Capteur transducteur

Présentation des transducteurs

Le « transducteur » est le terme générique désignant tout dispositif capable de convertir une forme d'énergie (le signal d'entrée) en une autre (la sortie) par le biais d’un actionneur, tout en maintenant une relation reconnaissable et stable entre les deux. L'actionneur est la partie du dispositif qui reçoit l'énergie entrante et la convertit en une forme de mouvement. L'actionneur d'un moteur électrique, par exemple, reçoit une entrée électrique et la convertit en mouvement mécanique, tout comme le fait l'actionneur d'un haut-parleur, bien que la forme du mouvement soit très différente dans ces deux cas.

Au niveau le plus élémentaire, les transducteurs peuvent être classés en trois grandes catégories. Les transducteurs d'entrée convertissent une source d'énergie physique (telle que la pression, la température ou des ondes sonores) en un signal lisible ; par exemple, les microphones transforment les ondes sonores qui font vibrer leur diaphragme en signaux électriques pouvant ensuite être transmis par des fils électriques. Les transducteurs actionneurs, au contraire, convertissent un signal d'entrée électrique en énergie physique : par exemple, les hauts parleurs d'une chaîne audio convertissent l'entrée électrique provenant d'un enregistrement sonore en ondes sonores physiques.

Les « transducteurs combinés » tels que les appareils d'échographie sont capables de créer et de recevoir des mouvements. On peut citer le capteur d'ultrasons, qui oscille entre la fonction actionneur (produisant des ondes ultrasons et les transmettant dans le corps) et la fonction capteur (qui reçoit les ondes ultrasons transmises lorsqu’elles sont réfléchies par les structures anatomiques dans le corps). Cette oscillation se produit plusieurs fois par seconde. Les signaux d'émission et de réception sont ensuite traités et intégrés à une image visuelle qu'il est ensuite possible d'afficher sur un moniteur.

 

Historique

Un transducteur est simplement le nom générique pour tout dispositif qui transforme une forme d'énergie en une autre puis convertit cette dernière en un signal lisible. L'une des premières formes de transducteur est la célèbre invention du physicien anglais Robert Hooke, qui convertissait l'énergie acoustique (la parole) en vibration cinétique d'un fil : une personne parlait dans une coupelle à une extrémité et la voix était convertie en vibrations dans le fil, puis reproduites sous forme de voix à la « sortie » du fil, qui comportait aussi une coupelle. En pratique, il avait créé une version primitive du microphone.

Au dix-neuvième siècle, de nombreuses découvertes ont été faites sur des matériaux capables de créer un effet transducteur. Le physicien allemand-estonien Thomas Johann Seebeck, par exemple, a découvert en 1821 que deux métaux non semblables disposés en circuit produisaient une tension électrique capable de déplacer un aimant lorsqu'ils étaient chauffés à leur point de contact ; le principe à la base du thermocouple moderne était né. Le physicien anglais John P. Joule, un contemporain de Seebeck, a découvert en 1842 que lorsqu'un champ magnétique était appliqué à une barre de fer, cette dernière subissait une contraction, un phénomène connu sous le nom de « magnétostriction de Joule ». En 1880, Jacques et Marie Curie ont découvert la piézoélectricité, par laquelle un cristal de quartz produit une charge électrique lorsqu'il est soumis à une force physique.

À compter du vingtième siècle, de nombreux matériaux transducteurs avaient été découverts et produits. L'équipement des sonars basé sur des céramiques en nickel et piézoélectriques est devenu dépassé vers la fin du siècle, ce qui a conduit à la fabrication de nouveaux alliages basés sur des lanthanides. Ces derniers sont capables de présenter des effets de magnétostriction massifs. Aujourd'hui, la plupart des transducteurs piézoélectriques sont fabriqués en titanate-zirconate de plomb.

Aujourd'hui, des centaines de transducteurs différents sont utilisés dans d'innombrables applications commerciales, industrielles et domestiques.

 

Aspects techniques

De manière inévitable, lorsqu'une forme d'énergie est convertie en une autre par un transducteur, une partie de cette énergie est tout simplement perdue. Certains transducteurs sont toutefois plus efficaces de ce point de vue que d'autres. Dans des conditions optimales, les antennes radio conservent plus de 80 % de la puissance radiofréquence qu'elles reçoivent lorsqu'elles les convertissent en puissance électrique. Les moteurs électriques, par contre, sont généralement beaucoup moins efficaces et perdent lors de la conversion plus de la moitié de l'énergie qu'ils reçoivent. Les ampoules électriques standard comptent parmi les transducteurs les moins efficaces et perdent sous forme de chaleur plus de 90 % de l'énergie électrique qu'elles convertissent en lumière.

Il y a aujourd'hui des centaines de types de transducteurs différents. Les transducteurs électroacoustiques, par exemple, convertissent les signaux acoustiques en puissance acoustique, ou inversement la puissance acoustique en signaux électriques (on peut citer l'hydrophone, un dispositif capable de capter l'énergie acoustique qui traverse l'eau et de la convertir en signaux électriques, un instrument précieux en détection sonore sous-marine). Les transducteurs piézoélectriques convertissent des tensions électriques en mouvement, ou des contraintes physiques en signaux électriques via un élément piézoélectrique intégré. Ils sont typiquement utilisés dans les jauges de déformation, les capteurs piézoélectriques de vibrations et les accéléromètres. L'un des types de transducteurs les plus couramment utilisés est le transducteur électromagnétique, pour lequel on peut citer à titre d'exemple le transducteur magnétique à effet Hall (qui convertit des champs magnétiques en signaux électriques), le transducteur à inductance et les réacteurs saturables.

Les transducteurs électriques tels que le thermocouple convertissent une énergie thermique en tension électrique au moyen de deux métaux conducteurs non semblables possédant différentes propriétés thermoélectriques. Ce composant constitue un exemple de transducteur « actif », car il produit une puissance (électrique dans ce cas) en réponse au signal d'entrée. D'autres composants, appelés transducteurs passifs, répondent au stimulus d'un signal entrant en modifiant de façon proportionnelle une propriété électrique passive telle que l'inductance, la résistance ou la capacité. Le transducteur de déplacement linéaire, par exemple, fait varier la position d'un contact sur un segment de matériau conducteur d'électricité, altérant ainsi la résistance au courant électrique le traversant. Typiquement, le mouvement du contact peut être amplifié en utilisant des circuits à base de film mince imprimé ou un de fil enroulé, afin qu'un déplacement physique relativement faible du contact produise un changement détectable de la résistance. En d'autres termes, les variations de position physique sont converties en signaux électriques.

Les transducteurs pneumatiques fonctionnent grâce à l'air comprimé, qu'ils peuvent convertir en signal lisible. Un de ces dispositifs tire parti d'un jet d'air comprimé émis par une buse et dirigé vers une paroi mobile ; la buse s'éloigne de la paroi par la force de l'air. Ce faisant, la paroi produit une pression derrière elle, qui est ensuite convertie en signal. Des versions hydrauliques semblables aux transducteurs pneumatiques existent, et utilisent des variations de pression liquide à la place d'une pression d'air pour produire un signal.

 

Domaines d'utilisation des transducteurs dans la production

Les transducteurs électromécaniques possèdent une large gamme d'applications dans la production. On peut notamment citer les accéléromètres dans les téléphones mobiles sensibles au mouvement et les moteurs rotatifs et linéaires ainsi que les jauges de contrainte. Les diodes électro-optiques (ou photoélectriques) incluent les diodes électro-luminescentes, qui sont de plus en plus utilisées dans les systèmes d'éclairage des bâtiments commerciaux et industriels en raison de leur faible consommation d'énergie et de leur efficacité élevée par rapport aux lampes fluorescentes ordinaires. Les thermocouples (transducteurs thermoélectriques) sont utilisés pour surveiller les températures ambiantes dans les systèmes de chauffage de bâtiments résidentiels et commerciaux, et dans les gammes élevées de température pour surveiller la température des hauts fourneaux industriels et des usines chimiques.

Ce ne sont que quelques-uns des innombrables exemples de transducteurs utilisés à l'époque moderne.