Capteurs et acquisition de données
Un capteur transforme une grandeur physique (température, pression, position...) en un signal électrique exploitable par un système numérique. La chaîne d'acquisition comprend le capteur, le conditionneur et le convertisseur analogique-numérique (CAN).
Objectifs
- Identifier et classer les capteurs selon la grandeur mesurée et le type de sortie
- Calculer la sensibilité d'un capteur et exploiter sa courbe de réponse
- Expliquer les étapes de conditionnement et de numérisation d'un signal
Définition et classification des capteurs
Un capteur est un composant qui produit un signal de sortie (tension, courant, résistance, fréquence) proportionnel à une grandeur physique d'entrée appelée mesurande. On distingue les capteurs passifs (résistifs, capacitifs, inductifs) qui nécessitent une alimentation externe, et les capteurs actifs (thermocouple, photodiode) qui génèrent eux-mêmes une tension. Exemples : thermistance NTC (température), jauge de contrainte (force), codeur incrémental (position angulaire), capteur ultrasonique (distance).
Sensibilité et courbe de réponse
La sensibilité S d'un capteur est le rapport entre la variation de la grandeur de sortie et la variation de la grandeur d'entrée : S = ΔS_sortie / ΔS_entrée. Elle s'exprime en V/°C, mV/N, Ω/K, etc. La courbe de réponse (étalonnage) relie la valeur mesurée à la tension de sortie. Un capteur idéal a une réponse linéaire sur toute sa plage de mesure. En pratique, on définit l'étendue de mesure (plage utile), la résolution (plus petite variation détectable) et la précision.
Conditionnement du signal
Le signal brut issu du capteur est souvent trop faible, bruité ou mal adapté pour être traité directement. Le conditionneur réalise plusieurs fonctions : amplification (amplificateur opérationnel), filtrage (filtre passe-bas pour éliminer les hautes fréquences parasites), mise en forme (comparateur) et adaptation d'impédance. Un pont de Wheatstone est couramment utilisé avec les capteurs résistifs (jauges de contrainte) pour convertir une variation de résistance en tension différentielle.
Numérisation et convertisseur analogique-numérique (CAN)
Le CAN transforme le signal analogique conditionné en un nombre binaire sur n bits. La résolution du CAN vaut R = E_pleine_échelle / (2^n - 1), où E est la tension de pleine échelle. Par exemple, un CAN 10 bits avec E = 5 V a une résolution de 5 / 1023 ≈ 4,9 mV. Le théorème de Shannon impose que la fréquence d'échantillonnage fe soit au moins égale au double de la fréquence maximale du signal (fe ≥ 2 × f_max) pour éviter le repliement spectral (aliasing).
Relations et formules clés
S = ΔU_sortie / ΔxS est la sensibilité (V/unité physique), ΔU_sortie la variation de tension de sortie (V), Δx la variation de la grandeur mesurée (°C, m, N...)
R = E / (2^n - 1)R est la résolution (V), E la tension de pleine échelle (V), n le nombre de bits du convertisseur
fe ≥ 2 × f_maxfe est la fréquence d'échantillonnage (Hz), f_max la fréquence maximale du signal analogique (Hz) — condition indispensable pour reconstituer le signal sans distorsion
Exercice d'application
Question : Un capteur de pression délivre 0,5 V pour 0 bar et 4,5 V pour 10 bar. Calculez sa sensibilité. Un CAN 8 bits est alimenté sous 5 V. Quelle est sa résolution en mV ? Quelle valeur binaire correspond à une tension d'entrée de 3,0 V ?
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Réponse : Sensibilité : S = (4,5 - 0,5) / (10 - 0) = 4,0 / 10 = 0,4 V/bar. Résolution CAN 8 bits : R = 5 / (2^8 - 1) = 5 / 255 ≈ 19,6 mV. Valeur binaire pour 3,0 V : N = 3,0 / (5/255) = 3,0 × 255 / 5 = 153 (en décimal), soit 10011001 en binaire.
