Capteur

Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, telle qu'une tension électrique, une hauteur de mercure, un courant électrique ou la déviation d'une aiguille.

Le capteur se distingue de l'instrument de mesure par le fait qu'il ne s'agit que d'une interface entre un processus physique et une information manipulable. Par opposition, l'instrument de mesure est un appareil se suffisant à lui-même, disposant d'un affichage ou d'un système de stockage des données. Le capteur, lui, en est dépourvu.

De même, un capteur est distinct d'un transducteur : il est au minimum constitué d'un transducteur.

Les capteurs sont les éléments de base des systèmes d'acquisition de données. Leur mise en œuvre est du domaine de l'instrumentation.

Classification

Apports énergétiques

Capteurs passifs 
Ils ont besoin dans la plupart des cas d'apport d'énergie extérieure pour fonctionner ( thermistance, photorésistance, potentiomètre, jauge d’extensométrie appelée aussi jauge de contrainte). Ce sont des capteurs modélisables par une impédance. Une variation du phénomène physique étudié (mesuré) engendre une variation de l'impédance. Il faut leur appliquer une tension pour obtenir un signal de sortie.

Capteurs actifs 

On parle de capteur actif lorsque le phénomène physique qui est utilisé pour la détermination du mesurande effectue directement la transformation en grandeur électrique. C'est la loi physique elle-même qui relie mesure et grandeur électrique de sortie.

Un capteur actif fonctionne assez souvent en électromoteur et dans ce cas, la grandeur de sortie est une différence de potentiel.

Le nombre des lois physiques permettant une telle transformation est évidemment limité, on peut donc recenser facilement les capteurs actifs (dont le nombre est fini). Toutefois, les domaines d'application sont eux très étendus.

Type de sortie 
Les capteurs et leurs conditionneurs peuvent aussi faire l'objet d'une classification par type de sortie :

Capteurs analogiques 
La sortie est une grandeur électrique dont la valeur est une fonction de la grandeur physique mesurée par le capteur. La sortie peut prendre une infinité de valeurs continues.
Le signal des capteurs analogiques peut être du type :
 sortie tension ;
 sortie courant ;
 règle graduée, cadran, jauge (avec une aiguille ou un fluide) ;
 etc.

Quelques capteurs analogiques typiques :
 capteur à jauge de contrainte ;
 LVDT ;
 thermocouple.

Capteurs numériques 
La sortie est une séquence d'états logiques qui, en se suivant, forment un nombre. La sortie peut prendre un grand nombre de valeurs discrètes.
Le signal des capteurs numériques peut être du type :
 train d'impulsions, avec un nombre précis d'impulsions ou avec une fréquence précise ;
 code numérique binaire ;
 bus de terrain ;
 etc.

Quelques capteurs numériques typiques :
 codeur rotatif incrémental ;
 codeurs référentiels AA34.

Capteurs logiques 

Ou capteurs TOR. La sortie est un état logique que l'on note 1 ou 0. La sortie peut prendre ces deux valeurs.
Il y a notamment 4 types de capteurs logiques :
 courant présent/absent dans un circuit ;
 potentiel, souvent / ;
 DEL allumée/éteinte ;
 signal pneumatique (pression normale/forte pression) ;
 etc.

Quelques capteurs logiques typiques :
 capteurs de fin de course ;
 capteurs de rupture d'un faisceau lumineux ;
 divers capteurs de position.

Type de détection 

 Détection avec contact (le capteur doit entrer en contact physique avec un phénomène pour le détecter).
 Détection sans contact (le capteur détecte le phénomène à proximité de celui-ci).

Caractéristiques 
Un capteur est caractérisé selon plusieurs critères dont les plus courants sont :
 la grandeur physique observée ;
 son étendue de mesure (gamme de mesure) ;
 sa résolution ;
 sa sensibilité ;
 sa précision ;
 sa reproductibilité ;
 sa linéarité ;
 sa rapidité (temps de réponse) ;
 sa bande passante ;
 son hystérésis ;
 sa gamme de température d'utilisation.

Pour utiliser un capteur dans les meilleures conditions, il est souvent utile de pratiquer un étalonnage et de connaître les incertitudes de mesure relatives à celui-ci.

Capteurs proprioceptifs et extéroceptifs 
En robotique mobile, il est important de distinguer entre des capteurs proprioceptifs, qui effectuent leurs mesures par rapport à ce qu'ils perçoivent localement du déplacement du robot, ou extéroceptifs, qui se basent sur des mesures prises par rapport à son environnement global (repère absolu). Par exemple, des capteurs mesurant les déplacements angulaires des roues d'un robot pourront permettre de reconstituer sa trajectoire à condition que les roues ne glissent pas (dérapage, patinage). Ce sont des capteurs proprioceptifs. Par contre, le repérage par une tourelle laser de balises optiques fixées dans l'environnement de déplacement du robot permet une mesure absolue. On parle alors d'un capteur extéroceptif.

Capteurs intelligents 
Les dernières années du  ont vu apparaître le concept de capteurs intelligents.

En plus de leur faculté de mesurer une grandeur physique, ils possèdent d'autres fonctionnalités dont voici une liste non exhaustive :
 fonctions configurables de traitement du signal (filtre, gains) ;
 fonctions d'auto-test et d'auto-contrôle ;
 étalonnage automatique ;
 sortie sur des bus de terrain.

Principes physiques courants exploités par les capteurs 
 Variation de capacité.
 Variation d'inductance.
 Variation de résistance.
 Effet Hall.
 Induction.
 Effet Faraday.
 Effet photoélectrique.
 Dilatation, déformation.
 Piézo-électricité.
 Effet Doppler.
 Principe de la corde vibrante.
 Effet thermoélectrique ou effet Seebeck.

Recensement des capteurs par grandeur physique mesurée

Angle 
La traduction directement numérique de l'angle d'un axe tournant est un atout majeur dans les systèmes qui travaillent avec des signaux numérisés. Elle permet un gain de temps (car pas de conditionnement du signal analogique et économie d'une conversion analogique en numérique) et surtout de précision.
Le codeur rotatif est un capteur de position angulaire lié mécaniquement à l'axe de rotation du système sur lequel on travaille.

Principe de fonctionnement : 
 entraînement d'un disque qui comporte une succession de parties opaques et de fenêtres transparentes.
Ces parties déterminent les deux niveaux logiques, la lumière émise par des diodes électroluminescentes ou des diodes laser est focalisée au travers de chaque piste sur un phototransistor lui faisant face.
 L'interface électronique, incluse dans le codeur, traite le signal reçu par le phototransistor et le convertit en signal rectangulaire (= signal de sortie du codeur).

Il existe deux types principaux de codeurs de position rotatifs :
 les codeurs incrémentaux relatifs ;
 les codeurs absolus.

Contrainte 
 corde vibrante
 piézo-électrique
 jauge de contrainte (jauge de déformation)
 plot magnétique

Courant 
 capteur de courant à effet Hall
 shunt
 fluxgate
 capteur de courant à effet Néel

Champ magnétique 
Le capteur de champ magnétique (ou capteur magnétique) est l'élément de base (élément sensible) du magnétomètre. Il en existe de nombreuses sortes :
 capteur magnétique à effet Hall ;
 capteur magnétique utilisant l'effet Faraday ;
 fluxgate ;
 fluxmètre ;
 magnétorésistance :
 magnétorésistance anisotrope (ou AMR),
 magnétorésistance géante (ou GMR),
 magnétorésistance à effet tunnel (ou TMR) ;
 magnétoimpédance géante (ou GMI).

Débit 
 débitmètre à turbine
 débitmètre à roues ovales
 plaque à orifice
 tube de Pitot
 débitmètre à effet vortex
 débitmètre électromagnétique
 débitmètre à Venturi
 débitmètre à ultrasons
 débitmètre ionique
 débitmètre massique

Déplacement 
Voir Capteur de déplacement.

Distance 
 inductif
 variation de reluctance
 courants de Foucault
 capacitif
 optique
 capteur sans arrière-plan
 confocal chromatique
 triangulation
 réflexion
 lidar
 stéréovision
 ultrason
 micro-onde

Force 
Voir Capteur de force.

Gaz 
Voir Capteur de gaz.

Inertiels 
 accéléromètre
 inclinomètre
 gyromètre
 gyroscope

Lumière 
 photodiode ou phototransistor
 capteur photographique
 cellule photoélectrique

Niveau 
 à pression différentielle
 à sonde capacitive
 à tube de torsion
 à flotteur (par exemple poire de niveau)
 à rayon gamma
 à ultrasons
 par radar

Position 
 souris (informatique)
 capteur de proximité
 codeur
 détecteur de mouvement
 LVDT et RVDT
 corde vibrante
 interrupteur de position
 butée machine

Pression 
Voir Sonde de pression.
 tube de Bourdon
 capsule anéroïde
 piézo-électrique
 corde vibrante
 baromètre
 hypsomètre

Son 
 microphone
 micro pour instruments
 micro magnétique pour guitare électrique
 hydrophone

Température 

 thermomètre
 thermomètre à résistance de platine, généralement utilisé jusqu'à  : sonde Pt 100…
Leurs caractéristiques sont indiquées par la norme NF EN 60751.
 thermocouple, appelé aussi couple thermoélectrique, généralement utilisé au-delà de . Les types suivants sont les plus couramment utilisés :
 T : cuivre / cuivre-nickel ;
 J : fer / cuivre-nickel ;
 K : nickel-chrome / nickel-aluminium ;
 N : Nicrosil / Nisil.
Leurs caractéristiques sont indiquées par les normes NF EN 60584-1 et NF EN 61515.
 thermomètre ou pyromètre infrarouge
 thermistance

Exemples d'utilisation

Capteurs de niveau à bord des bateaux 
Lors des opérations de transfert, chargement, déchargements ou pour le stockage dans les citernes, ballasts ou cales d'un navire, il est important de connaître l'état de leurs remplissage. Cette information peut être communiquée soit de manière continue, soit par la détection de seuils (niveaux : bas, haut, très haut).

Mesure continue 
Un capteur de niveau est placé sur le réservoir dont on veut connaître le remplissage. Il délivre un signal dont l'amplitude ou la fréquence est directement fonction du niveau du réservoir. On peut donc connaître à tout moment le niveau de remplissage du réservoir ou le volume encore disponible.

Détection de seuils 
Plusieurs capteurs sont placés sur le réservoir à mesurer. Ces capteurs délivrent une information binaire indiquant si le niveau est atteint ou non. Cette détection peut être utilisée pour l'arrêt ou le démarrage d'une pompe. Un niveau haut évite un débordement du réservoir et un niveau bas assure une réserve minimale.

On utilise différents types de capteurs en fonction de la nature du produit. On utilise les propriétés physiques et chimiques, viscosité, si on veut une mesure par seuil ou continue.

Méthode hydrostatique 

Le capteur donne une information en continu directement en fonction de la hauteur du fluide dans le réservoir.

Méthode électrique 
On utilise les propriétés de conductivité du fluide. Il faut faire attention à la corrosion et à la polarisation des sondes car elles sont parcourues par un courant électrique. Cette méthode peut parfois être utilisée pour des solides.

Références

Voir aussi

Bibliographie 
 Georges Asch, Les capteurs en instrumentation industrielle, Dunod  
 F. Baudoin, M. Lavabre, Capteurs : principes et utilisations, Éd. Casteilla, 2007

Articles connexes 
 Amplificateur d'instrumentation
 Capteur (télédétection)
 Expérimentation Assistée par Ordinateur (ExAO)
 Station météorologique
 Capteur solaire thermique
 Capteur biométrique
 IEEE Sensors Journal

Liens externes 
  Capteurs et types de capteurs, sur robotplatform.com