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“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page iii — #3Georges AschBernard PousseryLES CAPTEURSEN INSTRUMENTATIONINDUSTRIELLEPréface de Marc Desjardins,ancien président du comité "Capteurs» au ministèrede la Recherche et de l"Industrie8eédition“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page iv — #4CollaborateursPierre DESGOUTTE,docteur ès sciencesPierre ANDRÉ,ingénieurJacques BEAUFRONT,directeur d'étudesGeorges CHARNAY,chercheur au CNRSGeneviève COMTE-BELLOT,professeur émériteBernard CRÉTINON,responsable de laboratoireJacques FOULETIER,professeur des universitésNicole JAFFREZIC,chercheur au CNRSClaude JOUVENOT,ingénieurStéphane LAUDREL,ingénieurPierre LIVROZET,ingénieurJean-Louis MARTY,professeur des universitésAlain MAZERAN,ingénieurJacques MÉRIGOUX,ingénieurPatrick PAIROT DEFONTENAY,ingénieurAlain PIQUET,docteur ès sciencesJean-Claude PRIGENT,ingénieurJean-Paul SCHON,professeur des universitésMichel SUNYACH,professeur des universitésJacques TACUSSEL,ingénieurUri ZELBSTEIN,ingénieurPhoto de couverture : © curraheeshutter - istockphoto.com©Dunod, 1983, 2006, 2010, 201711 rue Paul Bert, 92240 Malakoffwww.dunod.comISBN 978-2-10-076020-6“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page v — #5PRÉFACECe monde est pénétré des applications de la mesure;toute connaissance, non mesurable, est frappée d"un ju-gement de dépréciation.

Le nom de " science » se refusede plus en plus à tout savoir intraduisible en chiffre.Paul ValéryPaul Valéry ne savait probablement pas combien son affirmation serait, en 1982,d"actualité.Notremondeest,etsera,eneffetdeplus enpluspénétrédesapplicationsde la mesure.À l"évidence, nous savons que seule la mesure permet de conduire le progrès scien-tifique et d"accroître la connaissance de ce qui nous entoure; les limites ne sont pasatteintes et ne le seront jamais.

Il nous apparaît, à ce jour, que la mesure joue unrôle de plus en plus fondamental dans le développement des activités industriellesavec la sophistication des automatismes, larobotique, le contrôle de la qualité, leséconomies d"énergie, la lutte contre la pollution, etc.

De plus, la mesure, au traversde l"automatisme, trouve maintenant des applications nombreuses dans la concep-tion et la réalisation des biens de consommation, l"électroménager, l"automobile, lesjouets, etc.La mesure devient un facteur essentiel de l"économie; elle doit être traitée avec uneattention particulière et soutenue.Et rien ne se fera sans le " capteur » qui se trouve à la base de l"édifice " Mesure ».Lui seul permet de prolonger et d"affiner les sens de l"homme.La parution d"un ouvrage technique, traitant des " capteurs » en général, est doncun événement important qu"il convient de souligner.

De nombreux livres français etétrangers ont déjà traité, directement ouindirectement, de ce sujet, mais le rythmedes évolutions technologiques est tel qu"il s"avérait nécessaire de compléter et de ras-sembler les connaissances actuelles du domaine.

En 1982, un tel ouvrage manquaitdans la bibliothèque des enseignants, des étudiants, des ingénieurs et techniciensconcernés par la mesure.Lesauteursont brillammentréussi dansuneentreprise particulièrementdifficile,carce domaine spécifique de l"instrumentation est d"un abord délicat.

La conceptiond"un capteur fait appel à toutes les ressources offertes par des disciplines scienti-fiques et techniques aussi variées que la mécanique, l"électromécanique, la micro-électronique, l"optique, la micro-informatique, la chimie, la physico-chimie et toutrécemment la biologie.© Dunod.

La photocopie non autorisée est un délit.V“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page vi — #6Il étaitindispensable, pour rédiger ce livre, de posséder un savoir scientifique étenduet du talent pour rassembler, trier et finalement présenter clairement les informa-tions recueillies.Le livre traite d"une façon approfondie desnécessaires définitions du capteur, de sescaractéristiques métrologiques, des électroniques associées et pour l"essentiel pré-sente un panorama complet de tous les types existants.

Pour chaque principe per-mettant la transformation de la grandeur à mesurer en un signal exploitable parl"homme, nous trouvons, d"une part, un rappel théorique expliquant le fonction-nement, sans abuser de l"habillage mathématique, et, d"autre part, des informationsoriginales sur les technologies utilisées et leurs limites de performances.

Le profes-seur Asch et ses collaborateurs ont eu le souci de rendre vivant et concret l"ouvrageenusantlargementdel"illustrationetdelaprésentationphotographique deproduitsexistants et commercialisés.Le présent traité est remarquable par son niveau d"actualité.

Les dispositifs les plusrécemment étudiés, et encore en cours d"expérimentation dans les laboratoires derecherche, ne manquent pas à l"appel.

Le spécialiste de la mesure sera surpris de dé-couvrir, à la lecture, des nouveautés qui n"étaient pas encore parvenues à sa connais-sance.Nous ne saurions trop remercier le professeur Asch et ses collaborateurs de mettreàladispositionducorpsenseignantetdelacommunautéscientifiqueettechniqueune oeuvre aussi complète et utile.Marc DesjardinsAncien président du Comité " Capteurs»au ministère de la Recherche et de l"IndustrieVI“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page vii — #7TABLE DES MATIÈRESPréface VAvant-propos XIIIpar G.

Asch, P. Desgoutte et B. Poussery1. 1) Définitions et caractéristiques générales11. 2) Capteurs actifs31. 3) Capteurs passifs51. 4) Corps d"épreuve. Capteurs composites71. 5) Grandeurs d"influence91. 6) La chaîne de mesure101. 7) Capteurs intégrés121. 8) Capteurs intelligents151. 9) Les signaux des capteurs d"instrumentation industrielle152. 1) Les erreurs de mesure232.2 Étalonnage du capteur282. 3) Limites d"utilisation du capteur322. 4) Sensibilité332. 5) Rapidité - Temps de réponse452. 6) Discrétion ou finesse523. 1) Caractéristiques générales des conditionneurs de capteurs passifs613. 2) Montage potentiométrique653. 3) Les ponts773. 4) Les oscillateurs963. 5) Forme et spectre de fréquence du signal à la sortie du conditionneur994. 1) Adaptation de la source du signal à la chaîne de mesure1114. 2) Linéarisation1134. 3) Amplification du signal et réduction de la tension de mode commun1304. 4) Détection de l"information137© Dunod.

La photocopie non autorisée est un délit.VII“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page viii — #85.

1) La lumière - Propriétés fondamentales1475. 2) Photométrie1495. 3) La lumière, support d"information1525. 4) Sources lumineuses1535. 5) Caractéristiques métrologiques propres aux capteurs optiques1545. 6) Cellule photoconductrice1595. 7) Photodiode1715. 8) Photodiode à avalanche1855.

9) Phototransistor1895.10 Capteurs photoémissifs1985.11 Détecteurs thermiques2185.12 Capteurs d"images2295.13 Fibres optiques2376.

1) Les échelles de température2486. 2) Température mesurée et température à mesurer2526. 3) Thermométrie par résistance2656. 4) Thermométrie par thermocouple2946. 5) Thermométrie par diodes et transistors3186. 6) Thermométrie par le bruit de fond3266. 7) Thermométrie par quartz3286. 8) Mesure de température sur des corps en mouvement3356. 9) Pyrométrie optique3377. 1) Potentiomètre résistif3557. 2) Capteurs inductifs3687. 3) Capteurs capacitifs3937. 4) Capteurs digitaux4037. 5) Capteurs à propagation d"ondes élastiques4097. 6) Capteurs de proximité4147. 7) Capteurs optiques de position430par G. Asch, P. Desgoutte et A. Mazeran8. 1) Définition des grandeurs mécaniques utiles4358. 2) Principes généraux4368. 3) Jauges résistives métalliques4388. 4) Sensibilité transversale4408. 5) Influence de la température sur la résistance d"une jauge fixée4418. 6) Jauges résistives semi-conductrices, ou piézorésistances4448. 7) Fonctionnement dynamique des jauges4518. 8) Rosettes4528.

9) Méthodes de mesure4538.10 Extensomètre à corde vibrante462VIII“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page ix — #98.11 Extensomètres pour hautes températures464par G.

Asch et P. Desgoutte9. 1) Tachymètres électromagnétiques de vitesse angulaire4709. 2) Tachymètres électromagnétiques de vitesse linéaire4799. 3) Tachymètres de vitesse angulaire à impulsions4819. 4) Gyromètres484par P. Desgoutte, P. Pairot et J.-C. Prigent10. 1) Capteurs piézoélectriques49010. 2) Capteurs à magnétostriction51310. 3) Capteurs à jauges d"extensométrie51810. 4) Capteurs de force par mesure de déplacement53310. 5) Capteurs de couple53510. 6) Capteur tactile : peau artificielle542par P. André, J. Beaufront, P. Desgoutte et C. Jouvenot11. 1) Considérations générales54511. 2) Accéléromètres piézoélectriques et piézorésistifs :caractéristiques communes55211. 3) Accéléromètres piézoélectriques56411. 4) Accéléromètres piézorésistifs57211. 5) Accéléromètres utilisant une mesure de déplacement58311. 6) Accéléromètres asservis588niveau de fluides 595par G. Asch, G. Charnay, J.-P. Schon, G. Comte-Bellot et B. Poussery12. 1) Notions élémentaires de mécanique des fluides59512. 2) Vitesse des fluides : capteurs et méthodes de mesure60412. 3) Débitmétrie62112. 4) Mesure de masse volumique65412. 5) Mesure et détection de niveau658par U. Zelbstein et B. Poussery13. 1) Généralités67613. 2) Principes de la mesure67713. 3) Critères d"utilisation et caractéristiques métrologiques68213. 4) Procédés de conversion68413. 5) Organisation d"un capteur industriel69413.6 Étalonnage707© Dunod.

La photocopie non autorisée est un délit.IX“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page x — #10par A.

Piquet14. 1) Rappel sur les propriétés physiques des gaz71114. 2) Différents domaines du vide - Types de jauges71514. 3) Jauges à déformation71614. 4) Jauges à fil chaud72114. 5) Jauges à ionisation72814. 6) Appareils pour l"étalonnage des jauges à vide737par M. Sunyach15. 1) Choix des grandeurs à mesurer74115. 2) Généralités sur les microphones74415. 3) Principaux types de microphones74715. 4) Microphones à condensateur75515. 5) Microphones électrodynamiques76715. 6) Intensimétrie771par G. Asch et P. Desgoutte16. 1) Radioactivité - Notions élémentaires77716. 2) Détecteurs à ionisation dans les gaz79016. 3) Détecteurs à scintillation79616. 4) Détecteurs semi-conducteurs799par B. Crétinon et J. Mérigoux17. 1) Principales définitions relatives à l"air humide80617. 2) Les hygromètres80917. 3) Hygromètre à condensation81017. 4) Hygromètre à sorption81317. 5) Hygromètres à variation d"impédance pour la mesure de l"humiditérelative81717. 6) Hygromètre à variation d"impédance pour la mesure de la températurede rosée81917. 7) Hygromètre électrolytique82117. 8) Psychromètre82417.9 Étalonnage des hygromètres82617.10 Hygrométrie des solides830par P. Livrozet et J. Tacussel18. 1) Classification des capteurs électrochimiques83718. 2) Capteurs potentiométriques83918. 3) Capteurs ampérométriques86218.

4) Capteurs conductimétriques864X“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page xi — #11par J.

Fouletier19. 1) Capteurs à électrolyte solide87019. 2) Capteurs à variation d"impédance88219. 3) Capteur à quartz piézoélectrique88519. 4) Capteurs catalytiques88619. 5) Catharomètres88719. 6) Capteurs paramagnétiques88819. 7) Analyseurs optiques89219. 8) GASFET89519. 9) Réseau des capteurs89519.10 Conclusions896par J.L. Marty20. 1) Les biorécepteurs90220. 2) Méthodes d"immobilisation90420. 3) Les principaux types de biocapteurs90620. 4) Caractéristiques des biocapteurs91420. 5) Applications916Index 919© Dunod.

La photocopie non autorisée est un délit.XI“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page xii — #12“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page xiii — #13AVANT-PROPOSLa connaissance scientifique s"est développée par un double effort :- d"une part, la réflexion sur les mécanismes c"est-à-dire sur la nature des interac-tions entre grandeurs physiques liées aux phénomènes; cette réflexion se concré-tise grâce à l"outil mathématique par les lois de la physique, relations abstraitesentre grandeurs physiques;- d"autre part, l"expérimentation qui repose sur la mesure des grandeurs physiqueset qui, en leur associant une valeur numérique permet de définir quantitative-ment les propriétés des objets, de vérifier numériquement les lois physiques oud"en établir empiriquement la forme.Alors que la science cherche à saisir puis à exprimer mathématiquement dans desthéories cohérentes les lois régissant les rapports des grandeurs physiques, la tech-nique utilise ces lois et les propriétés de la matière pour créer de toute pièce desdispositifs ou des matériaux nouveaux qui permettent à l"homme d"accroître sesmoyens d"action afin de mieux assurer sa subsistance, de faciliter ses échanges et deréduire sa peine.Si,dansunpremier temps,latechnique futun recueil deprocédés empiriques,fruitsde l"observation, de tâtonnements aléatoires ou d"essais successifs, la connaissancedeslois de la nature a permis à la technique de rationaliser sa démarche et de devenirune science de la réalisation.

La mesure y joue dès lors un rôle capital.

La construc-tion d"une machine ou la mise au point de matériaux nouveaux exigent de donnerà leurs éléments constitutifs des caractéristiques que la mesure permet d"ajuster auxvaleurs appropriées.

Le fonctionnement d"une machine ou d"un appareillage doitêtre contrôlé afin que soient assurées la qualité des fabrications et la sécurité deshommes et des installations : or, contrôler c"est d"abord vérifier par la mesure qu"uncertain nombre de grandeurs physiques ont les valeurs assignées.Dans les laboratoires de recherche scientifique comme dans les installations indus-triellesl"unedestâchesprincipalesduchercheur comme du technicien est doncd"effectuer les mesures des grandeurs physiques variées qui déterminent leurs expé-riences ou conditionnent le déroulement correct de leurs fabrications.Afin d"être menée à bien, l"opération de mesure nécessite généralement que l"infor-mation qu"elle délivre soit transmise à distance du point où elle est saisie, protégéecontre l"altération par des phénomènes parasites, amplifiée, avant d"être exploitée dediverses manières : affichée, enregistrée, traitée par calculateur.

L"électronique offreà cet égard des moyens divers et puissants : pour en tirer le meilleur parti et qu"enbénéficient les mesures de tous types de grandeurs physiques, comme leur traite-© Dunod.

La photocopie non autorisée est un délit.XIII“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page xiv — #14ment et leur exploitation, il est très souhaitable de transposer immédiatement sousla forme d"un signal électrique chacune des grandeurs physiques intéressantes.C"est le rôle du capteur que d"assurer cette duplication de l"information en la trans-férant, au point mêmeoù se fait la mesure, de la grandeur physique (non électrique)qui lui est propre, sur une grandeur électrique : courant, tension, charge ou impé-dance.Cet ouvrage se propose de décrire, pour les grandeurs physiques les plus couram-ment mesurées dans les laboratoires et les installations industrielles les divers typesde capteurs utilisables.Un capteur est d"abord le résultat de l"exploitation ingénieuse d"une loi physique :c"est pourquoi une place importante est donnée dans ce livre aux principes phy-siques qui sont à leur base.

C"est d"eux en effet que découlent les propriétés spéci-fiquesdechaquetypedecapteur:performances, domaine d"application et règles debonne utilisation.

Il en est de même des caractéristiques électriques du capteur quiimposent à l"utilisateur le choix de circuits électriques associés parfaitement adaptésafin que le signal délivré soit obtenu et puisse être traité dans les meilleures condi-tions.Principes physiques, propriétés spécifiques, montages électriques associés sont lestrois aspects principaux sous lesquels sera étudié chaque type de capteur." On devrait toujours en commençant un livre se demander en son âme etconscience si la rédaction vous en apparaît comme indispensable» écrivait Lecomtedu Noüy au début deL"Homme devant la Science.

Cette interrogation était sans cesseprésente à notre esprit.

Si cet ouvrage aide l"expérimentateurconfronté à l"infinie di-versité des problèmes de mesure à choisir rationnellement le capteur et à l"utiliserjudicieusementnous aurons fait oeuvre, non peut-être indispensable, mais du moinsutile.RemerciementsA.

Deguin, maître-assistant, A.

Dolce, chef de travaux à l"université de Lyon 1, ontcontribué par leurs critiques et leurs conseils à la bonne réalisation de cet ouvrage.Les secrétaires,en particulierMadameB.Chanut,ont, avecpatience etcompétence,dactylographié les versions souvent successives de ce texte.XIV“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page 1 — #151PRINCIPES FONDAMENTAUX1.

1) Définitions et caractéristiques généralesLa grandeur physique objet de la mesure : déplacement, température, pression, etc.est désignée comme lemesurandeet représentée parm; l"ensemble des opérationsexpérimentales qui concourent à la connaissance de la valeur numérique du me-surande constitue sonmesurage.

Lorsque le mesurage utilise des moyens électro-niques de traitement du signal, il est nécessaire de produire à partir du mesurandeune grandeur électrique qui en soit une représentation aussi exacte que possible :ceci signifie que la grandeur électrique etses variations apportent toute l"informa-tion nécessaire à la connaissance du mesurande.

Lecapteurest le dispositif quisoumis à l"action d"un mesurande non électrique présente une caractéristique denature électrique (charge, tension, courant ou impédance) désignée parset qui estfonction du mesurande :s=F(m)sest lagrandeur de sortieouréponse du capteur,mest lagrandeur d"entréeouexcitation.Lamesuredesdoitpermettredeconnaîtrelavaleurdem(figure 1.1).La relations=F(m) résulte dans sa forme théorique des lois physiques qui régissentFigure 1.1 -Exemple d"évolution d"un mesurandemet de la réponsescorrespondante ducapteur.© Dunod.

La photocopie non autorisée est un délit.1“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page 2 — #16le fonctionnement du capteur et dans son expression numérique de sa construction(géométrie, dimensions), des matériaux qui le constituent et éventuellement de sonenvironnement et de son mode d"emploi (température, alimentation).

Pour toutcapteur la relations=F(m) sous sa forme numériquement exploitable est explicitéeparétalonnage:pourunensembledevaleursdemconnues avec précision, on me-sure les valeurs correspondantes desce qui permet de tracer la courbe d"étalonnage(figure 1.2a); cette dernière, à toute valeur mesurée des, permet d"associer la valeurdemqui la détermine (figure 1.2b).Figure 1.2 -Courbe d"étalonnage d"un capteur : a) son établissement, à partir de valeursconnues du mesurandem; b) son exploitation, à partir des valeurs mesurées de la réponsesdu capteur.Pour des raisons de facilité d"exploitation on s"efforce de