Les Capteurs Industriels — Cours, Types, Exercices (Bac SMB)

Objectifs d'apprentissage

Décrire une chaîne de mesure : mesurande, corps d'épreuve, transducteur, conditionneur, grandeur électrique exploitable
Distinguer un capteur logique (Tout Ou Rien), un capteur analogique (signal continu) et un capteur numérique (sortie codée)
Identifier le principe et le domaine d'emploi des capteurs de proximité : inductif, capacitif, photoélectrique
Identifier le principe des capteurs de température : thermocouple (effet Seebeck) et sonde à résistance (Pt100, thermistance)
Exploiter le principe d'une jauge de contrainte (facteur de jauge) pour mesurer une déformation ou une force
Distinguer un codeur incrémental d'un codeur absolu et calculer une résolution angulaire
Définir et distinguer étendue de mesure, sensibilité, résolution, fidélité, justesse et précision d'un capteur

Formules et résultats clés

La chaîne de mesure

Un capteur transforme une grandeur physique à mesurer (le mesurande : température, position, force, etc.) en une grandeur exploitable, le plus souvent électrique. La chaîne complète s'écrit : mesurande → corps d'épreuve (élément sensible qui réagit au mesurande) → transducteur (convertit cette réaction en signal électrique brut) → conditionneur (amplifie, filtre, met en forme) → grandeur électrique exploitable par la partie commande.

Trois familles de capteurs

Capteur logique (TOR — Tout Ou Rien) : deux états seulement (0 ou 1), ex. un fin de course mécanique. Capteur analogique : signal de sortie continu, proportionnel au mesurande (tension, courant). Capteur numérique : sortie directement codée sous forme de mots binaires, ex. un codeur absolu.

Capteurs de proximité

Inductif : détecte uniquement les matériaux métalliques, par perturbation d'un champ électromagnétique (courants de Foucault induits dans la cible). Capacitif : détecte tout matériau (métal, plastique, liquide, bois), par variation de la capacité d'un condensateur formé entre le capteur et la cible qui s'approche. Photoélectrique: détecte l'interruption ou la réflexion d'un faisceau lumineux (infrarouge ou laser), selon trois montages : barrage, reflex (avec réflecteur) ou proximité (retour direct sur la cible).

Capteurs de température

Thermocouple : formé de deux fils de métaux différents soudés en un point ; par effet Seebeck, une tension apparaît, proportionnelle à la différence entre la température de la jonction de mesure (soudure chaude) et celle de la jonction de référence (soudure froide). Sonde à résistance (Pt100): la résistance d'un fil de platine varie avec la température selon un modèle linéaire dans le domaine d'étude :

R(\theta) = R_0\,(1 + \alpha\,\theta)

, avec

R_0 = 100\ \Omega

0\ °C

\alpha \approx 3{,}85\times 10^{-3}\ °C^{-1}

pour une Pt100

Une thermistance (CTN ou CTP) fonctionne sur le même principe mais avec une sensibilité bien plus grande et une réponse non-linéaire.

Jauge de contrainte

Une jauge de contrainte, collée sur une pièce, voit sa résistance varier avec la déformation relative $\dfrac{\Delta L}{L}$ de la pièce, selon le facteur de jauge $k$ : $\dfrac{\Delta R}{R} = k\,\dfrac{\Delta L}{L}$ . Elle est généralement montée dans un pont de Wheatstone pour convertir cette faible variation de résistance en une tension mesurable.

Codeurs de position

Codeur incrémental : délivre une suite d'impulsions à chaque déplacement élémentaire ; il faut les compter depuis une origine pour connaître la position, information perdue en cas de coupure d'alimentation. Codeur absolu : délivre directement un mot binaire correspondant à la position exacte, sans besoin de comptage ni de référence.

Résolution angulaire =

\dfrac{360°}{N}

, où

N

est le nombre de points (impulsions) par tour

Caractéristiques d'un capteur

Étendue de mesure : plage de mesurande que le capteur peut mesurer correctement. Sensibilité : rapport entre la variation du signal de sortie et la variation du mesurande. Résolution : plus petite variation détectable. Fidélité : dispersion des résultats pour des mesures répétées d'une même grandeur. Justesse : écart entre la moyenne des mesures et la valeur vraie. Précision : regroupe fidélité et justesse.

Erreurs fréquentes

Confondre capteur inductif (métaux uniquement, courants de Foucault) et capteur capacitif (tout matériau, variation de capacité) — question classique de choix de capteur selon la cible.

Confondre capteur analogique (grandeur de sortie continue, proportionnelle au mesurande) et capteur logique TOR (deux états seulement, 0 ou 1) — un fin de course est un capteur TOR, pas analogique.

Confondre codeur incrémental (impulsions à compter, information perdue à la coupure) et codeur absolu (position directement codée, aucune référence nécessaire).

Confondre fidélité (dispersion des mesures répétées) et justesse (écart par rapport à la valeur vraie) : la précision exige les deux à la fois, un capteur peut être fidèle sans être juste (erreur systématique reproductible).

Oublier que la tension délivrée par un thermocouple dépend de la différence entre la température de la jonction chaude et celle de la jonction froide (soudure de référence), pas de la seule température mesurée.

Se tromper de signe ou d'unité dans le calcul de résolution angulaire d'un codeur incrémental : elle se calcule toujours en divisant 360° (ou 2π rad) par le nombre de points (ou impulsions) par tour.

Exemple corrigé — Choix et calcul sur un capteur

Énoncé

Un four industriel doit être régulé entre 0 °C et 150 °C à l'aide d'une sonde Pt100 (R₀ = 100 Ω, α = 3,85×10⁻³ °C⁻¹, modèle linéaire). 1) Calculer la résistance de la sonde à 150 °C. 2) En déduire la sensibilité moyenne de la sonde, en Ω/°C, sur cette plage.

Correction

1) $R(150) = 100 \times (1 + 3{,}85\times 10^{-3} \times 150) = 100 \times 1{,}5775 = 157{,}75\ \Omega$ .

2) Sensibilité $= \dfrac{R(150) - R(0)}{150 - 0} = \dfrac{157{,}75 - 100}{150} = \dfrac{57{,}75}{150} \approx 0{,}385\ \Omega/°C$ — ce qui correspond bien à $R_0 \times \alpha = 100 \times 3{,}85\times 10^{-3}$ .

3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

On veut détecter sans contact le passage de pièces métalliques sur un tapis roulant, sans se soucier de leur couleur ni de leur forme. Quel type de capteur de proximité choisir, et pourquoi ce choix exclut-il un capteur capacitif ?

Voir la correction

On choisit un capteur de proximité inductif : il détecte spécifiquement les matériaux métalliques grâce aux courants de Foucault induits dans la cible, ce qui suffit ici. Un capteur capacitif serait moins pertinent : il détecterait aussi bien un objet non métallique (poussière, humidité, emballage), ce qui augmenterait le risque de détections parasites alors que seules les pièces métalliques nous intéressent.

Exercice 2

Moyen

Une sonde Pt100 a pour résistance R₀ = 100 Ω à 0 °C et un coefficient de température α = 3,85×10⁻³ °C⁻¹. On admet le modèle linéaire R(θ) = R₀(1 + α·θ). Calculer sa résistance à θ = 80 °C.

Voir la correction

R(80) = 100 × (1 + 3,85×10⁻³ × 80) = 100 × (1 + 0,308) = 100 × 1,308 = 130,8 Ω.

Exercice 3

Difficile

Un codeur incrémental délivre 500 points (impulsions) par tour sur sa voie principale. 1) Calculer la résolution angulaire du codeur, en degrés. 2) L'arbre effectue une rotation et le codeur compte 1250 impulsions. Quel angle, en tours puis en degrés, cela représente-t-il ?

Voir la correction

1) Résolution angulaire = 360°/500 = 0,72° par impulsion. 2) 1250 impulsions correspondent à 1250/500 = 2,5 tours, soit 2,5 × 360° = 900°.

3 exercices, c'est un début.

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Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un capteur inductif et un capteur capacitif ?

Un capteur de proximité inductif ne détecte que les objets métalliques : son principe repose sur les courants de Foucault induits dans la cible, qui perturbent un champ électromagnétique oscillant. Un capteur capacitif, lui, détecte tout matériau (métal, plastique, liquide, bois) car il exploite la variation de capacité d'un condensateur formée entre le capteur et la cible qui s'approche.

Quelle est la différence entre un codeur incrémental et un codeur absolu ?

Un codeur incrémental délivre une suite d'impulsions à chaque déplacement élémentaire : il faut les compter depuis une origine connue pour connaître la position, et cette information est perdue en cas de coupure d'alimentation. Un codeur absolu délivre directement un mot binaire correspondant à la position exacte à tout instant, sans avoir besoin de comptage ni de référence initiale.

Quelle est la différence entre précision, fidélité et justesse d'un capteur ?

La fidélité mesure la dispersion des résultats pour des mesures répétées d'une même grandeur (répétabilité) — un capteur fidèle donne toujours des valeurs proches entre elles. La justesse mesure l'écart entre la moyenne des mesures et la valeur vraie — un capteur juste n'a pas d'erreur systématique. La précision regroupe les deux : un capteur précis est à la fois fidèle et juste.