Sciences · Physique
Capteurs électriques
Un capteur électrique transforme une grandeur physique (température, lumière, pression) en une grandeur électrique mesurable, comme une résistance ou une tension. Une courbe d’étalonnage relie les deux.
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Le thermostat d’un radiateur, la lumière qui s’allume au crépuscule, le podomètre d’un téléphone, l’airbag d’une voiture : tous reposent sur des capteurs. Un capteur électrique traduit une grandeur du monde réel en un signal électrique qu’un circuit ou un microcontrôleur peut traiter. Leur principe et leur étalonnage sont au programme de seconde en France, souvent avec une carte de type Arduino.
Capteurs résistifs et capteurs actifs
| Type | Principe | Exemples |
|---|---|---|
| Capteur résistif (passif) | Sa résistance varie avec la grandeur mesurée ; il faut l’alimenter | Thermistance, photorésistance, jauge de contrainte |
| Capteur actif | Il produit lui-même une tension ou un courant | Thermocouple, cellule photovoltaïque, capteur piézoélectrique |
| Capteur intégré | Circuit complet qui fournit une tension proportionnelle à la grandeur, ou un signal numérique | Capteur de température intégré, accéléromètre, capteur de pression |
La thermistance
Une thermistance est une résistance dont la valeur dépend fortement de la température.
- CTN (coefficient de température négatif) : sa résistance diminue quand la température augmente. C’est le type le plus courant en classe.
- CTP (coefficient positif) : sa résistance augmente avec la température.
Valeurs typiques d’une thermistance CTN de 10 kΩ à 25 °C :
| Température (°C) | 0 | 25 | 50 | 75 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|
| Résistance (kΩ) | 33 | 10 | 3,6 | 1,5 | 0,7 |
La relation n’est pas linéaire : la résistance chute rapidement aux basses températures, plus lentement ensuite.
Usages : thermomètres électroniques, protection des batteries contre la surchauffe, régulation des appareils de chauffage, sondes de température des voitures.
La photorésistance
Une photorésistance (ou LDR, light dependent resistor) est faite d’un semi-conducteur dont la résistance diminue quand l’éclairement augmente. Dans l’obscurité, elle peut atteindre plusieurs mégaohms ; en plein jour, quelques centaines d’ohms. Voir semi-conducteurs.
Usages : allumage automatique de l’éclairage public, veilleuses, réglage de la luminosité d’un écran (souvent remplacée aujourd’hui par des photodiodes).
D’autres capteurs courants
| Capteur | Grandeur mesurée | Principe |
|---|---|---|
| Thermocouple | Température | Deux métaux différents soudés produisent une petite tension dépendant de la température |
| Jauge de contrainte | Déformation, force, masse | Fil fin collé sur un support : étiré, sa résistance augmente (balances électroniques) |
| Capteur piézoélectrique | Pression, choc, vibration | Certains cristaux produisent une tension quand on les comprime |
| Capteur à ultrasons | Distance | Mesure de la durée d’un écho (voir écho et mesure de distance) |
| Photodiode | Éclairement | Courant proportionnel à la lumière reçue |
| Accéléromètre | Accélération, orientation | Micro-structure mobile dont le déplacement modifie une capacité électrique |
L’étalonnage
Pour transformer une mesure électrique en valeur de la grandeur physique, il faut étalonner le capteur.
- Placer le capteur dans des conditions connues, mesurées par un instrument de référence (thermomètre, luxmètre).
- Relever la grandeur électrique (résistance au multimètre, tension sur une carte d’acquisition) pour chaque valeur.
- Tracer la courbe d’étalonnage : grandeur électrique en fonction de la grandeur physique.
- Pour une mesure inconnue, lire la grandeur physique sur la courbe, ou utiliser son équation (modélisation par un tableur ou un programme).
Expérience classique : étalonner une thermistance
Matériel : une thermistance CTN, un multimètre en ohmmètre, un thermomètre de référence, un bécher, de l’eau à différentes températures (eau glacée, eau tiède, eau chaude du robinet ou chauffée par un adulte), un agitateur.
- Plonger la thermistance et le thermomètre côte à côte dans l’eau glacée, agiter, relever T et R.
- Recommencer avec de l’eau de plus en plus chaude, jusqu’à 60 ou 70 °C environ.
- Tracer R = f(T).
- Plonger la thermistance dans de l’eau de température inconnue, mesurer R, lire T sur la courbe, puis vérifier au thermomètre.
Le montage diviseur de tension
Une carte d’acquisition ou un microcontrôleur mesure une tension, pas une résistance. On place donc le capteur résistif en série avec une résistance fixe R₀ sous une tension connue U₀. La tension aux bornes de R₀ vaut :
U = U₀ × R₀ / (R₀ + R_capteur)
Quand la résistance du capteur change, U change : le programme convertit cette tension en grandeur physique grâce à l’étalonnage.
Erreurs fréquentes
- Mesurer la résistance du capteur alimenté : l’ohmmètre se branche hors tension.
- Croire que la relation est toujours linéaire : celle d’une thermistance ne l’est pas.
- Lire la température trop vite, avant que le capteur ait atteint l’équilibre thermique.
- Confondre CTN et CTP.
- Utiliser un capteur hors de sa plage d’étalonnage.
Exercice corrigé
Énoncé. On utilise la thermistance CTN décrite plus haut. 1) Sa résistance mesurée vaut 3,6 kΩ : quelle est la température ? 2) Elle vaut 6 kΩ : entre quelles valeurs se trouve la température ? 3) Pourquoi la précision est-elle meilleure vers 0–25 °C que vers 75–100 °C ?
Corrigé.
- 50 °C, d’après le tableau.
- Entre 25 °C et 50 °C (plus près de 25 °C). Une lecture sur la courbe donne une estimation plus précise, d’environ 35 °C.
- Entre 0 et 25 °C, la résistance varie de 23 kΩ ; entre 75 et 100 °C, seulement de 0,8 kΩ. Une même incertitude sur R donne donc une incertitude bien plus faible sur T aux basses températures : le capteur y est plus sensible.
Questions fréquentes
Quelle est la différence entre un capteur et un détecteur ?
Un capteur fournit une mesure, une valeur qui varie de façon continue avec la grandeur ; un détecteur indique seulement la présence ou l’absence d’un phénomène (détecteur de fumée, détecteur de présence), en tout ou rien.
Combien de capteurs contient un smartphone ?
Une dizaine en général : accéléromètre, gyroscope, magnétomètre (boussole), capteur de luminosité, de proximité, baromètre, microphones, capteurs d’images, capteur d’empreinte, parfois de température.
Que signifie la sensibilité d’un capteur ?
C’est la variation de la grandeur de sortie pour une variation donnée de la grandeur d’entrée, par exemple en kΩ par degré ou en mV par degré. Plus elle est grande, plus le capteur détecte de petites variations.