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“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page iii — #3

Georges Asch

Bernard Poussery

LES CAPTEURS

EN INSTRUMENTATION

INDUSTRIELLE

Préface de Marc Desjardins,

ancien président du comité "Capteurs» au ministère de la Recherche et de l"Industrie 8 e

édition

“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page iv — #4

Collaborateurs

Pierre DESGOUTTE,docteur ès sciences

Pierre ANDRÉ,ingénieur

Jacques BEAUFRONT,directeur d'études

Georges CHARNAY,chercheur au CNRS

Geneviève COMTE-BELLOT,professeur émérite

Bernard CRÉTINON,responsable de laboratoire

Jacques FOULETIER,professeur des universités

Nicole JAFFREZIC,chercheur au CNRS

Claude JOUVENOT,ingénieur

Stéphane LAUDREL,ingénieur

Pierre LIVROZET,ingénieur

Jean-Louis MARTY,professeur des universités

Alain MAZERAN,ingénieur

Jacques MÉRIGOUX,ingénieur

Patrick PAIROT DEFONTENAY,ingénieur

Alain PIQUET,docteur ès sciences

Jean-Claude PRIGENT,ingénieur

Jean-Paul SCHON,professeur des universités

Michel SUNYACH,professeur des universités

Jacques TACUSSEL,ingénieur

Uri ZELBSTEIN,ingénieur

Photo de couverture : © curraheeshutter - istockphoto.com

©Dunod, 1983, 2006, 2010, 2017

11 rue Paul Bert, 92240 Malakoff

www.dunod.com

ISBN 978-2-10-076020-6

“asch_76020" (Col. : Technique et Ingénierie 17x24) — 2017/9/26 — 14:53 — page v — #5

PRÉFACE

Ce 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 refuse de plus en plus à tout savoir intraduisible en chiffre.

Paul Valéry

Paul Valéry ne savait probablement pas combien son affirmation serait, en 1982, d"actualité.Notremondeest,etsera,eneffetdeplus enpluspénétrédesapplications de 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 pas atteintes et ne le seront jamais. Il nous apparaît, à ce jour, que la mesure joue un rôle de plus en plus fondamental dans le développement des activités industrielles avec la sophistication des automatismes, larobotique, le contrôle de la qualité, les économies d"énergie, la lutte contre la pollution, etc. De plus, la mesure, au travers de l"automatisme, trouve maintenant des applications nombreuses dans la concep- tion et la réalisation des biens de consommation, l"électroménager, l"automobile, les jouets, etc. La mesure devient un facteur essentiel de l"économie; elle doit être traitée avec une attention 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 donc un événement important qu"il convient de souligner. De nombreux livres français et étrangers ont déjà traité, directement ouindirectement, de ce sujet, mais le rythme des 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 manquait dans la bibliothèque des enseignants, des étudiants, des ingénieurs et techniciens concernés par la mesure. Lesauteursont brillammentréussi dansuneentreprise particulièrementdifficile,car ce domaine spécifique de l"instrumentation est d"un abord délicat. La conception d"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 tout récemment la biologie. © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. V

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Il étaitindispensable, pour rédiger ce livre, de posséder un savoir scientifique étendu et 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 ses caractéristiques 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 par l"homme, nous trouvons, d"une part, un rappel théorique expliquant le fonction- nement, sans abuser de l"habillage mathématique, et, d"autre part, des informations originales 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"ouvrage enusantlargementdel"illustrationetdelaprésentationphotographique deproduits existants et commercialisés. Le présent traité est remarquable par son niveau d"actualité. Les dispositifs les plus récemment étudiés, et encore en cours d"expérimentation dans les laboratoires de recherche, 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 mettre une oeuvre aussi complète et utile.

Marc Desjardins

Ancien président du Comité " Capteurs»

au ministère de la Recherche et de l"Industrie VI

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TABLE DES MATIÈRES

Préface V

Avant-propos XIII

1•Principes fondamentaux 1

par G. Asch, P. Desgoutte et B. Poussery

1.1 Définitions et caractéristiques générales1

1.2 Capteurs actifs3

1.3 Capteurs passifs5

1.4 Corps d"épreuve. Capteurs composites7

1.5 Grandeurs d"influence9

1.6 La chaîne de mesure10

1.7 Capteurs intégrés12

1.8 Capteurs intelligents15

1.9 Les signaux des capteurs d"instrumentation industrielle15

2•Caractéristiques métrologiques 23

2.1 Les erreurs de mesure23

2.2 Étalonnage du capteur28

2.3 Limites d"utilisation du capteur32

2.4 Sensibilité33

2.5 Rapidité - Temps de réponse45

2.6 Discrétion ou finesse52

3•Conditionneurs des capteurs passifs 61

3.1 Caractéristiques générales des conditionneurs de capteurs passifs61

3.2 Montage potentiométrique65

3.3 Les ponts77

3.4 Les oscillateurs96

3.5 Forme et spectre de fréquence du signal à la sortie du conditionneur99

4•Conditionneurs du signal 111

4.1 Adaptation de la source du signal à la chaîne de mesure111

4.2 Linéarisation113

4.3 Amplification du signal et réduction de la tension de mode commun130

4.4 Détection de l"information137

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. VII

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5•Capteurs optiques 147

5.1 La lumière - Propriétés fondamentales147

5.2 Photométrie149

5.3 La lumière, support d"information152

5.4 Sources lumineuses153

5.5 Caractéristiques métrologiques propres aux capteurs optiques154

5.6 Cellule photoconductrice159

5.7 Photodiode171

5.8 Photodiode à avalanche185

5.9 Phototransistor189

5.10 Capteurs photoémissifs198

5.11 Détecteurs thermiques218

5.12 Capteurs d"images229

5.13 Fibres optiques237

6•Capteurs de température 247

6.1 Les échelles de température248

6.2 Température mesurée et température à mesurer252

6.3 Thermométrie par résistance265

6.4 Thermométrie par thermocouple294

6.5 Thermométrie par diodes et transistors318

6.6 Thermométrie par le bruit de fond326

6.7 Thermométrie par quartz328

6.8 Mesure de température sur des corps en mouvement335

6.9 Pyrométrie optique337

7•Capteurs de position et déplacement 355

7.1 Potentiomètre résistif355

7.2 Capteurs inductifs368

7.3 Capteurs capacitifs393

7.4 Capteurs digitaux403

7.5 Capteurs à propagation d"ondes élastiques409

7.6 Capteurs de proximité414

7.7 Capteurs optiques de position430

8•Capteurs de déformation 435

par G. Asch, P. Desgoutte et A. Mazeran

8.1 Définition des grandeurs mécaniques utiles435

8.2 Principes généraux436

8.3 Jauges résistives métalliques438

8.4 Sensibilité transversale440

8.5 Influence de la température sur la résistance d"une jauge fixée441

8.6 Jauges résistives semi-conductrices, ou piézorésistances444

8.7 Fonctionnement dynamique des jauges451

8.8 Rosettes452

8.9 Méthodes de mesure453

8.10 Extensomètre à corde vibrante462

VIII

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8.11 Extensomètres pour hautes températures464

9•Capteurs tachymétriques 469

par G. Asch et P. Desgoutte

9.1 Tachymètres électromagnétiques de vitesse angulaire470

9.2 Tachymètres électromagnétiques de vitesse linéaire479

9.3 Tachymètres de vitesse angulaire à impulsions481

9.4 Gyromètres484

10•Capteurs de force, pesage, couple 489

par P. Desgoutte, P. Pairot et J.-C. Prigent

10.1 Capteurs piézoélectriques490

10.2 Capteurs à magnétostriction513

10.3 Capteurs à jauges d"extensométrie518

10.4 Capteurs de force par mesure de déplacement533

10.5 Capteurs de couple535

10.6 Capteur tactile : peau artificielle542

11•Capteurs d"accélération, vibration, choc 545

par P. André, J. Beaufront, P. Desgoutte et C. Jouvenot

11.1 Considérations générales545

11.2 Accéléromètres piézoélectriques et piézorésistifs :

caractéristiques communes552

11.3 Accéléromètres piézoélectriques564

11.4 Accéléromètres piézorésistifs572

11.5 Accéléromètres utilisant une mesure de déplacement583

11.6 Accéléromètres asservis588

12•Capteurs de vitesse, débit, masse volumique,

niveau de fluides 595 par G. Asch, G. Charnay, J.-P. Schon, G. Comte-Bellot et B. Poussery

12.1 Notions élémentaires de mécanique des fluides595

12.2 Vitesse des fluides : capteurs et méthodes de mesure604

12.3 Débitmétrie621

12.4 Mesure de masse volumique654

12.5 Mesure et détection de niveau658

13•Pression 675

par U. Zelbstein et B. Poussery

13.1 Généralités676

13.2 Principes de la mesure677

13.3 Critères d"utilisation et caractéristiques métrologiques682

13.4 Procédés de conversion684

13.5 Organisation d"un capteur industriel694

13.6 Étalonnage707

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. IX

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14•Capteurs de mesure du vide 711

par A. Piquet

14.1 Rappel sur les propriétés physiques des gaz711

14.2 Différents domaines du vide - Types de jauges715

14.3 Jauges à déformation716

14.4 Jauges à fil chaud721

14.5 Jauges à ionisation728

14.6 Appareils pour l"étalonnage des jauges à vide737

15•Capteurs acoustiques 741

par M. Sunyach

15.1 Choix des grandeurs à mesurer741

15.2 Généralités sur les microphones744

15.3 Principaux types de microphones747

15.4 Microphones à condensateur755

15.5 Microphones électrodynamiques767

15.6 Intensimétrie771

16•Détecteurs de rayonnements nucléaires 777

par G. Asch et P. Desgoutte

16.1 Radioactivité - Notions élémentaires777

16.2 Détecteurs à ionisation dans les gaz790

16.3 Détecteurs à scintillation796

16.4 Détecteurs semi-conducteurs799

17•Capteurs d"humidité 805

par B. Crétinon et J. Mérigoux

17.1 Principales définitions relatives à l"air humide806

17.2 Les hygromètres809

17.3 Hygromètre à condensation810

17.4 Hygromètre à sorption813

17.5 Hygromètres à variation d"impédance pour la mesure de l"humidité

relative817

17.6 Hygromètre à variation d"impédance pour la mesure de la température

de rosée819

17.7 Hygromètre électrolytique821

17.8 Psychromètre824

17.9 Étalonnage des hygromètres826

17.10 Hygrométrie des solides830

18•Capteurs électrochimiques 837

par P. Livrozet et J. Tacussel

18.1 Classification des capteurs électrochimiques837

18.2 Capteurs potentiométriques839

18.3 Capteurs ampérométriques862

18.4 Capteurs conductimétriques864

X

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19•Capteurs de composition gazeuse 869

par J. Fouletier

19.1 Capteurs à électrolyte solide870

19.2 Capteurs à variation d"impédance882

19.3 Capteur à quartz piézoélectrique885

19.4 Capteurs catalytiques886

19.5 Catharomètres887

19.6 Capteurs paramagnétiques888

19.7 Analyseurs optiques892

19.8 GASFET895

19.9 Réseau des capteurs895

19.10 Conclusions896

20•Biocapteurs 901

par J.L. Marty

20.1 Les biorécepteurs902

20.2 Méthodes d"immobilisation904

20.3 Les principaux types de biocapteurs906

20.4 Caractéristiques des biocapteurs914

20.5 Applications916

Index 919

© Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. XI

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AVANT-PROPOS

La 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 abstraites entre grandeurs physiques; - d"autre part, l"expérimentation qui repose sur la mesure des grandeurs physiques et qui, en leur associant une valeur numérique permet de définir quantitative- ment les propriétés des objets, de vérifier numériquement les lois physiques ou d"en établir empiriquement la forme. Alors que la science cherche à saisir puis à exprimer mathématiquement dans des théories 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 des dispositifs ou des matériaux nouveaux qui permettent à l"homme d"accroître ses moyens d"action afin de mieux assurer sa subsistance, de faciliter ses échanges et de réduire sa peine. Si,dansunpremier temps,latechnique futun recueil deprocédés empiriques,fruits de l"observation, de tâtonnements aléatoires ou d"essais successifs, la connaissance deslois de la nature a permis à la technique de rationaliser sa démarche et de devenir une 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 donner à leurs éléments constitutifs des caractéristiques que la mesure permet d"ajuster aux valeurs appropriées. Le fonctionnement d"une machine ou d"un appareillage doit

être contrôlé afin que soient assurées la qualité des fabrications et la sécurité des

hommes et des installations : or, contrôler c"est d"abord vérifier par la mesure qu"un certain 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 donc d"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, protégée

contre l"altération par des phénomènes parasites, amplifiée, avant d"être exploitée de

diverses manières : affichée, enregistrée, traitée par calculateur. L"électronique offre

à cet égard des moyens divers et puissants : pour en tirer le meilleur parti et qu"en bénéficient les mesures de tous types de grandeurs physiques, comme leur traite- © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. XIII

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ment et leur exploitation, il est très souhaitable de transposer immédiatement sous la 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 types de 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 de bonne utilisation. Il en est de même des caractéristiques électriques du capteur qui imposent à l"utilisateur le choix de circuits électriques associés parfaitement adaptés afin que le signal délivré soit obtenu et puisse être traité dans les meilleures condi- tions. Principes physiques, propriétés spécifiques, montages électriques associés sont les trois aspects principaux sous lesquels sera étudié chaque type de capteur. " On devrait toujours en commençant un livre se demander en son âme et conscience si la rédaction vous en apparaît comme indispensable» écrivait Lecomte du Noüy au début deL"Homme devant la Science. Cette interrogation était sans cesse

présente 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"utiliser judicieusementnous aurons fait oeuvre, non peut-être indispensable, mais du moins utile.

Remerciements

A. Deguin, maître-assistant, A. Dolce, chef de travaux à l"université de Lyon 1, ont contribué 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

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1

PRINCIPES FONDAMENTAUX

1.1 Définitions et caractéristiques générales

La grandeur physique objet de la mesure : déplacement, température, pression, etc. est désignée comme lemesurandeet représentée parm; l"ensemble des opérations expérimentales 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 mesurande une 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 qui soumis à l"action d"un mesurande non électrique présente une caractéristique de nature électrique (charge, tension, courant ou impédance) désignée parset qui est fonction du mesurande : s=F(m) sest lagrandeur de sortieouréponse du capteur,mest lagrandeur d"entréeou excitation.Lamesuredesdoitpermettredeconnaîtrelavaleurdem(figure 1.1). La relations=F(m) résulte dans sa forme théorique des lois physiques qui régissent Figure 1.1 -Exemple d"évolution d"un mesurandemet de la réponsescorrespondante du capteur. © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. 1

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1•Principes fondamentaux1.1. Définitions et caractéristiques générales

le fonctionnement du capteur et dans son expression numérique de sa construction (géométrie, dimensions), des matériaux qui le constituent et éventuellement de son environnement et de son mode d"emploi (température, alimentation). Pour tout capteur la relations=F(m) sous sa forme numériquement exploitable est explicitée parétalonnage:pourunensembledevaleursdemconnues avec précision, on me- sure les valeurs correspondantes desce qui permet de tracer la courbe d"étalonnagequotesdbs_dbs1.pdfusesText_1

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