre 63% ou 90% de la valeur finale	τ (s, ms)
Derive	Variation de sortie a mesurande constant	%/an, %/°C

📐 Erreur de Mesure

Erreur absolue: ε = Valeur_mesuree - Valeur_vraie

Erreur relative: εr = ε / Valeur_vraie × 100%

Classe de precision: Erreur max en % de l'etendue

Capteurs de Temperature

Thermocouples, thermistances, Pt100 et capteurs integres

Thermocouples

📘 Effet Seebeck

Un thermocouple est constitue de deux metaux differents soudes. Une difference de temperature entre la soudure chaude (mesure) et la soudure froide (reference) genere une f.e.m. proportionnelle a ΔT.

    PRINCIPE DU THERMOCOUPLE
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
            Metal A                      Metal A
    ───────────────●──────────────────────●───────────
                   │  Soudure chaude      │  Soudure froide
                   │  (Mesure: Tc)        │  (Reference: Tf)
    ───────────────●──────────────────────●───────────
            Metal B                      Metal B
                                          │
                                          │ Voltmetre
                                          ▼
                                        ┌───┐
                                        │ V │ = e(Tc) - e(Tf)
                                        └───┘
    
    f.e.m. = e = S × (Tc - Tf)
    
    S = coefficient de Seebeck (µV/°C)

2.1 Types de Thermocouples

Type	Metaux (+/-)	Plage	Sensibilite	Application
K	Chromel/Alumel	-200 a +1250°C	41 µV/°C	Usage general industriel
J	Fer/Constantan	-40 a +750°C	52 µV/°C	Atmospheres reductrices
T	Cuivre/Constantan	-200 a +350°C	43 µV/°C	Basses temperatures
E	Chromel/Constantan	-200 a +900°C	68 µV/°C	Haute sensibilite
S	Pt10%Rh/Pt	0 a +1600°C	10 µV/°C	Haute temperature, etalon

⚠️ Compensation de Soudure Froide

La f.e.m. depend de la difference Tc - Tf. Pour obtenir la temperature absolue, il faut compenser la temperature de la soudure froide (electroniquement ou par reference a 0°C).

Sondes a Resistance (RTD)

📘 Pt100 / Pt1000

Les sondes RTD utilisent la variation de resistance d'un metal (platine) avec la temperature. Pt100 = 100Ω a 0°C, Pt1000 = 1000Ω a 0°C.

📐 Equation de Callendar-Van Dusen

R(T) = R₀ × [1 + αT + βT² + γ(T-100)T³]

Pour T > 0°C (simplifie): R(T) ≈ R₀ × (1 + αT)
α = 0.00385 °C⁻¹ (norme IEC 751)
Sensibilite Pt100: ~0.385 Ω/°C

2.2 Montages de Mesure RTD

    MONTAGES DE MESURE RTD
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
    2 FILS (erreur des fils)     3 FILS (compensation)     4 FILS (precision)
    
         Iexc                         Iexc                      Iexc
          │                            │                         │
          ├────┐                       ├───┐                     ├───────┐
          │    │Rfil                   │   │Rfil                 │       │
         ┌┴┐   │                      ┌┴┐  │                    ┌┴┐      │
    Vm ──┤ │Pt ├── Rfil          Vm ──┤ │──┼── Rfil        Vm ──┤ │──────┤
         └┬┘   │                      └┬┘  │                    └┬┘      │
          │    │                       │   │Rfil                 │       │
          └────┘                       └───┘                     └───────┘
                                                                     │
    Erreur: 2×Rfil           Compensation partielle          Mesure 4 fils:
    ≈ 0.5°C/m de cable        des resistances de fil         Erreur negligeable

Thermistances

🔥 CTN (NTC) - Coefficient Negatif

La resistance diminue quand T augmente.

R(T) = R₂₅ × exp[B × (1/T - 1/298)]

B = 3000-5000 K (constante caracteristique)

Applications: Mesure, compensation, inrush limiter

❄️ CTP (PTC) - Coefficient Positif

La resistance augmente fortement au-dela d'une temperature de Curie.

Applications:

Protection thermique moteurs
Auto-regulation chauffage
Fusible rearmable (Polyfuse)

Capteurs Integres

Reference	Sortie	Plage	Precision	Caracteristiques
LM35	Analogique	-55 a +150°C	±0.5°C	10 mV/°C, sortie directe
TMP36	Analogique	-40 a +125°C	±1°C	10 mV/°C, offset 500mV
DS18B20	Numerique 1-Wire	-55 a +125°C	±0.5°C	9-12 bits, adressable
DHT22	Numerique	-40 a +80°C	±0.5°C	+ Humidite 0-100%
MAX31855	SPI	-200 a +1350°C	±2°C	Interface thermocouple K

Capteurs de Position et Deplacement

Potentiometres, encodeurs, LVDT et capteurs de proximite

Potentiometres

📘 Principe

Le potentiometre est un capteur resistif dont la resistance varie lineairement avec le deplacement du curseur (lineaire ou rotatif).

    POTENTIOMETRE LINEAIRE
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
         Vref
          │
         ┌┴┐
         │ │ R_total
         │●│◄─── Curseur (position x)
         │ │
         └┬┘
          │
         GND
    
    Tension de sortie:
    
    Vs = Vref × (x / L)
    
    x = position du curseur
    L = course totale
    
    Resolution: Depend du type (bobine: pas des spires, film: continue)

3.1 Types

Lineaires: Course 10-500 mm, precision 0.1-1%
Rotatifs: Simple tour (300°) ou multitours (10 tours)
Technologies: Bobine (robuste), Film carbone (economique), Plastique conducteur (precision)

Encodeurs

🔄 Encodeur Incremental

Genere des impulsions lors du mouvement. Necessite une reference (index) pour la position absolue.

     A ──┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌──
         └─┘ └─┘ └─┘ └─┘
     B ────┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌─┐ ┌
           └─┘ └─┘ └─┘ └─┘
     
     Sens horaire: A avant B
     Sens anti-horaire: B avant A
     
     Resolution: N impulsions/tour
     Position = Comptage × 360/N

📍 Encodeur Absolu

Fournit la position absolue a chaque instant (code Gray ou binaire).

     Disque code Gray 4 bits:
     
     Position | Code Gray
     ─────────┼──────────
        0     │  0000
        1     │  0001
        2     │  0011
        3     │  0010
       ...    │  ...
       15     │  1000
     
     Resolution: 2^n positions
     (n = nombre de pistes)

LVDT (Linear Variable Differential Transformer)

    PRINCIPE DU LVDT
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
                    Secondaire S1    Secondaire S2
                    ┌────────┐       ┌────────┐
                    │ ⌒⌒⌒⌒⌒ │       │ ⌒⌒⌒⌒⌒ │
    Primaire ───────│ ⌒⌒⌒⌒⌒ │───────│ ⌒⌒⌒⌒⌒ │───────
    (excitation AC) │ ⌒⌒⌒⌒⌒ │       │ ⌒⌒⌒⌒⌒ │
                    └───┬────┘       └───┬────┘
                        │    Noyau      │
                        │   mobile      │
                        │  ◄════●════►  │
                        │               │
                        └───────┬───────┘
                                │
                            Vs = V_S1 - V_S2
    
    - Noyau au centre: Vs = 0
    - Noyau vers S1: Vs > 0
    - Noyau vers S2: Vs < 0
    
    Avantages: Sans contact, haute precision, robuste
    Applications: Aeronautique, machines-outils, metrologie

Capteurs de Proximite

Type	Cible	Portee	Principe
Inductif	Metaux	1-60 mm	Courants de Foucault
Capacitif	Tous materiaux	2-25 mm	Variation de capacite
Optique	Tous materiaux	mm a m	Reflexion/coupure faisceau
Ultrasonique	Tous materiaux	20mm - 10m	Temps de vol
Magnetique (ILS)	Aimants	5-30 mm	Contact reed

Capteurs de Force et Pression

Jauges de contrainte, capteurs piezoelectriques et de pression

Jauges de Contrainte

📘 Effet Piezoresistif

Une jauge de contrainte est un conducteur dont la resistance varie avec sa deformation. Elle permet de mesurer les contraintes mecaniques (et donc les forces).

📐 Relation Fondamentale

ΔR/R = K × ε

K = facteur de jauge (≈2 pour metal, 50-200 pour semi-conducteur)
ε = deformation relative = ΔL/L (en µm/m ou µstrain)

4.1 Pont de Wheatstone

    PONT DE WHEATSTONE POUR JAUGES
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
                    Vexc
                     │
                    ┌┴┐
              ┌─────┤R1├─────┐
              │     └──┘     │
              │              │
    Vm+ ──────●              ●────── Vm-
              │              │
              │     ┌──┐     │
              └─────┤R2├─────┘
                    └┬┘
                     │
                    GND
    
    Quart de pont (1 jauge active):
    R1 = Jauge, R2 = R3 = R4 = R (fixes)
    Vm = Vexc × (ΔR/R) / 4
    
    Pont complet (4 jauges actives):
    2 en traction, 2 en compression
    Vm = Vexc × (ΔR/R)
    Sensibilite × 4, compensation temperature

4.2 Cellules de Charge

⚖️ Applications

Pesage industriel: Balances, silos, tremies
Mesure de couple: Couplemetres, bancs d'essai
Mesure de force: Presses, machines d'essai

Sortie typique: 2 mV/V (a pleine charge)

Capteurs Piezoelectriques

📘 Effet Piezoelectrique

Certains cristaux (quartz, ceramiques PZT) generent une charge electrique proportionnelle a la contrainte mecanique appliquee. Effet reversible (actionneur).

📐 Charge Generee

Q = d × F

d = coefficient piezoelectrique (pC/N)
F = force appliquee (N)

Applications: Accelerometres, microphones, capteurs de choc, mesures dynamiques haute frequence.

Capteurs de Pression

Type	Principe	Plage	Precision
Piezoresistif	Membrane + jauges	mbar - kbar	0.1-1%
Capacitif	Membrane = armature	mbar - bar	0.01-0.1%
Piezoelectrique	Quartz/ceramique	bar - kbar	1%
Resonant	Variation frequence	mbar - bar	0.01%

4.3 Types de Mesure de Pression

Pression Absolue

Reference = vide

P_abs = P_atm + P_rel

Pression Relative

Reference = atmosphere

P_rel = P_abs - P_atm

Pression Differentielle

ΔP = P1 - P2

Mesure de debit, filtres

Capteurs Optiques

Photodiodes, phototransistors, LDR et capteurs de couleur

Photoresistances (LDR)

📘 LDR (Light Dependent Resistor)

Composant dont la resistance diminue avec l'eclairement. Materiau: CdS (sulfure de cadmium). Temps de reponse lent (ms a s).

📐 Caracteristique

R = R₁₀ × (E/10)^(-γ)

R₁₀ = resistance a 10 lux, γ ≈ 0.7-0.9, E = eclairement (lux)

Typique: 1MΩ dans l'obscurite, 1-10kΩ en pleine lumiere

Photodiodes et Phototransistors

📷 Photodiode

Jonction PN polarisee en inverse. Le courant inverse est proportionnel a l'eclairement.

Iph = S × E × A

S = sensibilite (A/W), A = surface active

Avantages: Rapide (ns), lineaire

💡 Phototransistor

Transistor dont la base est eclairee. Amplification integree (β × Iph).

Avantages: Sensibilite elevee, sortie directe compatible TTL/CMOS

Inconvenients: Plus lent (µs), moins lineaire

5.1 Montages

    MONTAGES DE PHOTODIODES
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
    Mode photovoltaique          Mode photoconducteur
    (sans polarisation)          (polarise en inverse)
    
         ┌───┐                        Vcc
    ─────┤ D ├─────┬── Vs            │
         └───┘     │            ┌────┴────┐
                  ┌┴┐          ┌┴┐       ┌┴┐
                  │ │R         │ │R     ─┤►│ D (photodiode)
                  └┬┘          └┬┘       └┬┘
                   │            │         │
                  GND          Vs        GND
    
    Vs = Iph × R               Vs = Vcc - Iph × R
    
    Lineaire, lent             Rapide, meilleure linearite

Capteurs Optiques Integres

Composant	Type	Application
Fourche optique	LED + phototransistor	Encodeurs, comptage
Reflectif (CNY70)	LED IR + phototransistor	Suivi de ligne, proximite
BH1750	Luxmetre I2C	Mesure d'eclairement
TCS3200	Capteur RGB	Detection de couleur
TSL2561	Lumiere visible + IR	Photometrie precise

Conditionnement et Interfacage

Amplification, filtrage et conversion des signaux capteurs

Amplification des Signaux

6.1 Amplificateur d'Instrumentation

    AMPLIFICATEUR D'INSTRUMENTATION
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
              R1              R1
    V+ ──────/\/\/\──┬───────/\/\/\────┬── Vs
                     │                  │
                    ┌┴┐                ┌┴┐
                   A│+│              A3│-│
                    │-├──────┬────────│+│
                    └┬┘      │        └─┘
                     │      ┌┴┐
    V- ──────────────┤     Rg│ │(Gain)
                     │      └┬┘
                    ┌┴┐      │
                   A│+│──────┘
                    │-├──────/\/\/\────┐
                    └─┘       R1      GND
    
    Gain: G = 1 + 2×R1/Rg
    
    Avantages:
    - CMRR eleve (>100 dB)
    - Haute impedance d'entree
    - Gain reglable par Rg seul
    - Ideal pour ponts de jauges, thermocouples

6.2 Circuits Integres

CI	Type	CMRR	Application
INA128	Instrumentation	120 dB	Medical, jauges
AD620	Instrumentation	100 dB	Usage general
LT1167	Instrumentation	110 dB	Precision

Standards Industriels

📊 Sortie 0-10V

Standard pour automates et regulateurs
Impedance de charge > 10 kΩ
Sensible aux parasites sur longue distance

📊 Boucle 4-20 mA

Immunite aux parasites
Detection de coupure (I < 4 mA)
Alimentation par la boucle possible
Distance jusqu'a 1 km

    TRANSMETTEUR 4-20 mA (2 FILS)
    ═══════════════════════════════════════════════════
    
         24V DC (alimentation)
           │
          ┌┴┐
          │ │ Rcharge (250Ω pour 1-5V)
          └┬┘
           │
           ├─────────► Vm = I × R
           │
    ┌──────┴──────┐
    │ Transmetteur │
    │   4-20 mA   │◄── Capteur
    └──────┬──────┘
           │
          GND
    
    4 mA = 0% de l'etendue de mesure
    20 mA = 100% de l'etendue de mesure
    
    Formule: I = 4 + 16 × (Mesure - Min) / (Max - Min)