Technologie de capteurs

Transducteurs

Les transducteurs sont des dispositifs qui convertissent toute grandeur non électrique en un signal électrique proportionnel sous forme de tension ou de courant. Elle peut ensuite être mesurée en tant que déplacement, température, pression, déformation ou autre paramètre physique. Les actionneurs et les capteurs sont des formes de transducteurs, et tout transducteur en fonctionnement agit comme un capteur ou un actionneur à un moment donné.

Il existe différents types de transducteurs disponibles sur le marché, notamment : de température, de pression, de déplacement, inductif, résistif, capacitif, à effet Hall, de niveau, de débit, de force et bien d’autres. La réponse statique, la réponse dynamique, les facteurs environnementaux et la fiabilité ne sont que quelques-uns des paramètres importants à prendre en compte lors du choix d’un transducteur.

Les jauges de contrainte sont souvent utilisées dans les types de transducteurs où la sortie correspondante dans la conception du transducteur se rapporte au paramètre mesuré. Les jauges de contrainte sont souvent utilisées pour déterminer la force mesurée par une cellule de charge. La plus courante d’entre elles est constituée d’un semi-conducteur ou d’une feuille métallique. Les dispositifs à feuille métallique sont généralement fabriqués à partir d’un alliage de cuivre-nickel ou de feuilles de nickel-chrome dans un agencement à motif de grille, et utilisent le changement de résistance qui résulte de la déformation des éléments de feuille.

Les LVDT et les RVDT (transistors différentiels variables linéaires et rotatifs) sont souvent utilisés en conjonction avec des cellules de charge et des systèmes de test pour mesurer les déplacements linéaires et rotationnels. Les LVDT sont un type courant de transducteur électromécanique qui peut convertir le mouvement rectiligne d’un objet en un signal électrique correspondant.

Les dispositifs à semi-conducteurs utilisent des jauges de contrainte en silicium ou en germanium et les propriétés piézorésistives de ces matériaux. Les transducteurs piézoélectriques ont été largement utilisés pour les applications de détection et d’actionnement. Lorsqu’un matériau piézoélectrique est pressé ou étiré, une charge électrique est générée à travers le matériau, ce qui est appelé « piézoélectricité directe ».

Un transducteur de pression convertit la pression en un signal numérique ou analogique. Plusieurs technologies peuvent être utilisées pour atteindre cet objectif, bien qu’une jauge de contrainte soit la technologie préférée pour ces applications critiques. Lorsqu’un transducteur de pression est exposé à une pression, il fournit une tension de sortie proportionnelle à cette pression. La sortie de tension doit être étalonnée pour refléter le niveau de pression.

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Détection

Les capteurs de mouvement détectent le mouvement d’un objet et peuvent être utilisés pour déclencher une action en déterminant l’absence ou la présence d’une cible. Ils jouent un rôle croissant dans nos activités quotidiennes.

Un accéléromètre est probablement le capteur de mouvement le plus connu. C’est un appareil électromécanique qui mesure les forces d’accélération. Ces forces peuvent être statiques, comme la force constante de gravitation qui attire vos pieds contre le sol, ou dynamiques lorsque l’accéléromètre se déplace ou vibre. Certains accéléromètres utilisent l’effet piézoélectrique. Ils contiennent de microscopiques structures cristallines qui à leur tour, stressées par des forces accélératrices, génèrent une tension. Une autre méthode consiste à détecter les changements capacitifs. Il existe une certaine capacité entre deux microstructures proches l’une de l’autre. Si une force accélératrice déplace l’une de ces structures, la capacité change. Ajoutez quelques circuits pour convertir la capacité en tension, et vous obtenez un accéléromètre.

PLes capteurs infrarouges passifs (IRP) et les capteurs infrarouges réfléchissants sont également des types couramment utilisés de capteurs de mouvement. Les capteurs IRP peuvent être conçus pour couvrir une large zone de détection, car ils sont capables de détecter la présence d’un objet chaud. Ce type de capteur, plutôt que d’émettre de la lumière, détecte la quantité de changement des rayons infrarouges qui se produit lorsqu’un objet dont la température est différente de l’environnement se déplace. Les capteurs infrarouges réfléchissants émettent des rayons infrarouges à partir d’une LED, puis détectent les rayons réfléchis pour déterminer la distance à un objet.

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Position

Les capteurs de position fournissent un retour de position et sont capables d’offrir des fonctionnalités précises de contrôle de mouvement, de comptage et d’encodage à de nombreux systèmes. Ils peuvent détecter un objet cible, une personne, une substance ou la perturbation d’un champ magnétique ou électrique et le convertir en une sortie électrique pour prendre d’autres mesures.

Il existe différents types de capteurs de position basés sur de nombreuses technologies de détection différentes, chacune ayant ses propres avantages ou limites. Il existe plusieurs types de dispositifs de contact, tels que des interrupteurs de fin de course, des transducteurs de position résistifs et plusieurs types de dispositifs sans contact, par exemple, des capteurs magnétiques (capteur à effet Hall et magnétorésistif), des capteurs à ultrasons, des capteurs de proximité et des capteurs photoélectriques.

Les gyroscopes (capteurs gyroscopiques) sont des appareils qui utilisent l’attraction gravitationnelle de la Terre pour aider à déterminer l’orientation. Leur conception se compose d’un disque, appelé rotor, tournant librement autour un axe, monté au centre d’une roue, large et stable. Pendant que l’axe tourne, le rotor reste immobile pour indiquer l’attraction gravitationnelle centrale, ce qui détermine où se trouve le bas. Le gyroscope maintient son efficacité en mesurant le taux de rotation autour d’un axe particulier

La mesure de position est fréquemment requise dans les boucles de rétroaction pour la commande de positionnement, car elles peuvent mesurer la distance parcourue par n’importe quel appareil, en partant de la position de référence de l’appareil jusqu’à une nouvelle position, par mouvement angulaire et rotation. Les technologies de détection de position comprennent l’effet Hall, les capteurs résistifs et magnétorésistifs.

Au fur et à mesure que la technologie de détection s’améliore, les dispositifs de positionnement continuent de devenir plus petits et meilleurs, ouvrant la voie à plus d’applications que jamais. Une étape clé dans la sélection d’un capteur de position approprié consiste à comprendre les exigences de taille du capteur, de plage de mesure, de linéarité, de résolution, de précision, de répétabilité, de contraintes de montage et de robustesse environnementale.

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Proximité

Les capteurs de proximité sont des dispositifs discrets détectant lorsqu’un objet s’est approché de sa surface. Ils sont capables de détecter la présence d’objets proches sans aucun contact physique. Un capteur de proximité émet un faisceau électromagnétique et cherche des changements dans le champ ou le signal de retour. Les capteurs de proximité sont souvent utilisés sur les smartphones pour détecter les petits coups accidentels portés sur l’écran tactile lorsque le téléphone est maintenu contre l’oreille pendant un appel. Les applications types comprennent la détection, la position, le contrôle et le comptage sur les machines automatisées et les systèmes de fabrication. Il existe quatre types fondamentaux de capteurs de proximité : inductifs, capacitifs, à ultrasons, et photoélectriques ou opto-électroniques.

Les capteurs de proximité inductifs réagissent aux objets métalliques ferreux et non ferreux. Ils détectent également du métal sous une couche de matériau non métallique. Les capteurs de proximité inductifs sont constitués d’une bobine enroulée autour d’un noyau de fer doux. L’inductance du capteur change lorsqu’un objet ferreux se trouve à proximité. Ce changement est converti en un commutateur déclenché par une tension. Les capteurs capacitifs réagissent à un changement du milieu diélectrique entourant sa face active, sans nécessairement entrer en contact physique avec l’objet. Ils peuvent donc être réglés pour détecter presque toutes les substances. Les capteurs capacitifs peuvent également détecter une substance à travers une couche de verre, de plastique ou de carton mince.

Les capteurs optoélectroniques détectent, sans contact, presque tout objet ou substance, jusqu’à une portée de 10 mètres. Ils se composent d’une source de lumière (habituellement une diode électroluminescente ou LED, émettant dans le spectre infrarouge ou visible) et d’un détecteur (photodiode). Les capteurs à ultrasons utilisent la réflexion des ondes sonores de haute fréquence (20 kHz) pour détecter des pièces ou la distance à une pièce. Les capteurs à ultrasons sont le meilleur choix pour des cibles transparentes.

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Courant

Un capteur de courant est un dispositif qui détecte et convertit le courant en une tension de sortie facilement mesurable, proportionnelle au courant sur le circuit mesuré. Il existe une grande variété de capteurs, et chacun d’entre eux est adapté à une plage de courant spécifique et aux conditions environnementales. La sélection d’un capteur de courant dépend des exigences de magnitude, de bande passante, de précision, de robustesse, d’isolation, de coût, de taille ou de coût. La valeur produite peut être convertie sous une forme numérique pour être utilisée par un système de contrôle ou de surveillance, ou conservée sous forme analogique et directement affichée par un instrument de test de courant.

Les résistances de détection de courant sont les capteurs de courant les plus couramment utilisés. Elles peuvent être considérées comme des convertisseurs courant-tension. Lorsqu’une résistance est insérée dans le circuit, le courant est converti en tension de manière linéaire. La technologie utilisée par les capteurs de courant est importante, car différents capteurs peuvent avoir différentes caractéristiques pour une variété d’applications.

Les capteurs de courant sont basés sur une technologie à effet Hall à boucle ouverte ou fermée. Un capteur à boucle fermée a une bobine activement entraînée pour produire un champ magnétique s’opposant au champ produit par le courant détecté. Les capteurs à effet Hall sont utilisés comme dispositifs de détection de puissance nulle lorsque le signal de sortie est proportionnel au courant entraîné dans la bobine, lui-même proportionnel au courant mesuré.

Dans un capteur de courant à boucle ouverte, le flux magnétique créé par le courant primaire est concentré dans un circuit magnétique et mesuré à l’aide d’un dispositif à effet Hall. La sortie du dispositif à effet Hall est le signal conditionné pour fournir une représentation exacte (instantanée) du courant primaire.

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Optiques et lumières

Le capteur de lumière est un dispositif passif qui convertit l’énergie lumineuse en signal électrique. Les capteurs de lumière sont plus communément appelés dispositifs photoélectriques ou photodétecteurs, car ils convertissent l’énergie lumineuse (photons) en signal électronique (électrons). Les phototransistors, les photorésistances et les photodiodes sont quelques-uns des capteurs d’intensité lumineuse les plus communs.

Les capteurs photoélectriques utilisent un faisceau de lumière pour détecter la présence ou l’absence d’un objet. Ils émettent un faisceau lumineux (visible ou infrarouge) depuis un élément émetteur. Un capteur photoélectrique de type réfléchissant est utilisé pour détecter le faisceau lumineux réfléchi par la cible. Un faisceau de lumière est émis par l’élément émetteur et reçu par l’élément récepteur. Ces éléments sont logés dans un unique boîtier. Le capteur reçoit la lumière réfléchie par la cible.

Un phototransistor, en revanche, utilise l’intensité lumineuse détectée pour déterminer la quantité de courant pouvant passer dans le circuit. Ainsi, si le capteur est dans une pièce sombre, il ne laisse passer qu’une faible quantité de courant. S’il détecte une lumière vive, il laisse passer une plus grande quantité de courant. Une photorésistance est faite de sulfure de cadmium, dont la résistance est maximale lorsque le capteur est dans le noir. Lorsque la photorésistance est exposée à la lumière, sa résistance diminue proportionnellement à l’intensité lumineuse. Reliée à un circuit et équilibrée à l’aide d’un potentiomètre, la variation d’intensité lumineuse se traduit par un changement de tension. Ces capteurs, simples, fiables et bon marché, sont largement utilisés pour mesurer l’intensité lumineuse.

Dans la technologie des capteurs à fibre optique, au lieu d’utiliser l’air comme moyen de transmission, le système utilise un câble à fibre optique pour transmettre la lumière entre une source et un détecteur. Les capteurs à fibre optique peuvent être classés en deux grandes catégories : les capteurs intrinsèques et les capteurs extrinsèques. Dans les capteurs intrinsèques, le câble à fibre optique lui-même est le capteur, tandis que dans les capteurs extrinsèques, le câble à fibre optique est utilisé pour guider la lumière vers/depuis un capteur conventionnel.

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Humidité

L’humidité résulte de la présence d’eau dans l’air. La quantité de vapeur d’eau dans l’air peut affecter le confort humain, ainsi que de nombreux procédés industriels de fabrication dans un certain nombre d’industries. La présence de vapeur d’eau peut également influencer divers processus physiques, chimiques et biologiques.

Les détecteurs d’humidité détectent les changements modifiant les courants électriques ou la température de l’air. Il existe trois types de détecteurs d’humidité de base : capacitifs, résistifs et thermiques. Ces trois types contrôlent les changements minuscules survenant dans l’atmosphère afin de calculer l’humidité de l’air.

Un détecteur d’humidité capacitif mesure l’humidité relative par le biais d’une mince lame d’oxyde de métal placée entre deux électrodes. La capacité électrique de l’oxyde métallique change avec l’humidité relative de l’atmosphère. La météorologie, le commerce et l’industrie sont les principaux domaines d’application.

Les détecteurs d’humidité résistifs utilisent les ions présents dans des sels pour mesurer l’impédance électrique des atomes. La résistance des électrodes placées de part et d’autre de la solution saline varie avec le taux d’humidité dans l’air. Deux capteurs thermiques conduisent l’électricité en fonction de l’humidité de l’air environnant. Un capteur est maintenu dans de l’azote sec, alors que l’autre mesure l’air ambiant. La différence entre les deux mesure le taux d’humidité.

Les capteurs d’humidité thermique sont conçus pour conduire l’électricité en fonction de l’humidité de l’air ambiant. Pour ce faire, ils calculent l’écart entre la conductivité thermique de l’air humide par rapport à l’air sec.

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Température

Les capteurs de température sont des dispositifs mesurant la quantité d’énergie thermique ou la fraîcheur générée par un objet ou un système. Ils permettent de détecter tout changement physique de la température produisant un signal analogique ou numérique.

Un capteur de température se compose de deux types physiques de base : Types de capteurs de température à contact et types de capteurs de température sans contact. Les capteurs de température avec contact doivent être en contact physique avec l’objet détecté. Ils utilisent la conduction pour suivre les changements de température. Les capteurs de température sans contact utilisent la convection et le rayonnement pour suivre les changements de température.

Une grande variété de dispositifs sont disponibles pour mesurer la température. Les plus communs sont les thermocouples, les thermistances, les détecteurs de température à résistance (RTD) et les capteurs infrarouges. Les thermocouples sont les plus polyvalents, peu coûteux, et couvrent une large fourchette de températures (jusqu’à 1 200 °C généralement). Ils sont composés de deux fils de différents métaux, joints à leurs extrémités pour créer une jonction de détection. Lorsqu’ils sont utilisés avec une jonction de référence, la différence entre cette jonction et la température réelle se traduit par un potentiel de tension.

Les thermistances sont des dispositifs à semi-conducteurs dont la résistance change à mesure que la température change, mais la relation entre la température et la résistance n’est pas linéaire. Ils sont efficaces pour les mesures de sensibilité très élevée, dans une plage limitée à 100 °C.

Les RTD utilisent un fil de précision, généralement en platine, comme élément de détection. Elles utilisent la résistance changeante d’un métal avec la température, ce qui les rend linéaires sur une plage plus large, plus stables et leur offre une meilleure précision et résolution que les thermocouples.

Les capteurs de type infrarouge utilisent la chaleur de rayonnement pour détecter la température à distance. Ces capteurs sans contact peuvent également être utilisés pour détecter un champ de vision afin de générer la carte thermique d’une surface.

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Pression

Un capteur de pression est un dispositif qui détecte la pression et la convertit en un signal électrique analogique dont l’ampleur dépend de la pression appliquée. La pression est définie comme la force qu’exerce un fluide par unité de surface. Ces capteurs convertissant la pression en signal électrique, ils sont aussi appelés transducteurs de pression.

La pression absolue est mesurée par rapport au vide parfait. La pression atmosphérique en est un exemple. Une unité courante de mesure de la pression absolue est le pascal (Pa). La pression différentielle est la différence de pression entre deux points de mesure. Elle est généralement mesurée en pascals (Pa). La pression manométrique est mesurée par rapport à la pression ambiante. La pression artérielle en est un exemple. Une unité de mesure courante est le pascal (Pa).

L’unité SI de la pression est le Pascal (N/m2), mais d’autres unités couramment utilisées incluent l’atmosphère normale (atm), le millimètre de mercure (mmHg) et le bar.

Les capteurs de pression sont largement utilisés dans les domaines comme l’automobile, la fabrication, l’aviation, les mesures biomédicales, la climatisation, les mesures hydrauliques, etc. Dans l’industrie automobile, les capteurs de pression font partie intégrante du moteur et de sa sécurité. Dans un moteur, ces capteurs contrôlent la pression d’huile et de liquide de refroidissement, et régulent la puissance que le moteur doit fournir pour atteindre des vitesses appropriées lorsque l’accélérateur ou le frein est enfoncé. Dans des instruments médicaux tels que des tensiomètres ou des appareils respiratoires, des capteurs de pression sont nécessaires pour optimiser leur fonctionnement en fonction de la santé du patient et de ses exigences.

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Tactile

Un capteur tactile est un dispositif détectant et enregistrant un contact physique sur un appareil et/ou un objet. Il permet à un appareil ou un objet de détecter un contact ou la proximité immédiate, généralement d’un utilisateur ou d’un opérateur. Les dispositifs de détection tactile offrent de nombreuses possibilités pour de nouvelles techniques d’interaction. Ils remplacent de façon fiable les boutons et interrupteurs mécaniques pour éliminer l’usure mécanique. Ceux-ci peuvent être configurés dans de simples curseurs, des roues rotatives ou des pavés tactiles pour créer des interfaces utilisateurs intuitives.

Un capteur tactile fonctionne principalement lorsqu’un objet ou un individu entre en contact physique avec lui. Les capteurs tactiles sont sensibles au toucher, à une force ou à une pression. Ils peuvent être mis en œuvre par le biais de la technologie de détection capacitive ou résistive.

La détection capacitive est une technologie basée sur un couplage capacitif pouvant détecter et mesurer tout objet conducteur ou présentant une différence diélectrique avec l’air. Les écrans tactiles capacitifs distinguent et détectent un emplacement de contact spécifique, basé sur les impulsions électriques du corps humain, généralement le bout du doigt. Il n’est donc pas nécessaire d’appliquer une force réelle à la surface de l’écran.

La technologie d’écran tactile capacitif est populaire et durable, utilisée dans une large gamme d’applications. Les écrans tactiles capacitifs sont très clairs, offrant jusqu’à 90 % de transparence. En raison de leur clarté supérieure à celle de la technologie résistive, les écrans tactiles capacitifs sont utilisés sur les smartphones.

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Débit

Un capteur de débit (ou compteur) est un appareil qui mesure le débit d’un fluide ou d’un gaz linéaire, non linéaire, massique ou volumétrique. Les capteurs de débit utilisent à la fois des sous-systèmes électriques et mécaniques pour mesurer les changements dans les attributs physiques du fluide et calculer son débit. Les capteurs de débit sont applicables aux gaz avec une plage de température de fonctionnement de -20 °C à +400 °C, aux liquides avec une plage de température de fonctionnement de -50 °C à +180 °C et peuvent mesurer des débits et une direction de 0 m/s à 100 m/s. Ils sont déployés pour détecter les fuites, les blocages et les ruptures de canalisations. La mesure du débit est importante pour le contrôle de nombreux types d’équipements. Ces capteurs sont couramment utilisés dans les dispositifs médicaux, les systèmes CVC, les automobiles, les usines chimiques, les processus industriels et les applications d’énergie intelligente. Les facteurs à prendre en compte lors de la sélection des débitmètres sont la facilité d’étalonnage et de maintenance, le temps moyen entre les historiques de pannes et la disponibilité des pièces de rechange sur le site spécifique de l’usine.

Les capteurs de débit sont sélectionnés en fonction des spécifications d’exigence telles que les informations de débit, qu’elles soient continues ou totalisées, et de si les données sont locales ou distantes. Si distantes, la transmission peut être analogique ou numérique. L’évaluation des propriétés et des caractéristiques de débit des facteurs de fluide de procédé tels que la pression, la température, la perte de charge admissible, la densité (ou gravité spécifique), la conductivité, la viscosité et la pression de vapeur à la température de fonctionnement maximale sont également importantes.

Les capteurs de débit sont classés en deux groupes : les capteurs de débit avec et sans contact. Si le liquide ou le gaz mesuré n’obstrue pas le tuyau lorsqu’il entre en contact avec les pièces mobiles du capteur, des capteurs de débit à contact sont utilisés. Les capteurs de débit sans contact, quant à eux, n’ont pas de pièces mobiles et sont couramment utilisés pour suivre les liquides ou les gaz. De même, le type de capteur de débit peut être soit un capteur de débit volumique, soit un capteur de débit massique. Les capteurs de débit de gaz utilisent un système à débit massique.

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