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Présentation des capteurs

La fonction commune de tous les capteurs est de réaliser une conversion : les capteurs (ou « détecteurs »), détectent et mesurent des objets ou des quantités physiques, qui peuvent appartenir à des domaines très variés comme les codes d'identification électroniques sur une étiquette de conception spéciale nommée puce RFID (signifiant Radio Frequency Identification Device, périphérique de radio-identification) ; la quantité de chaleur dans un objet, un fluide ou une personne ; le mouvement d'un objet, d'une personne ou d'un animal dans un champ de vision soumis à une surveillance électronique ; ou le type d'accélération que subit un objet (une chute libre ou une rotation, par exemple). Lors de la mesure, le capteur convertit les données reçues en signal ou en affichage visuel, qui peuvent ensuite être interprétés de manière significative par un agent humain ou un autre dispositif électronique. En d'autres termes, un capteur est toujours un transducteur : un dispositif qui convertit une forme d'énergie ou de stimulus en une autre.

Par exemple, une forme de capteur de mouvement peut être intégrée dans une machine industrielle et raccordée à un commutateur de sécurité. Ceci permet d'effectuer un arrêt sans danger au cas où le détecteur signale au commutateur un mouvement mécanique aberrant susceptible d'endommager l'équipement ou de mettre en danger les opérateurs humains si la machine continue sa course. Ceci constitue un exemple d'une mesure convertie en signal servant d'entrée à un autre appareil non humain, mais de nombreux capteurs convertissent aussi les mesures en échelles ou affichages consultables par l’oeil humain. Le thermomètre à mercure, par exemple, est une forme omniprésente de capteur de température qui convertit la dilatation ou la contraction d'une petite ampoule de mercure en une échelle lisible (degrés Celsius ou Fahrenheit) : à mesure que le mercure se dilate ou se contracte, il s'élève ou s'abaisse dans un filament creux à l'intérieur du verre équipé d'une échelle de température gravée sur sa surface extérieure.

Dans la gamme de température qu'il est conçu pour mesurer, le thermomètre à mercure possède une propriété importante et nécessaire pour tous les capteurs : la linéarité.  En d'autres termes, les changements physiques dans le matériau détecteur du capteur (dans ce cas le mercure) sont directement proportionnels aux changements dans l'objet, à savoir la force, le mouvement ou encore le rayonnement mesuré(e). Un autre type de capteur, le thermocouple, répond lui aussi à des changements de température de manière linéaire, mais le signal produit est alors un changement de tension de sortie, proportionnel aux variations de température. Pour assurer la précision des mesures, les capteurs sont soigneusement calibrés pour suivre des échelles faisant autorité, éprouvées et testées.

Dans notre civilisation où l'électronique est au cœur des échanges, les capteurs jouent un rôle clé pour assurer le bon fonctionnement d'innombrables machines, gadgets, véhicules et procédés de fabrication. La plupart des gens ignorent probablement que des capteurs sont responsables de nombreuses fonctions qui leur sont indispensables. On peut citer l'accéléromètre qui fait en sorte que l'affichage d'un téléphone portable ou d'une tablette est toujours dans la bonne orientation quel que soit le mouvement ou la rotation que subit l'appareil, ou le fait que des capteurs aident les voitures et les avions à fonctionner en toute sécurité. De tels capteurs sont largement utilisés dans les équipements médicaux, dans l'ingénierie aérospatiale, dans d'innombrables procédés de fabrication ainsi qu'en robotique, pour ne donner que quelques exemples.

La sensibilité des capteurs détermine en grande partie leurs applications. Lorsqu'un capteur répond à un changement relativement important dans un milieu par un changement relativement faible dans son matériau détecteur (et donc dans sa sortie), sa sensibilité est qualifiée de faible. Mais des capteurs doivent parfois mesurer de faibles variations, auquel cas ils doivent être dotés d'une sensibilité élevée c'est-à-dire répondre à des variations infimes dans le milieu mesuré. La linéarité de tels capteurs est souvent confinée à une gamme très réduite, au-delà de laquelle le capteur répondra avec une précision bien moindre.

Les fabricants de capteurs doivent prendre en compte l'effet qu'aura le capteur sur la quantité détectée ou mesurée : le fait de plonger l'ampoule d'un thermomètre à mercure en verre dans une tasse de thé chaud, par exemple, refroidira le liquide car le thermomètre absorbe de l'énergie thermique du milieu dans lequel il est immergé. L'effet du capteur est la plupart du temps inévitable dans une certaine mesure, mais un soin et une ingéniosité considérables sont employés pour s'assurer que l'effet soit aussi faible que possible. Une manière de minimiser cet effet est de miniaturiser autant que possible la conception des capteurs : plus un capteur a un encombrement physique réduit, plus son incidence physique sur le milieu sera faible. Aujourd'hui, la technologie des systèmes micro-électromécaniques (MEMS, Microelectromechanical Systems) est en train de métamorphoser la fabrication des capteurs et permet de construire des micro-détecteurs à une échelle réellement microscopique. Ces capteurs sont typiquement dotés de temps de réponse plus rapides et de sensibilités considérablement supérieures par rapport à leurs homologues de taille conventionnelle.

Pour résumer : Les caractéristiques techniques de base communes à tous les capteurs sont de présenter un comportement linéaire (afin de fournir des mesures correspondant précisément à des variations réelles dans le milieu mesuré), d'être calibrés afin de respecter des échelles de mesure reconnues et faisant autorité, et de ne pas être utilisés aux extrémités de la gamme de tolérance pour laquelle ils ont été conçus pour mesurer précisément (autrement, leur linéarité et leur sensibilité sont compromises). Ils doivent avoir une incidence minimale sur le milieu mesuré : par exemple, le fait de plonger l'ampoule d'un thermomètre à mercure en verre dans un bécher d'eau chaude a une incidence (refroidissement) sur le milieu que le thermomètre tente de mesurer.

 

Historique du capteur

L'humanité a expérimenté des capteurs de divers types au moins depuis le troisième siècle avant J.C., lorsque Philo de Byzance construisit un appareil capable d'indiquer la quantité d'air qui se dilatait ou se contractait en réponse à des variations de température. Au dix-septième siècle, l'astronome et physicien italien Galileo Galilei construisait la première version d'un thermomètre, le thermoscope. Quelques décennies plus tard, en 1784, l’ingénieur anglais George Atwood construisit le premier accéléromètre. Sa fonction se limitait à démontrer les lois de la physique newtonienne jusqu'à sa redécouverte à la fin du vingtième siècle comme gadget utile pour de nombreuses applications. Par exemple, la rotation automatique des smartphones et des tablettes utilise des accéléromètres.

Des découvertes scientifiques restent parfois oubliées pendant des décennies et même des siècles jusqu'à ce que des applications soient imaginées. Par exemple, le rayonnement infrarouge (littéralement un rayonnement de longueur d'onde inférieure à celle de la lumière rouge visible) a été découvert en 1800 par l'astronome allemand William Herschel. Trois décennies plus tard, en 1831, le physicien italien Melloni a créé une thermopile capable de détecter la chaleur (c'est-à-dire le rayonnement infrarouge) émise par un sujet humain à une distance de dix mètres. Mais ce n'est que dans les années 1970 que des capteurs infrarouges capables de créer des images de « chaleur » d'humains ou d'animaux dans des caméras de conception spéciale ont réellement été développés.

Les années jalonnant la seconde guerre mondiale ont stimulé l'inventivité dans de nombreux domaines. Les précurseurs de l'identification par radio-fréquences (la puce RFID) et du capteur de mouvement ont été développés dans l’urgence pendant cette période, avec le radar qui tirait parti d'une découverte du dix-neuvième siècle et la technologie RFID issue des transpondeurs IFF qui permettait de détecter les sons distinctifs émis par les avions ennemis et amis.

Toute personne, étant déjà montée sur une balance électronique de salle de bains, a utilisé sans le savoir un capteur à jauge de contrainte. Ce type particulier de transducteur convertit des forces mécaniques telles que l'étirement ou la compression en variations de résistance électrique : à mesure que la feuille de la jauge de contrainte est comprimée ou étirée, elle subit des changements de résistance électrique. En 1938, bien avant que les balances électroniques de salle de bains contemporaines ne soient apparues, les ingénieurs américains Arthur Ruge et Edward Simmons mirent au point la première jauge de contrainte à résistance variable au monde.

 

Illustrations techniques/scientifiques de capteurs

 

Type de capteur	Versions	Type de détection	Description
Puce RFID	Passive (réception d'un signal d'interrogation d'un lecteur RFID) ; actif à batterie (transmission du signal d'identification à intervalles prédéfinis)	La puce RFID réagit à un signal d'interrogation entrant provenant d'un lecteur RFID.	Les puces de radio-identification stockent des données simples codées de manière électronique telles qu'un numéro de série unique ou des descriptions plus complexes de produits. Ces données peuvent être détectées et affichées par un lecteur RFID.
Capteur de température	Thermomètres, thermocouples et détecteurs de température résistifs (TD), chacun d'entre eux pouvant fonctionner par contact ou sans contact avec le milieu mesuré.	Variations dans l'énergie thermique d'un objet ou d'un milieu, par la dilatation et la contraction d'un matériau physique ou par des variations dans la conductivité électrique d'un conducteur.	Différents capteurs de température sont conçus pour être appliqués dans différents environnements en termes de chaleur. Certains, tels que les thermocouples et les détecteurs de température résistifs, sont sensibles et précis à de très hautes températures, tandis que d'autres tels que la plupart des thermomètres sont sensibles à des températures inférieures.
Accéléromètre	Piézoélectrique, piézorésistif, magnétorésistif, à effet Hall, à transfert de chaleur, capacitif	Mouvement d'accélération causé par des vibrations, une rotation, un basculement, la gravité, une chute libre ou une collision. Variation de la déviation d'une charge de test à ressort dans le capteur en réponse à des forces d'accélération	La déviation de la charge de test est convertie par le capteur en une mesure de la force associée à l'accélération qui a causé cette déviation. Le capteur prend aussi en compte le plan dans lequel l'accélération a lieu.
Capteur infrarouge	Passif (émissions thermiques infrarouges reçues d'un objet) ; actif (émission de rayonnement IR via une LED ou un laser).	Rayonnement infrarouge dans la gamme de longueurs d'onde 0,7 - 14 µm	Les capteurs IR détectent le rayonnement en-deçà de la longueur d'onde de la lumière rouge visible, c'est-à-dire principalement du rayonnement thermique. Ils peuvent être utilisés pour convertir le rayonnement infrarouge en images (comme dans les caméras IR), ou dans des systèmes de sécurité pour détecter la présence d'intrus en mouvement.
Capteur de mouvement	Détection locale (lumière IR visible envoyée par une LED ou un laser ; capteurs piézoélectriques, piézorésistifs, commutateurs de contact) ; détection de zones (vidéo, capteur de mouvement IR actif ou passif, détecteur de mouvement à ultrasons, capteur Doppler micro-ondes).	Mouvements d'objets, d'êtres humains ou d'animaux.	Les capteurs de mouvement convertissent les mouvements d'un intrus dans une zone donnée ou dans le champ de vision en signal électrique, qui peut ensuite servir d'entrée pour divers systèmes et applications tels que des dispositifs de sécurité, des systèmes d'éclairage automatisés, des portes automatiques et des commutateurs d'arrêt d'urgence dans les machines.

 

Utilisation des capteurs dans le secteur industriel

Des capteurs ont été utilisés par des ingénieurs de manières particulièrement imaginatives et avantageuses en termes de réduction de taches. Par exemple, les capteurs RFID n'ont pas seulement aidé à créer un système entièrement électronique de paiement de factures intégré aux smartphones ; ils ont également simplifié considérablement les procédures de sécurité en rendant possibles des systèmes d'ouverture de portails et de portes dans des zones sécurisées pour les porteurs des badges RFID adéquats, et révolutionné la logistique et le transport ainsi que les procédures de cross-docking.

Les capteurs à accéléromètre ne sont pas seulement utilisés de manière universelle dans les affichages à « rotation automatique » sur les appareils photos numériques, les smartphones et les tablettes, mais sont aussi largement utilisés dans les systèmes de navigation de l'équipement aérospatial moderne.

Parallèlement à cela, les capteurs infrarouges contemporains sont fréquemment intégrés à la machinerie lourde et à l'équipement électrique, dans lesquels ils activent des arrêts de sécurité en cas de températures aberrantes et potentiellement dangereuses.

Les capteurs de mouvement, lorsqu'ils sont câblés à des commutateurs d'arrêt d'urgence, remplissent des fonctions similaires en détectant des mouvements potentiellement dangereux dans les pièces mobiles mécaniques, qui peuvent indiquer l'usure de paliers ou autres défauts dont les conséquences financières seraient désastreuses si le système n'était pas désactivé rapidement. Ils sont aussi largement déployés dans les systèmes de sécurité domestiques et commerciaux pour détecter des intrus.

Des capteurs de température sous forme de thermocouples sont souvent rencontrés dans les usines chimiques, où ils sont capables de résister à des températures très élevées et mesurer de faibles variations de température qui renseignent sur le déroulement de réactions chimiques. Le nouveau domaine, nommé nanothermométrie, a permis de mesurer des différences de température entre des particules adjacentes.

 

 

Présentation succincte des différents types de capteurs figurant ci-dessus

 

Capteurs RFID

Les capteurs RFID lisent à distance des données codées de façon électronique dans des puces RFID de conception spéciale, avec des ondes radio au lieu d'un contact physique ou visuel. Ils peuvent détecter des informations à une faible distance (on peut citer l'exemple des puces d'identification d'animaux domestiques ou de bétail) ou à une distance beaucoup plus élevée dans les entrepôts ou le transport de fret, notamment pour l'identification de produits.

 

Capteurs de température

Les capteurs de température, qu'il s'agisse de thermomètres à mercure en verre, de thermostats ou de thermocouples, mesurent précisément des variations d'énergie thermique dans un corps ou un fluide, et convertissent les mesures dans une échelle de température faisant autorité telle que les degrés Kelvin, Celsius ou Fahrenheit. Des capteurs de température de conceptions différentes sont sensibles sur des gammes spécifiques, et peuvent indiquer des mesures imprécises ou distordues au-delà de ces gammes.

 

Accéléromètres

Les accéléromètres détectent des variations dans la rotation ou la vitesse d'un objet relativement à la gravité, généralement suite à des changements électriques dans des cristaux piézoélectriques ou des variations de capacité entre des microstructures électriquement sensibles.

 

Capteurs infrarouge

Les capteurs infrarouges détectent un rayonnement à l'extrémité non visible du spectre de lumière rouge, qui est associée à l'émission d'énergie thermique. Les capteurs IR les plus couramment utilisés sont dits « passifs », ce qui signifie qu'ils reçoivent simplement des émissions thermiques d'un corps chaud étranger dans un champ donné. Ils sont largement utilisés dans les systèmes de sécurité domestiques et commerciaux ainsi que dans les caméras thermosensibles.

 

Capteurs de mouvement

Les capteurs de mouvement sont eux aussi largement utilisés dans les systèmes de sécurité ainsi que dans les procédés de fabrication. Ils sont tous conçus pour détecter les mouvements d'objets (tels que des pièces mobiles de machines ou des véhicules) ou d'intrus humains dans un champ de vision donné. Certains émettent des signaux puis « lisent » la présence d'une intrusion au moyen d'altérations dans l'écho reçu, tandis que d'autres captent des signaux émis naturellement par l'intrus tels que des émissions de rayonnement infrarouge. Ils sont universellement déployés dans le monde au sein de systèmes de sécurité, mais peuvent également être intégrés à des commutateurs de sécurité destinés à arrêter une machine si un mouvement potentiellement dangereux ou néfaste est détecté par ces capteurs.