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1

Mesurande Mesure

Mesurage

Capteurs et ŃOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ

Edité le 18/06/2015 Hélène HORSIN MOLINARO - (ULŃ 9285F·+ ² Jean-Pierre BARBOT

Les capteurs sont des éléments sensibles à des grandeurs physiques TX·LOV PUMQVIRUPHQP HQ

grandeur électrique (en général une tension). Ils sont souvent intégrés à ŃOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ

permettant à la grandeur mesurée G·rPUH ŃRQGLPLRQQpH afin que la mesure (ou signal de sortie)

donne une estimation optimisée du mesurande. Figure 1 6ŃOpPM GH OM ŃOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ G·XQH PHVXUH

Cette ressource a pour objectifs de présenter les principes généraux des capteurs et de leurs

ŃOMvQHV G·MŃTXLVLPLRQB 4XHOTXHV H[HPSOHV GH ŃMSPHXUs sont donnés, dont les caractéristiques

générales sont présentées.

1 ² Introduction

11 - Le mesurande, grandeur physique à mesurer

Une mesure est une représentation quantifiée d'une grandeur physique (température, pression,

ŃOMPS PMJQpPLTXH ". On définit la terminologie suivante : Mesurande : grandeur physique soumise à un mesurage (pression, température, ...), Mesurage : toutes les opérations permettant l'obtention de la valeur d'une grandeur physique (mesurande), Mesure : valeur numérique représentant le mesurande (6 MPa, 20°C, 2 m.s-1 ...). HO HVP j QRPHU TX·LO HVP SRVVLNOH GH réaliser des capteurs permettant de mesurer des grandeurs

dérivées de la grandeur physique à laquelle ils sont sensibles (vitesse, contrainte mécanique,

position ...)

12 - La chaîne d'acquisition

IM ŃOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ a pour fonction de recueillir et transformer la grandeur à mesurer sous

une forme adaptée à son exploitation. Le capteur peut à la fois réaliser la mesure et faire partie

du conditionnement (comme dans un montage en pont de Wheatstone) ou bien être dissocié

(comme schématisé figure 1).

3UHQRQV O·H[HPSOH G·XQH PHVXUH GH PHPSpUMPXUH T via une thermistance, dipôle résistif dont la

résistance électrique R (figure 2a) varie en fonction la température R(T) = R0 + R(T). La mesure

directe de la tension V inclut deux termes : une composante continue V0 et une variation de

tension due à la variation de température, V = V0 + V. Il est possible de réaliser la mesure de

PHPSpUMPXUH YLM OM PHQVLRQ MX[ NRUQHV G·XQH VHXOH POHUPLVPMQŃH PMLV ŃHPPH PpPORGH SUpVHQPH des

Mesurande Capteur Conditionnement Mesure

FOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ

2

inconvénients, en particulier celui de délivrer un signal de sortie dont seule une faible proportion

est dépendante du mesurande. HO HVP SUpIpUMNOH GH UpMOLVHU OM PHVXUH MX PR\HQ G·XQ PRQPMJH GH P\SH pont de Wheatstone qui

SHUPHP GH Q·H[PUMLUH TXH OM YMULMPLRQ GH VLgnal dépendante du mesurande (température). Quatre

résistances y sont montées en pont (figure 2b). Le fonctionnement du montage repose sur le

simple principe du pont diviseur de tension. A O·pTXLOLNUH PHPSpUMPXUH de référence) les quatre

résistances sont égales et la tension de sortie Vs est nulle. IH PRQPMJH QH ŃRPSRUPH TX·XQH VHXOH

résistance qui soit sensible à la température. Sa variation R(T) entraine une variation de la

tension de sortie Vs : 04 )(1 1)(4 R

TRTRIVs

(a) (b) Figure 2 M PRQPMJH G·XQH UpVLVPMQŃH VHXOH N PRQPMJH HQ SRQP GH JOHMPVPRQH

IM ŃOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ peut assurer plusieurs rôles par le truchement de divers dispositifs. Le

ŃMSPHXU SOMŃp HQ PrPH GH OM ŃOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ PUMQVIRUPH OH PHVXUMQGH HQ signal électrique

(en général une tension). Le circuit de conditionnement optimise les caractéristiques du signal de

VRUPLH GX ŃMSPHXU ILOPUMJH GX NUXLP MPSOLILŃMPLRQ VXSSUHVVLRQ GH ŃRPSRVMQPH ŃRQPLQXH"B 8QH

conversion analogique/numérique du signal peut également être faite afin par exemple de rendre

la mesure exploitable par un calculateur.

2 - Les capteurs

3UHPLHU pOpPHQP GH OM ŃOMvQH G·MŃTXLVLPLRQ OH ŃMSPHXU M SRXU fonction de délivrer un signal

électrique de sortie s fonction du mesurande m, autrement dit il transforme la mesure de la

grandeur physique en grandeur électrique s(m). Il est à noter que certains capteurs sont passifs

(i.e. IRQŃPLRQQHQP VMQV MOLPHQPMPLRQ pOHŃPULTXH HP G·MXPUHV MŃPLIV QpŃHVVLPHQP XQH MOLPHQPMPLRQ

électrique).

21 ² Quelques exemples de capteurs

Capteur de champ magnétique à effet Hall

Un capteur de Hall est un capteur de champ magnétique B (figure 3) qui consiste en un barreau

de semi conducteur alimenté par un courant I Ń·HVP donc XQ ŃMSPHXU MŃPLIB 6RXV O·HIIHP du champ

à mesurer GLYHUV SOpQRPqQHV HQPUHQP HQ ÓHX IRUŃH GH IRUHQP] ŃOMPS GH +MOO ŃRQVpŃXPLI " HP il

apparait entre les faces supérieure et inférieure du barreau une tension VH proportionnelle à B

qui constitue le signal de sortie. I

R(T) = R0 + R(T)

V = V0 + V

R(T) = R0 + R(T)

R0 R0 R0 5V Vs 3 Figure 3 : Schéma de principe G·XQ ŃMSPHXU j HIIHP +MOO Capteur de contrainte mécanique à effet piézoélectrique

Un capteur piézoélectrique permet de mesurer des déformations et contraintes mécaniques. Il

consiste en un barreau de matériau piézoélectrique : soumis à une déformation, une tension

apparait à ses bornes. F·HVP OM PHVXUH GH ŃHPPH GHUQLqUH TXL SHUPHP GH GpPHUPLQHU OM JUMQGHXU

mécanique. Figure 4 : Schéma de principe G·XQ ŃMSPHXU SLp]RpOHŃPULTXH

Thermistance

Une thermistance est un dipôle résistif dont la résistance électrique R dépend de la température

TB 2Q O·XPLOLVH comme capteur de température HQ H[SORLPMQP OM ORL G·Ohm. Un montage en pont de

JOHMPVPRQH HVP JpQpUMOHPHQP PLV HQ ±XYUH SRXU ŃRQGLPLRQQHU OH VLJQMO YRLU ŃOMSLPUH 12B

Magnétorésistance

Un capteur magnétorésistif est un dipôle résistif dont la résistance électrique R dépend du champ

magnétique B. 2Q O·XPLOLVH ŃRPPH ŃMSPHXU GH ŃOMPS PDJQpWLTXHHQH[SORLWDQWODORLGquotesdbs_dbs4.pdfusesText_8