Les capteurs et les transducteurs sont des dispositifs d’entrée et de sortie respectivement, qui sont des composants critiques dans tous les systèmes électroniques et de contrôle, permettant de mesurer ou de modifier l’environnement selon le dispositif utilisé.

Mais pour qu’un circuit ou un système électronique exécute une tâche ou une fonction utile, il doit être capable de communiquer avec le “monde réel”. Que la tâche consiste à lire un signal d’entrée provenant d’un interrupteur “ON/OFF”, ou à activer une forme de dispositif de sortie pour éclairer une lumière.

En d’autres termes, un système ou un circuit électronique doit être capable de “faire” quelque chose et les Capteurs et Transducteurs sont les composants parfaits pour accomplir cela.

Le terme “Transducteur” est le terme collectif utilisé pour désigner à la fois les Capteurs et les Actionneurs. Les capteurs peuvent détecter une large gamme de différentes formes d’énergie telles que le mouvement, les signaux électriques, l’énergie rayonnante, thermique ou magnétique, etc. Tandis que les actionneurs peuvent être utilisés pour changer des états de sortie, des tensions ou des courants.

Il existe de nombreux types de capteurs et de transducteurs, à la fois analogiques et numériques, avec des versions d’entrée et de sortie disponibles. Le type de transducteur d’entrée ou de sortie utilisé dépend essentiellement du type de signal ou de processus “détecté” ou “contrôlé”. Ainsi, nous pouvons définir les transducteurs comme des dispositifs capables de convertir une quantité physique en une autre.

Les dispositifs qui effectuent une fonction “Entrée” sont généralement appelés Capteurs car ils “perçoivent” un changement physique dans certaines caractéristiques qui modifient leur réponse à une forme d’excitation externe. Par exemple, la chaleur ou une force est convertie en un signal électrique. Les dispositifs qui effectuent une fonction “Sortie” sont généralement appelés Actionneurs et peuvent être utilisés pour contrôler une action externe. Par exemple, le mouvement ou le son.

Ainsi, les Transducteurs électriques sont utilisés pour convertir l’énergie d’un type en énergie d’un autre type. Par exemple, un microphone (dispositif d’entrée) convertit les ondes sonores du chanteur en signaux électriques pour que l’amplificateur les amplifie (un processus), et un haut-parleur (dispositif de sortie) reconvertit ces signaux électriques en ondes sonores.

Un exemple de ce type de système simple d’Entrée/Sortie (I/O) est donné ci-dessous.

Système d’Entrée/Sortie Simple utilisant des Transducteurs Sonores

Il existe de nombreux types de capteurs et de transducteurs disponibles sur le marché, classés généralement par le type de mesurande, c’est-à-dire physique, chimique ou biologique. Ainsi, le choix du capteur à utiliser dépend vraiment de la quantité mesurée ou contrôlée, les types plus courants sont résumés dans le tableau ci-dessous :

Capteurs et Transducteurs Courants

Les transducteurs ou capteurs de type entrée produisent une tension ou une sortie de signal qui est proportionnelle au changement de la quantité qu’ils mesurent (le stimulus). Le type ou la quantité du signal de sortie dépend du type de capteur utilisé. Mais généralement, tous les types de capteurs peuvent être classés en deux catégories, soit Capteurs Passifs ou Capteurs Actifs.

En général, les capteurs actifs nécessitent une source d’alimentation externe pour fonctionner, appelée un signal d’excitation utilisé par le capteur pour produire le signal de sortie. Les capteurs actifs changent leurs propriétés en réponse à un effet externe produisant un signal de sortie. Par exemple, une tension de sortie de 1 à 10v DC, ou un courant de sortie tel que 4 à 20mA DC. De plus, en raison de leurs exigences en matière d’alimentation, les capteurs actifs peuvent également produire une amplification du signal.

Un bon exemple de capteur actif est un capteur LVDT ou un capteur de contrainte. Les jauges de contrainte sont des réseaux de ponts résistifs sensibles à la pression qui sont biaisés de l’extérieur (signal d’excitation) de manière à produire une tension de sortie proportionnelle à la quantité de force mécanique et/ou de déformation appliquée au capteur.

Contrairement aux capteurs actifs, un capteur passif ne nécessite aucune source d’énergie ou tension d’excitation supplémentaire. Au lieu de cela, un capteur passif génère un signal de sortie en réponse à un stimulus externe. Par exemple, un thermocouple qui génère sa propre tension de sortie lorsqu’il est exposé à de la chaleur. Ainsi, les capteurs passifs sont des capteurs directs qui changent leurs propriétés physiques, telles que la résistance, la capacitance ou l’inductance, etc.

Mais, en plus des capteurs analogiques, les Capteurs Numériques produisent une sortie discrète représentant un nombre binaire ou un chiffre tel qu’un niveau logique “0” ou un niveau logique “1”.

Capteurs et Transducteurs Analogiques et Numériques

Capteurs Analogiques

Les Capteurs Analogiques produisent un signal de sortie continu ou une tension qui est généralement proportionnelle à la quantité mesurée. Les quantités physiques telles que Température, Vitesse, Pression, Déplacement, Déformation, etc., sont toutes des quantités analogiques car elles tendent à être continues par nature.

Par exemple, la température d’un liquide peut être mesurée à l’aide d’un thermomètre ou d’un thermocouple qui répond en continu aux changements de température au fur et à mesure que le liquide est chauffé ou refroidi.

Thermocouple utilisé pour produire un Signal Analogique

Notez cependant qu’un thermomètre à mercure produira un changement dans le volume de mercure en réponse à un changement de température par expansion thermique, où la sortie est un déplacement mécanique ou visuel et non un signal électrique.

Les capteurs analogiques ont tendance à produire des signaux de sortie qui changent en douceur et continuellement au fil du temps. Ces signaux ont tendance à être très faibles, allant de quelques micro-volts (uV) à plusieurs milli-volts (mV), donc une forme d’amplification est requise.

Les circuits qui mesurent des signaux analogiques ont généralement un temps de réponse lent et/ouUne faible précision. De plus, les signaux analogiques peuvent être facilement convertis en signaux numériques pour une utilisation dans des systèmes à microcontrôleur par le biais de convertisseurs analogiques-numériques, ou ADC.

Capteurs Numériques

Comme son nom l’indique, les Capteurs Numériques produisent des signaux ou tensions de sortie numériques discrets qui sont une représentation numérique de la quantité mesurée. Les capteurs numériques produisent un signal de sortie binaire sous la forme d’un niveau logique “1” ou “0”, (“ALLUMÉ” ou “ÉTEINT”). Cela signifie qu’un signal numérique produit uniquement des valeurs discrètes (non continues) qui peuvent être émises sous forme d’un seul “bit”, (transmission série) ou en combinant les bits pour produire une sortie unique “octet” (transmission parallèle).

Capteur de Lumière utilisé pour Produire un Signal Numérique

Dans notre exemple simple ci-dessus, la vitesse de l’arbre tournant est mesurée à l’aide d’un capteur numérique LED/Opto-detecteur. Le disque fixé à un arbre rotatif (par exemple, provenant d’un moteur ou de roues de robot) présente un certain nombre de fentes transparentes dans sa conception. À mesure que le disque tourne avec la vitesse de l’arbre, chaque fente passe successivement devant le capteur produisant une impulsion de sortie représentant un niveau logique “1” ou “0”.

Ces impulsions sont envoyées à un registre de compteur et finalement à un affichage de sortie pour montrer la vitesse ou les révolutions de l’arbre. En augmentant le nombre de fentes ou “fenêtres” dans le disque, davantage d’impulsions de sortie peuvent être produites pour chaque révolution de l’arbre. L’avantage de ceci est qu’une plus grande résolution et précision est atteinte car des fractions de révolution peuvent être détectées. Alors ce type d’arrangement de capteur pourrait aussi être utilisé pour le contrôle de position, chaque fente du disque représentant une position de référence.

Comparé aux signaux analogiques, les signaux numériques ou quantités ont des précisions très élevées et peuvent être mesurées et “échantillonnées” à une vitesse d’horloge très élevée. La précision du signal numérique est proportionnelle au nombre de bits utilisés pour représenter la quantité mesurée. Par exemple, en utilisant un processeur de 8 bits, on obtient une précision de 0,390% (1 partie dans 256). En utilisant un processeur de 16 bits, la précision est de 0,0015%, (1 partie sur 65 536) ou 260 fois plus précise. Cette précision peut être maintenue car les quantités numériques sont manipulées et traitées très rapidement, des millions de fois plus vite que les signaux analogiques.

Dans la plupart des cas, les capteurs et plus spécifiquement les capteurs analogiques nécessitent généralement une source d’alimentation externe et une forme d’amplification ou de filtrage supplémentaire du signal pour produire un signal électrique adapté à la mesure ou à l’utilisation. Un très bon moyen d’obtenir à la fois amplification et filtrage dans un seul circuit est d’utiliser des Amplificateurs Opérationnels comme vu précédemment.

Conditionnement de Signal des Capteurs et Transducteurs

Comme nous l’avons vu dans le tutoriel sur les Amplificateurs Opérationnels, les op-amps peuvent être utilisés pour fournir une amplification des signaux lorsqu’ils sont connectés en configurations inversées ou non inversées.

Les très faibles tensions de signal analogique produites par un capteur, telles que quelques milli-volts ou même pico-volts, peuvent être amplifiées de nombreuses fois par un simple circuit d’op-amp pour produire un signal de tension beaucoup plus élevé, disons 5v ou 5mA qui peut ensuite être utilisé comme un signal d’entrée pour un microprocesseur ou un système basé sur un convertisseur analogique-numérique.

Par conséquent, pour fournir un signal utile, le signal de sortie d’un capteur doit être amplifié avec un amplificateur ayant un gain de tension pouvant atteindre 10 000 et un gain de courant pouvant aller jusqu’à 1 000 000, l’amplification du signal étant linéaire, avec le signal de sortie étant une reproduction exacte de l’entrée, juste changée en amplitude.

L’amplification est donc une partie du conditionnement de signal. Ainsi, lors de l’utilisation de capteurs analogiques, certaines formes d’amplification (Gain), d’adaptation d’impédance, d’isolation entre l’entrée et la sortie ou peut-être de filtrage (sélection de fréquence) peuvent être nécessaires avant que le signal ne puisse être utilisé et cela est idéalement réalisé par des Amplificateurs Opérationnels.

Aussi, en mesurant de très petits changements physiques, le signal de sortie d’un capteur peut devenir “contaminé” par des signaux ou tensions indésirables qui empêchent le signal réel requis d’être mesuré correctement. Ces signaux indésirables sont appelés “Bruit“. Ce Bruit ou Interférence peut être considérablement réduit ou même éliminé par le biais de techniques de conditionnement ou de filtrage de signal, comme nous l’avons discuté dans le tutoriel sur le Filtre Actif.

En utilisant soit un Filtre Passe-Bas, un Filtre Passe-Haut, ou même un Filtre Passe-Bande, la “bande passante” du bruit peut être réduite pour ne laisser que le signal de sortie requis. Par exemple, de nombreux types d’entrées provenant d’interrupteurs, de claviers ou de contrôles manuels ne sont pas capables de changer d’état rapidement et donc un filtre passe-bas peut être utilisé. Lorsque l’interférence se situe à une fréquence particulière, par exemple la fréquence du réseau, des filtres en bande étroite ou Filtres Notch peuvent être utilisés pour produire des filtres sélectifs de fréquence.

Filtres Op-amp Typiques

S’il reste encore un bruit aléatoire après le filtrage, il peut être nécessaire de prendre plusieurs échantillons, puis de les moyenner pour donner la valeur finale afin d’augmenter le rapport signal/bruit. Quoi qu’il en soit, à la fois l’amplification et le filtrage jouent un rôle important dans l’interface de capteurs et transducteurs aux systèmes électroniques et basés sur microprocesseur dans des conditions du “monde réel”.

Dans le prochain tutoriel sur les Capteurs, nous allons examiner les Capteurs de Position qui mesurent la position et/ou le déplacement d’objets physiques, c’est-à-dire le mouvement d’une position à une autre pour une distance ou un angle spécifique.