Acquérir l'information - les différents capteurs - Maxicours

Acquérir l'information - les différents capteurs

Objectif

Connaitre et différencier les différents types de capteurs.

Points clés
  • Il y a trois familles de capteurs : les capteurs TOR (tout-ou-rien), les capteurs analogiques et les capteurs numériques.
  • Le signal produit est différent selon le type de capteur utilisé : signal analogique, signal logique ou signal logique codé.
  • Le capteur peut être actif ou passif, selon qu’il a besoin ou non d’être intégré à un circuit pour fonctionner.
  • Le capteur peut être proprioceptif ou extéroceptif, selon qu’il réalise les mesures localement ou de manière globale.
1. La nature des signaux de sortie des capteurs
Un capteur est un composant de prélèvement d’information qui élabore, à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (généralement électrique).

Les capteurs peuvent être caractérisés en fonction de la nature du signal de sortie.

a. Les capteurs TOR (tout-ou-rien)
Un capteur TOR (tout-ou-rien) est un capteur qui transforme un phénomène physique en signal électrique logique.

Un signal électrique logique est un signal électrique qui ne peut prendre que deux valeurs. Ces deux valeurs sont nommées état haut et état bas.

L'état haut correspond souvent à la tension la plus haute que peut prendre le signal, communément 3,3 V ou 5 V, et l'état bas correspond à la tension la plus basse, communément 0 V.

Remarques
  • Les signaux logiques sont aussi nommés signaux binaires.
  • Les capteurs TOR sont aussi nommés détecteurs, capteurs binaires ou capteurs logiques.
Principe
Une valeur de seuil est définie. Lorsque la grandeur d’entrée est inférieure au seuil, la sortie du capteur est à 0, lorsque la grandeur d’entrée est supérieure au seuil, la sortie du capteur est à 1.

Dans la pratique, le capteur TOR possède deux seuils distincts afin d’éviter que la sortie ne devienne instable lorsque l’entrée est très proche du seuil.

  • Pour que la sortie du capteur passe à l’état haut, il faut que la grandeur d’entrée passe au-dessus du seuil haut.
  • Pour que la sortie du capteur passe à l’état bas, il faut que la grandeur d’entrée passe en dessous du seuil bas.

L’écart entre le seuil haut et le seuil bas est appelé hystérésis.

Exemple
Un détecteur de mouvement infrarouge pourra détecter la présence ou l'absence de mouvement dans une pièce.

Les microcontrôleurs et les microprocesseurs sont capables de directement exploiter les signaux fournis par les capteurs TOR, car ce sont des signaux binaires.

b. Les capteurs analogiques
Un capteur analogique fournit un signal électrique analogique qui est proportionnel à la grandeur physique mesurée.

Un signal électrique analogique est un signal électrique qui peut prendre toutes les valeurs possibles entre une valeur minimale et une valeur maximale.

L’opération de transformation s'appelle la transduction. La tension du signal sera directement liée à la valeur du phénomène physique capturé.

Exemple
Un capteur de température analogique pourra fournir une tension proportionnelle à la température qu'il mesure. Pour chaque augmentation de 1 °C à partir de 0 °C, la tension augmentera de 0,1 V.
Remarque
Il est rare que la tension soit simplement proportionnelle à la valeur du phénomène, mais en général la formule de passage de l'un à l'autre est donnée dans la fiche technique du capteur.

Un capteur analogique fournit une tension analogique qui ne sera pas directement exploitable par un cerveau numérique, comme un microcontrôleur ou un microprocesseur.

Remarque
Les cartes Arduino, micro:bit et celles à base d'ESP8266 comportent un microcontrôleur ; les cartes Raspberry Pi, les ordinateurs et les smartphones comportent des microprocesseurs.

Pour qu'un microcontrôleur ou un microprocesseur puisse utiliser l'information d’un capteur analogique, il faudra préalablement que le signal soit numérisé par un composant qu'on appelle un CAN.

Remarque
La plupart des cartes comportant un microcontrôleur possèdent un CAN intégré. Ce n’est généralement pas le cas des produits comportant un microprocesseur.
c. Les capteurs numériques
Un capteur numérique fournit un signal numérique proportionnel à la grandeur à mesurer.

Un capteur numérique est un capteur qui effectue successivement :

  • la transduction d'un phénomène physique en signal électrique analogique ;
  • la numérisation du signal analogique en signal logique.

Le signal logique produit n'est pas un simple signal binaire comme celui produit par les capteurs TOR : c'est un signal logique codé. Cela signifie qu'il utilise un langage, appelé norme ou protocole de communication, pour transmettre sous forme binaire une information complexe comme un nombre, une lettre, un mot, un texte complet, etc.

Remarque
Les capteurs numériques sont aussi nommés codeurs.
Exemple
Un capteur de température numérique va mesurer puis transmettre la valeur 16,9 °C à un microcontrôleur, en se servant du protocole UART. Voici à quoi ressemble le signal logique codé qui permet de transmettre cette valeur.
Remarque
Voici quelques normes ou protocoles de communication courants utilisés par les codeurs : UART, I2C, SPI, oneWire.

Chaque donnée que le capteur numérique transmet est donc un signal logique composé de plusieurs valeurs binaires (à l'état haut ou l'état bas) : ces valeurs binaires sont appelées des bits. L'ensemble des bits qui permettent de transmettre une donnée s'appelle une trame.

Exemple
La trame que le capteur de température numérique transmet au microcontrôleur par UART comporte 11 bits.
  • Le bit 1 est un bit de start, qui permet d'indiquer que la trame débute.
  • Les bits 10 et 11 sont des bits de stop qui permettent d'indiquer que la trame se termine.
  • Les bits 2 à 9 sont les bits de data qui permettent de transmettre la donnée. Ici, la valeur binaire vaut (10101001)2, ce qui correspond en décimal à (169)10 qui est la valeur que le capteur transmet pour 16,9 °C.
    Remarque : 1 × 20 + 0 × 21 + 0 × 22 + 1 × 23 + 0 × 24 + 1 × 25 + 0 × 26 + 1 × 27 = 169

À chaque fois que le capteur numérique veut transmettre une valeur au microcontrôleur ou au microprocesseur, il doit lui envoyer une trame complète.

Exemple
Le signal suivant montre comment se déroule la transmission de température par le capteur numérique durant environ 14 s, dans le cas où il transmet une nouvelle valeur de température toutes les 4 s.

Les microcontrôleurs et les microprocesseurs sont capables de directement exploiter les signaux fournis par les capteurs numériques car ce sont des signaux binaires.

Remarque
Il faut néanmoins préciser au microcontrôleur ou au microprocesseur le protocole de communication utilisé et lui indiquer comment le lire. Cela se fera en utilisant des bibliothèques logicielles.
2. Capteurs actifs et capteurs passifs
a. Les capteurs passifs

Les capteurs passifs ont besoin d’être intégrés dans un circuit avec une alimentation.

Voici quelques exemples de capteurs passifs.

Capteur résistif

La résistance interne d’un capteur résistif varie avec la grandeur physique.

Applications
  • Mesure de la température par résistance à fil de platine ou par thermistance.
  • Mesure d’effort par jauge de contrainte.
  • Mesure d’intensité lumineuse par photorésistance.
Capteur inductif

L’inductance est l’aptitude d’un dipôle électronique à stocker de l’énergie magnétique lorsqu’il est traversé par un courant.

La valeur de l’inductance L d’un capteur inductif varie avec la grandeur physique. Un capteur inductif détecte uniquement les objets métalliques.

Le capteur inductif émet un champ magnétique. Les objets métalliques perturbent ce champ magnétique. C’est cette perturbation qui est détectée par le capteur.

Applications
  • Détection de la présence d’objet métallique.
  • Mesure de déplacement par inductance variable.
  • Mesure d’effort par capteur magnétoélastique.
Capteur capacitif

La capacité correspond à l’aptitude d’un dipôle électronique à stocker de l’énergie lorsqu’il est traversé par une tension.

La valeur de la capacité C d’un capteur capacitif varie avec la grandeur physique.

Applications
  • Détection de la présence d’un objet quelle que soit sa nature.
  • Détection du niveau d’un liquide dans une cuve.
  • Mesure de déplacement et de position (l’une des armatures du condensateur est sur l’objet dont on veut mesurer le déplacement).
b. Les capteurs actifs
Dans le cas des capteurs actifs, la grandeur d’entrée, ou ses variations, génère directement une énergie (tension, courant, charge électrique).

Cette énergie est généralement faible, ces capteurs nécessitent donc l’utilisation d’amplificateurs. Voici quelques exemples de capteurs passifs.

Capteur photoélectrique ou photovoltaïque

Les capteurs photoélectriques (ou photovoltaïques) sont basés sur la libération de charges électriques dans la matière sous l‘influence d’un rayonnement lumineux ou, plus généralement, d’une onde électromagnétique.

Capteur piézoélectrique

L’application d’une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézoélectriques (le quartz par exemple) entraine l’apparition d’une tension entre leurs faces opposées.

Capteur à effet Hall

Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans un matériau semi-conducteur une tension proportionnelle à B et I.

Exemple 
Mesure de courant avec une pince ampèremétrique.
3. Capteurs proprioceptifs et extéroceptifs

En robotique mobile, il est important de faire la distinction entre les capteurs proprioceptifs et les capteurs extéroceptifs.

a. Capteurs proprioceptifs

Les capteurs proprioceptifs effectuent leurs mesures par rapport à ce qu'ils perçoivent localement du déplacement du robot.

Exemple
On peut mesurer les déplacements angulaires des roues d'un robot, ce qui permet de reconstituer sa trajectoire à condition que les roues ne glissent pas (dérapage, patinage). Il s’agit d’un capteur proprioceptif.
b. Capteurs extéroceptifs

Les capteurs extéroceptifs se basent sur des mesures prises par rapport à l’environnement global (repère absolu).

Exemple
Le repérage par une tourelle laser de balises optiques fixées dans l'environnement de déplacement du robot permet une mesure absolue. Il s’agit d'un capteur extéroceptif.

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