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Capteur

Un capteur est un dispositif qui permet d'effectuer une mesure d'une grandeur physique qu'il est possible d'observer. Son principe de fonctionnement est assez simple, il travaille typiquement en transformant la grandeur que l'on souhaite mesurer en une autre grandeur, utilisable plus facilement. On pense, par exemple, à la transformation d'une grandeur mesurée en un déplacement d'une aiguille, en une hauteur de mercure dans un tube, ou également en une tension électrique. Comme l'illustre la figure 1, le principe général consiste à transformer la grandeur physique que l'on veut mesurer en une autre grandeur qui pourra être facilement utilisée pour traiter la mesure.

Comme détaillé à la section 1.2, le LM35 est un exemple de capteur qui transforme la valeur mesurée de la température en une tension électrique, proportionnelle à cette dernière. Cette tension électrique pourra, par exemple, être lue par une carte électronique, comme une Arduino, pour en faire un traitement et une analyse.

Signal délivré par un capteur

Un capteur industriel peut être vu comme une interface entre le monde physique et le monde électrique, en tout cas pour ceux qui transforment la grandeur mesurée en une valeur électrique (tension ou courant). On peut dire d'un tel capteur qu'il fournit une « image électrique » de la grandeur physique mesurée, comme une température, une pression, une intensité lumineuse, un son, ou une vitesse, par exemple. On peut classer les capteurs en trois catégories, en fonction du type de signal électrique qu'ils produisent : les logiques, les analogiques et les numériques.

Capteur logique

Le capteur logique produit, comme valeur de sortie, un signal électrique représentant un état logique, c'est-à-dire un signal qui peut prendre deux valeurs différentes. On parle souvent de la valeur basse ($0$ ou faux) et de la valeur haute ($1$ ou vrai).

Un exemple d'un tel capteur est le détecteur de mouvements qui va, par exemple, produire un signal haut lorsqu'un mouvement est détecté et un bas lorsqu'il n'y en a pas. La figure 2 montre un exemple du signal électrique produit par un tel capteur au cours du temps. On y voit qu'un mouvement a été détecté deux fois par le capteur, le deuxième ayant d'ailleurs duré plus longtemps que le premier.

Capteur analogique

Le capteur analogique fournit, comme valeur de sortie, un signal électrique qui varie dans le temps de manière continue, dans un intervalle donné. Au sein de cette plage de valeurs possibles, le capteur peut produire une infinité de valeurs différentes. Les signaux analogiques sont souvent normalisés pour faciliter l'échange entre différents composants, c'est-à-dire qu'ils vont prendre une valeur comprise entre un minimum et un maximum donné, comme une valeur entre 0 V et 5 V, par exemple.

Un exemple d'un tel capteur est la sonde de température qui va, par exemple, produire de manière continue un signal électrique, compris entre 0 V et 5 V, qui sera proportionnel à une température mesurée comprise entre 0 °C et 50 °C. La figure 3 montre un exemple du signal électrique produit par un tel capteur au cours du temps. On y voit que la température monte doucement pour ensuite chuter brutalement.

Capteur numérique

Le capteur numérique fournit, comme valeur de sortie, un signal électrique qui varie dans le temps de manière discrète, dans un intervalle donné. Au sein de cette plage de valeurs possibles, il peut produire un nombre fini de valeurs différentes. Un signal numérique prend généralement plusieurs formes, les plus communes étant le train d'impulsions et le code numérique binaire provenant d'un échantillonnage.

Un train d'impulsions est un signal électrique qui possède deux états stables, comme pour les capteurs logiques, et qui va alterner entre ces deux états stables plus ou moins vite selon la valeur mesurée.

Un exemple d'un capteur produisant des trains d'impulsions est le codeur incrémental, une roue qui va délivrer un certain nombre d'impulsions par tour, en fonction de sa vitesse de rotation. On peut notamment l'utiliser pour mesurer la vitesse angulaire d'un moteur ou d'un axe sur lequel le codeur est rattaché. La figure 4 montre un exemple de signal où on peut voir deux trains d'impulsions, le premier reflétant une vitesse de rotation moins grande que le second.

Enfin, un échantillonnage est un signal électrique qui correspond à l'image numérique d'un signal analogique. Les valeurs possibles du signal analogique sont découpées en intervalles, chacun de ceux-ci étant représenté par une seule valeur dans l'échantillonnage.

Un exemple d'un capteur produisant un échantillonnage est le capteur de pression, un dispositif capable de mesurer des variations de pression et de les convertir en variations de tension électrique. La figure 5 montre un exemple de signal où l'on peut voir que l'intervalle de 0 V à 5 V a été divisé en six valeurs possibles correspondant, par exemple, à des pressions comprises entre 10 bar et 300 bar. Dans ce cas, lorsque le signal numérique indique une valeur 1 V, cela correspondra donc à une pression comprise entre 10 bar et 68 bar.

Capteur actif ou passif

Une autre manière de classer les capteurs consiste à examiner comment ils transforment la grandeur physique que l'on veut mesurer en une grandeur électrique. Suivant cette méthode de classification, on distingue les capteurs actifs des capteurs passifs.

Un capteur actif est un capteur pour lequel la conversion entre la grandeur physique à mesurer et le signal électrique produit en sortie est directement assurée par un phénomène physique. Pour ce type de capteurs, c'est donc directement une loi physique elle-même qui relie la grandeur mesurée avec la grandeur électrique de sortie.

Un exemple de capteur actif est un capteur de pression qui utilise l'effet piézoélectrique, une propriété que possèdent certains matériaux de produire des charges électriques lorsqu'une contrainte mécanique leur est appliquée. Des capteurs utilisant cet effet sont typiquement utilisés pour mesurer des forces ou des pressions.

Un capteur passif est un capteur que l'on peut modéliser comme une impédance dont l'un des paramètres déterminants est sensible à la grandeur physique à mesurer. Dans ce type de capteur, une variation de la grandeur mesurée résulte en une variation de l'impédance. Il suffit simplement d'appliquer une tension sur cette dernière pour obtenir un signal électrique en lien avec la grandeur mesurée. Ces capteurs ont donc besoin d'un apport d'énergie extérieur pour fonctionner.

Un exemple de capteur passif est un capteur d'humidité conçu à partir de chlorure de lithium (LiCl) dont la résistivité va être modifiée en fonction de l'humidité : elle sera plus grande lorsque le LiCL est sec et plus faible lorsqu'il est humide.

Caractéristique d'un capteur

En plus du type de capteur, défini sur base du type de signal électrique produit, on peut s'intéresser aux caractéristiques des capteurs. On va en parcourir quelques-unes dans cette section et découvrir comment obtenir les valeurs de ces caractéristiques en consultant la documentation technique du capteur. Voici une série de caractéristiques de base qui concernent la plupart des capteurs existants :

• La première caractéristique, la plus importante, est évidemment la grandeur physique mesurée par le capteur.
• On s'intéresse également à la gamme ou plage de mesures que le capteur est capable de prendre, c'est-à-dire la plus petite et la plus grande valeur qu'il sait mesurer. De cette plage, on obtient l'étendue de mesure qui correspond simplement à la différence entre les deux valeurs extrêmes mesurables.
• La sensibilité d'un capteur indique quelle variation du signal de sortie correspond à quelle variation du signal d'entrée.
• La résolution d'un capteur correspond à la plus petite variation de la grandeur mesurée qui produit une variation perceptible par le capteur et qui résultera donc en une variation de la mesure faite.
• Un bon capteur possède un temps de réponse court, c'est-à-dire la rapidité avec laquelle son signal de sortie sera modifié lorsque la grandeur mesurée change. On s'intéresse aussi à sa précision qui évalue l'écart entre la mesure produite par le capteur et la valeur réelle de la grandeur mesurée. Un capteur est également caractérisé par une certaine fiabilité, souvent définie comme le temps moyen entre deux pannes. Enfin, la fidélité d'un capteur est le fait qu'il produise les mêmes résultats lorsqu'il est utilisé dans les mêmes conditions pour les mêmes détections.
• Dans le cas des capteurs analogiques, on s'intéresse aussi à la linéarité du capteur, le fait que la valeur de sortie soit proportionnelle aux valeurs d'entrée, pour toute l'étendue de mesure.
• Enfin, une dernière caractéristique importante est la gamme de températures d'utilisation. En effet, certains capteurs ne fonctionnent de manière correcte que lorsqu'ils sont utilisés dans un intervalle de températures donné.

La figure 6 montre les principales caractéristiques d'un capteur de température hypothétique. On peut y voir que le capteur sait mesurer des températures comprises entre -100 °C et 100 °C, et que chaque modification d'un degré donne lieu à une modification de 10 mV sur la sortie. On voit également que le plus petit changement de température que le capteur sait détecter est de 0,1 °C et que la mesure faite par le capteur se situera à ±0.5 °C de la température réelle. Enfin, la dernière caractéristique indique que le capteur fonctionnera en moyenne pendant 10000 h avant de tomber en panne.

Pour un capteur donné, on peut retrouver toutes ces informations dans la fiche technique du capteur, souvent appelée datasheet. On va examiner de telles fiches dans la suite de ce chapitre, où on va analyser plus en détails trois capteurs spécifiques, mesurant respectivement la température, l'humidité relative et le niveau sonore.

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