Les Capteurs Industriels — Cours (Bac STE)

Objectifs d'apprentissage

Décrire une chaîne de mesure complète : mesurande, corps d'épreuve, transducteur, conditionneur et grandeur électrique exploitable
Distinguer capteur logique (Tout Ou Rien), capteur analogique (sortie continue) et 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 utilisés en STE : thermocouple (effet Seebeck) et sonde à résistance (Pt100, thermistance)
Distinguer codeur incrémental et 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

Une chaîne de mesure convertit un mesurande (grandeur physique à mesurer : température, position, force...) en une grandeur électrique exploitable par la partie commande. Le corps d'épreuve transforme le mesurande en une grandeur physique intermédiaire, le transducteur (ou capteur proprement dit) la convertit en signal électrique brut, et le conditionneur met en forme ce signal (amplification, filtrage) pour le rendre directement exploitable.

Trois familles de capteurs

Un capteur logique (TOR) ne délivre que deux états (0/1). Un capteur analogique délivre une grandeur électrique continue, proportionnelle au mesurande. Un capteur numérique délivre directement une information codée en binaire, prête à être traitée par un système à microcontrôleur.

Sonde à résistance (Pt100)

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

Avec R0 la résistance à 0 °C, α le coefficient de température du matériau et θ la température mesurée en °C. C'est le modèle linéaire simplifié généralement utilisé au Bac pour les sondes de type Pt100.

Résolution angulaire d'un codeur incrémental

Résolution = \dfrac{360°}{N}

Avec N le nombre de points (impulsions) délivrés par le codeur pour un tour complet de l'arbre. Un codeur absolu code directement la position, sans référence nécessaire au démarrage ; un codeur incrémentalcompte des impulsions et perd la référence de position à chaque coupure d'alimentation.

Erreurs fréquentes

Confondre capteur inductif (métaux uniquement) et capteur capacitif (tout matériau) — un critère de choix fréquemment demandé au Bac selon la nature de la cible à détecter.

Confondre capteur analogique (sortie continue, proportionnelle au mesurande) et capteur logique TOR (deux états seulement) : un détecteur de fin de course est TOR, pas analogique.

Confondre codeur incrémental (impulsions à compter, position perdue à la coupure d'alimentation) et codeur absolu (position directement codée, aucune référence nécessaire au démarrage).

Confondre fidélité (dispersion des mesures répétées entre elles) et justesse (écart par rapport à la valeur vraie) : un capteur peut être fidèle sans être juste s'il présente une erreur systématique reproductible.

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

Exemple corrigé — Choix d'un capteur de proximité

Énoncé

Sur une ligne de tri, on doit détecter sans contact le passage de flacons en verre, indépendamment de leur couleur ou de leur contenu. Justifier le choix d'un capteur de proximité capacitif plutôt qu'inductif.

Correction

Un capteur inductif ne détecte que les matériaux métalliques (par courants de Foucault) : il serait totalement inefficace face à des flacons en verre.

Un capteur capacitif, en revanche, détecte tout type de matériau — y compris le verre — par variation de la capacité formée entre son électrode et la cible, ce qui en fait le choix adapté pour cette application.

On retient donc le capteur capacitif, sous réserve de vérifier que l'environnement (humidité, poussière) ne génère pas de détections parasites indésirables.

3 exercices pour t'entraîner

Exercice 1

Facile

Un fin de course mécanique signale simplement si une porte d'armoire électrique est ouverte ou fermée. À quelle famille de capteurs appartient-il, et pourquoi ?

Voir la correction

Il s'agit d'un capteur logique Tout Ou Rien (TOR) : sa sortie ne prend que deux états possibles (0 ou 1, contact ouvert ou fermé), sans grandeur intermédiaire — contrairement à un capteur analogique qui délivrerait une grandeur continue proportionnelle à une position ou un déplacement.

Exercice 2

Moyen

Une sonde Pt100 a pour résistance $R_0 = 100\ \Omega$ à $0\,°C$ et un coefficient de température $\alpha = 3{,}85\times 10^{-3}\ °C^{-1}$ . En admettant le modèle linéaire $R(\theta) = R_0(1 + \alpha\theta)$ , calculer sa résistance à $\theta = 60\ °C$ .

Voir la correction

$R(60) = 100 \times (1 + 3{,}85\times 10^{-3} \times 60) = 100 \times (1 + 0{,}231) = 100 \times 1{,}231 = 123{,}1\ \Omega$ .

Exercice 3

Difficile

Un codeur incrémental délivre 1000 points (impulsions) par tour. 1) Calculer sa résolution angulaire en degrés. 2) Au cours d'une rotation, le codeur compte 3500 impulsions. Quel angle de rotation cela représente-t-il, en tours puis en degrés ?

Voir la correction

Résolution angulaire $= \dfrac{360°}{1000} = 0{,}36°$ par impulsion. 2) $3500$ impulsions correspondent à $\dfrac{3500}{1000} = 3{,}5$ tours, soit $3{,}5 \times 360 = 1260°$ .

3 exercices, c'est un début.

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Questions fréquentes

Quelle est la différence entre un capteur TOR, un capteur analogique et un capteur numérique ?

Un capteur Tout Ou Rien (TOR) ne délivre que deux états (0 ou 1), comme un fin de course. Un capteur analogique délivre une grandeur électrique continue (tension ou courant) proportionnelle au mesurande, comme une sonde de température. Un capteur numérique délivre directement une information codée en binaire, prête à être traitée par un système numérique, comme un codeur de position.

Comment choisir entre un capteur de proximité inductif et capacitif ?

Un capteur inductif ne détecte que les cibles métalliques, par génération de courants de Foucault dans la cible. Un capteur capacitif détecte tout type de matériau (métal, plastique, liquide, poudre) par variation de capacité entre l'électrode du capteur et la cible. Le choix dépend donc de la nature de la cible à détecter et du risque de détections parasites (poussière, humidité) pour un capteur capacitif.

Qu'est-ce que la résolution angulaire d'un codeur incrémental ?

La résolution angulaire d'un codeur incrémental est le plus petit angle de rotation qu'il peut distinguer, calculé en divisant 360° (ou 2π radians) par le nombre de points (impulsions) délivrés par tour complet. Plus le nombre de points par tour est élevé, plus la résolution est fine et plus la mesure de position ou de vitesse angulaire est précise.