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Cours sur les capteurs


                                                   Les capteurs



Les capteurs


Qu’est ce qu’un capteur ?

Un capteur transforme une grandeur physique en une grandeur normée, généralement électrique, qui peut être interprétée par un dispositif de contrôle commande.

Les capteurs

Le capteur dans la chaîne de mesure

Les capteurs


Schéma de principe d’un capteur industriel

Schéma de principe d’un capteur industriel

Quelles sont les caractéristiques d’un capteur ?


Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.

Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.

Sensibilité : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée.

Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.

Rapidité : Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.

Linéarité : représente l'écart de sensibilité sur l'étendue de mesure

Quelles sont les caractéristiques d’un capteur ?

1. Etendue de mesure et courbe d’étalonnage


2. Sensibilité S du capteur



Conception d’un capteur : S doit dépendre le moins possible de :

• La valeur de m (linéarité)
• La fréquence de variation (bande passante)
• Du temps (vieillissement)
• D’actions extérieures (grandeurs d’influence)

3. Domaines d’utilisation


Types d’erreur d’un capteur




Grandeurs d’influence


Grandeur physique autre que le mesurandedont la variation peut modifier la réponse du
capteur :

• Température : modifications des caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles

• Pression, vibrations : déformations et contraintes pouvant altérer la réponse

• Humidité : modification des propriétés électriques (constante diélectrique ou résistivité).
Dégradation de l’isolation électrique

• Champs magnétiques : création de fém d’induction pour les champs variables ou modifications électriques (résistivité) pour les champs statiques

• Tension d’alimentation : lorsque la grandeur de sortie du capteur dépend de celle-ci directement (amplitude ou fréquence)Nécessité de :

      •Réduire les grandeurs d’influence (tables anti-vibration, blindages magnétiques…)
      •Stabiliser les grandeurs d’influence à des valeurs parfaitement connues
   •Compenser l’influence des grandeurs parasites par des montages adaptés (pont de Wheastone)

Les capteurs actifs


Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie propre à la grandeur physique à mesurer (énergie thermique, mécanique ou de rayonnement)

Effet thermoélectrique (ou effet Seebeck) : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1et T2, est le siège d'une force électromotrice d'origine thermique e(T1,T2).

Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.

Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objet métallique).

Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique

Effet Hall : Un champ magnétique B (aimant, angle θ /surface du matériau) et un courant électrique I créent dans le matériau une différence de potentiel UH= KHB.I.sinθ

Effet pyroélectrique : certains matériaux ont une polarisation spontanée en l’absence de champ électrique extérieur. Une variation de température induit une variation de cette polarisation et donc l’apparition de charges électriques à la surface du matériau

Les capteurs passifs


Il s'agit généralement d'impédances (résistance, inductance, capacité) dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur mesurée. 

La variation d'impédance résulte :

• D'une variation de dimension du capteur (capteurs de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à armature mobile)

• D'une déformation résultant d’une force ou d’une grandeur s'y ramenant (pression accélération). Exemples : armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensomètre liée à une structure déformable



Les capteurs de température


Température :

• Agit sur les propriétés physiques de la matière

       – Pression
       – Résistivité électrique
       – Changement de phase
       – …

•Mesure importante en recherche et industrie
•Liée à l’énergie cinétique moyenne des particules (agitation thermique)

Méthodes de mesure :

•Méthodes optiques (rayonnement spectral)
•Méthodes mécaniques (dilatation d’un solide, d’un liquide ou d’un gaz)
•Méthodes électriques (résistivité, fém à la jonction de matériaux de natures différentes, fréquence de résonance d’un quartz)

Echelles de température (grandeur intensive)

Kelvin : défini à partir du point triple de l’eau, qui vaut 273,16 K

«Le kelvin est la fraction 1/273,16 de la température thermodynamique du point triple de l’eau»

0 K est le zéro absolu (aucune agitation thermique)

Celsius : T°C=TK-273,15, le zéro absolu vaut donc -273,15°C

Fahrenheit : L’échelle fahrenheit attribue une plage de 180°F entre la température de solidification de l'eau et sa température d'ébullition (solidification de l'eau à 32°F et point d'ébullition à 212°F). Ainsi : 

                                     T°F=9/5 T°C+32  ou  T°C=5/9(T°F-32)


1. Les thermocouples


Principe du thermocouple : Si T2 ≠ T1→ apparition d’une tension U


Les différents types de thermocouples : On tient compte de la température attendue pour la mesure mais également de l'action corrosive du milieu ambiant (atmosphère oxydante, réductive, sulfureuse, etc...) sur les constituants du couple pour arrêter son choix.



Courbes caractéristiques pour différents thermocouples


Avantages :

•Larges gammes de température : de 0 à 1 600 K
•Robustes : résistent aux chocs et aux vibrations
•Réponse rapide (ms à qq s)
•Fiables et précis
•Reproductibles

Inconvénients :

•Température de référence nécessaire
•Réponse non linéaire
•Faible sensibilité pour certains types de thermocouples

2. Les capteurs à résistance métallique


R=R0(1+aT) avec a=3.85·10-3°C-1 pour le platine (petites variations de T>0°C car en réalité R(T) = R0( 1 + AT + BT² + C(T-100)T3) ) 

Le type le plus courant, appelé « Pt100 », a une résistance de 100Ω à 0°C et 138,5Ω à 100°C (variation quasi linéaire entre -200 et 800°C)



Bonne stabilité chimique 
Temps de réponse > thermocouple



La précision de la mesure dépend de la sonde mais aussi de l’électronique de détection et du couplage mécanique et thermique entre la sonde et le milieu étudié qui peut entraîner une erreur de plusieurs degrés







Tolérances : (norme CEI 751)
    
     Classe A : ΔT=0,15°C + 0,002T
     Classe B : ΔT=0,3°C + 0,005T


Pour une grande longueur, les résistances des fils de connections de la sonde au système de mesure ne sont plus négligeables.
Il faut donc tenir compte de cette erreur en employant des dispositifs de câblages particuliers.






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