Chapitre II
Principes physiques utilisés dans les
capteurs

1. Rappel
o Conducteurs d’électricité
o Isolants
o Semi conducteurs
o Induction électromagnétique
o Loi de LENZ
o Solution conductrice

I. Effet résistif :
Définition : Lorsqu’on applique aux bornes
d’un conducteur une ddp, il sera parcouru par un
courant électrique dù au déplacement des électrons.
L’intensité de ce courant dépend de la résistance du
matériaux utilisé, c’est l’effet résistif.

1. Potentiomètre rectiligne:
T
R
L
l
l
R .
)
( 
RT est la résistance totale du potentiomètre
la résistance du potentiomètre est
supposée uniforme pour que la
résistnace soit linéaire en fonction de
la position du curseur

2. Potentiomètre circulaire
T
M
R
R .
)
(


  M est inférieur à 360 degrés

3. Potentiomètre hélicoidale
M peut être supérieur
à 360 degrés

Une thermistance est un capteur resistif à base
de materiau semi-conducteur (silicium); sa
resistance varie fortement avec la temperature.
4. Résistance variable en fonction de la température:
(thermistance)









 0
1
.
1
0
)
(
T
T
B
e
R
T
R
B: coefficient spécifique
T: température absolue
R0: résistance à température absolue de référence T0

 de certaines grandeurs physiques (telles que les forces,
pressions, accélérations, températures,...) par le
déplacement qu'elles imposent à des corps d'épreuves.
Cet effet est couramment employé pour la mesure:
 des positions et déplacements indispensables pour le
fonctionnement correct d'un grand nombre de
machines,...
Applications:

Définition:
Quand un isolant électrique sépare deux
conducteurs, des charges dans les conducteurs
produisent un champ électrique dans l’isolant. La
capacité est la capacité de ce champ électrique pour
stocker et libérer de l’énergie. Un condensateur est un
composant électronique spécialement conçu pour
tenir l’énergie électrique.
II. Effet capacitif :

12
0
0
10
.
85
.
8
.
. 

 


d
S
C r
S est la surface en regard et d la distance entre les deux
cylindres
r est la permittivité relative du milieu placé entre les
armatures
La capacité électrique C d'un condensateur composé
de deux plaques métaliques est donnée par:

Les capteurs capacitifs mettent à profils
Modification de la permittivité:
o température
o hygrométrie (humidité)
o niveau de liquide isolant
Modification de la géométrie:
o pression (microphone)
o pression de fluide (membrane)
o déformation de solide (jauge)

 codensteurs plans
1. Effet capacitif mécanique:
Il s’agit des condensateurs dont la capacité est
variable selon le déplacement de l’une des armatures,
on distingue deux types:
Le déplacement de l’armature peut s’effectuer soit
dans son propre plan càd S variable et d constant
(condensateur à surface variable)

soit perpendiculairement à son propre plan càd S
constant et d variable (condensateur à écartement
variable)

 codensteurs cylindriques
1
2
0
log
.
.
.
.
2
r
r
l
C r 



l est l’enfoncement du cylindre intérieur dans le
cylindre extérieur
r1 et r2 les rayons des deux cylindres
Le déplacement de l’armature se fait uniquement
parallélement à l’axe (l variable)

Remarque: codensteur double différentiel
L’armature mobile A1 se déplace
perpendiculairement à son plan entre les deux
armatures fixes A2 et A3
L’interet de ce montage étant la linéarité entre la
capacité et le déplacemnt d

Autres montages différentiels:

2. Effet capacitif et diélectrique:
cette dépendance peut être exploitée dans la
fabrication de capteurs capacitifs pour la mesure du
taux hygrométrique de l'air (% d'humidité dans l'air)
entre autres.
La perméabilité diélectrique εd d'une
substance (certaines céramiques par ex) peut
dépendre de divers paramètres physiques, comme la
température et l’humidité.

Parmi les applications de cet effet on trouve:
Applications:
 Capteur de proximité capacitif haute
température…
 le microphone capacitif (variation de d)
 les capteurs de très faible déplacement
(nanomètre capacitif) ,
 les capteurs de mesure précise de grands
déplacements (s variable) micromètre capacitif…
 Capteur de niveau de liquide.

Mesure de niveau capacitive
pour un liquide isolant
Mesure de niveau capacitive
pour un liquide conducteur

Autre exemple d’application de l’effet capacitif:
Capteur capacitif de proximité

Les détecteurs capacitifs permettent la détection
de tous les types de matériaux conducteurs et
isolants tels que verre, huile, bois, plastique, etc
Avantages
• pas de contact physique avec l'objet détecté
: possibilité de détecter des objets fragiles,
fraîchement peints
• pas d'usure,
• détecteur statique
Remarque: les distances de détection sont
relativement faibles.

Capteur capacitif de proximité CJ8-18GM-E2-V1

Le déplacement de l’un des éléments d’un circuit
magnétique entraîne une variation du flux. Dans
le cas où il s’agit d’un noyau ferromagnétique son
déplacement peut entrainer:
Soit une modification du coefficient
d’autoinduction (cas d’une bobine, induction
variable)
Soit par le changement du couplage entre les
enroulements primaire et secondaire (cas d’un
transformateur, variation du coefficient de
mutuelle induction).
III. Effet inductif:

 Bobine à noyau plongeur
Le coefficient d’autoinduction L du bobinage
dépend de l’enfoncement du noyau.
Association de deux bobines

f
f
L
L
k
M
M
L
L
L
.
2
0
0




Le coefficient d’autoinduction est donné par:
M et k étant respectivement le coefficient de
mutuelle induction et le coefficient de couplage
supposé constant.
Le déplacement du noyau entraine une variation
de l’inductance et qui est une fonction non
linéaire de lf.

Remarque: les non linéarités introduites par la
bobine à noyau plongeur peuvent être réduites en
utilisant deux bobines identiques avec un noyau
plogeur commun.
  f
f
f
f
f
l
S
S
l
N
L
l
l
S
l
N
L
.
).
1
(
).
(
0
2
2
0
0
2
2
0
0









.
0
2
0
l
S
N
L


 Circuit magnétique à entrefer variable
Le coefficient
d’autoinduction est
donné par:

x
l
l
x
x
l
S
N
L 







 .
2
2
1
.
2
0
0
2
0
2
0

Remarque: les variations de L sont non
linéaires en fonction des variations de l’entrefer.
Ces non linéarités peuvent êtres améliorés en
associant deux circuits magnétiques à variation
d’entrefer opposées.
Le déplacement de l’armature entraine une
variation de L donnée par:

 transformateur différentiel
Il est constitué d’un enroulement primaire et de
deux enroulements secondaires placés
symétriquement par rapport au primaire alimenté
par une tension sinusoidale.

Transformateur différentiel pour déplacement
rectiligne

Transformateur
différentiel pour
déplacement
angulaire

mesure de courant par une pince ampère métrique

 Accéléromètre inductif : (par mesure de
déplacement)

IV. effet Hall
Soit une plaquette de longueur L, de largeur a et
d’épaisseur b placée dans un champ magnétique
uniforme B perpendiculaire à sa plus grande face
Si on considère une charge macroscopique
négative, elle est soumise à:
La force électrostatique
La force magnétique
qE0
FM=qv vect B

La tension de Hall est donnée par:
b
B
I
R
b
B
I
nq
U H
H 
 .
1
RH constante de HALL
b : épaisseur de la plaque

mesure de courant par effet Hall
Applications:
mesure de débit d’une solution conductrice

Pour augmenter la sensibilité on utilise le montage
différentiel

 Capteurs pour la mesure des déplacements de
l’ordre de 1 mm.
 Capteurs tachymétriques.
Applications de l’effet inductif:

Autre exemple d’application de l’effet inductif:
Capteur inductif de proximité
fonctionnement

Les détecteurs inductifs détectent uniquement les
objets métalliques. Il permettent aussi le comptage
de présence d'objets métalliques
Avantages
• pas de contact physique avec l'objet détecté
: possibilité de détecter des objets fragiles,
fraîchement peints
• pas d'usure,
• détecteur statique

V. effet piézo-électrique:
La piézo-électricité est l’apparition d’une
polarisation ou la variation d’une polarisation
existante dans certains matériaux dits matériaux
piézo-électriques (le quartz, la topaze, la
tourmalite …) lorsqu’ils sont déformés sous l’effet
d’une force.
Les déformations fondamentales sont de deux types:
• élongations longitudinales et transversales
• cisaiement d’épaisseur et de face

Élongation longitudinale Élongation transversale
Cisaiement d’épaisseur Cisaiement de face

Associations
Les éléments piézo-électriques peuvent être associés:
Soit en série pour doubler la tension en circuit
ouvert, la capacité est divisée par deux.

Soit en parallèle pour doubler la charge et la capacité
Ou une combinaison des
deux en fonctions des
applications

Rondelle de charge
Forme

Remarque
L’air de la surface soumise à la force pressante
conditionne la limite supérieure de la mesure
Diamètre de 10 cm pour quelques 103 KN
L’effet piézo-électrique est inversible: une tension
peut générer une déformation

Applications
Capteur de pression.
Capteur de niveau de liquides.
Capteur de force de compression et de traction.

Accéléromètre piézoélectrique .

Capteur de vibration piézoélectrique

Capteur de température à quartz
Un système constitué d’un piézo possède une fréquence
propre mécanique très précise qui dépend de la
température.
La mesure de la fréquence nous renseigne sur la
température donc le résonnateur piézo peut servir de
thermomètre haute précision
Schéma électrique

inversement le cristal se déforme lorsqu’on lui applique
une tension électrique.
le quartz soumis à une tension électrique, vibre à une
fréquence très stable et bien définie.
C'est pour cette propriété que le quartz est utilisé pour
fabriquer les montres et les horloges,
Remarque (effet inverse de la piézo-électricité):

C’est une conversion de l’énergie d’agitation
thermique en énergie électrique
 effet PELTIER:
VI. effet thermoélectrique:
L’effet Peltier est un effet thermoélectrique qui décrit le
phénomène de déplacement de chaleur en présence d’un
courant électrique à la jonction de deux métaux différents.
En effet lorsqu’un courant électrique passe à travers la
jonction reliant deux conducteurs, on observe un
dégagement de chaleur ou une absorption de chaleur selon
le sens du courant.

N
M
T
B
A V
V
P 

/
La f.é.m de Peltier est la ddp entre A et B

A
conducteur
du
THOMSON
de
t
Coefficien
h
dT
h
E
A
T
T
A
T
T
A
N
M
N
M
:


 effet THOMSON:
Décrit la relation entre I ou V et flux de chaleur à travers un conduceur

Remarque: loi de VOLTA
Dans un circuit isotherme constitué de
conducteurs différents la somme des f.é.m de
PELTIER est nulle

 effet Seebeck:

En effet, si les deux conducteurs sont des semis
conducteurs dopés N et P, Les porteurs de charges
migrent du côté chaud vers le côté froid.
Si les deux jonctions sont aux températures T1 et T2,
une f.é.m dite de SEEBECK apparait, elle résulte des
effets PELTIER et THOMSON

Entre a et b
2
/
T
B
A
bc P
E 


2
1
T
T
A
ab dT
h
E
Entre b et c
Entre c et d
Entre d et a


1
2
T
T
B
cd dT
h
E
1
/
T
A
B
da P
E 
La f.é.m de SEEBECK est donnée par:
 
 



2
1
1
2
1
2
/
/
/
T
T
B
A
T
A
B
T
B
A
T
T
B
A dT
h
h
P
P
E

L’effet seebeck constitue le principe du thermocouple,
qui est couramment utilisé comme capteur de
température.
Si on fixe par exemple T2 (valeur de référence )
la f.é.m pour un couple de conducteurs données
ne dépend plus que de T1

Thermostats à bilame
La température entraine une déformation du bilame
et par suite l’ouverture d’un contact. Ce principe est
utilisé surtout pour la détection de seuils de
température.
autre effet thermique:

mesure de la température par thermocouples
Application:
Appareils électroménagèrs
Fers à repasser.
Appareils de chauffage
Grille pain
si un courant traverse le circuit formé par les
deux semis conducteurs, la chaleur peut être
absorbées par l’une des jonctions et restituée par
l’autre (appliqué en réfrigération faible puissance)
Remarque (effet inverse):

l’effet photoélectrique ou émissiom photoélectrique
est l’expulsion d’électrons hors d’un matériaux lorsque
celui-ci est frapé par un rayonnement
électromagnétique
par ex. la lumière visible ou des rayonnements de
longueurs d’onde voisines.
VII. effet photoélectrique:

Propriétés fondamentales de la lumière.
• les phénomènes d’interférences, de diffraction,
de réflexion et de réfraction mettent en évidence
l’aspect ondulatoire de la lumière.
• les particules atomiques n’absorbent et
n’emettent pas l’énergie que sous forme de portions
d’énergie (quantums d’énergie h.) photons dans le
cas d’un rayonnement lumineux (Max Planck
ensuite A. Einstein)
• la lumière est à la fois une onde et un flux de photons.

• l’aspect corpusculaire apparait lors de
l’interaction entre le rayonnement et la matiêre
• dans la matière, les électrons liés aux atomes
exigent pour devenir libre une énergie supérieure à
leurs énergie de liaison wL.
Libération d’une paire é-trou

Remarque: sous l’influence d’un rayonnement
lumineux, la libération de porteurs de charges
constitue l’effet photoélectrique. il est le principe
de base des capteurs optiques ou détecteurs
photoniques.
 Photorésistance
 Photodiode
 Diode pin
 Phototransistor
 CCD
 …

Cellule photoconductrice:
La photorésistance (ou cellule photoconductrice) est un
composant électronique dont la résistivité varie en fonction de
la quantité de lumière incidente. La photorésistance est parmi
les capteurs optiques les plus sensibles.
L
Surface A
Ip (T)
V
Rayonnement

commande de l’éclairage automatique des rues.
Application;
Inconvénients:
Avantages:
 nécessité de refroidissement pour certains types (selon matériaux utilisés)
 seuil de détection faible, l’intérêt des cellules photoconductrices réside dans leur
sensibilité élevée d’où résulte la simplicité de certains montages d’utilisation
(exemple : commande de relais).
 très faible coût
 Non-linéarité de la réponse en fonction du flux,
 Temps de réponse en général élevé et bande passante limitée,
 Instabilité (vieillissement) des caractéristiques,
 Instabilité thermique – comme la plupart des capteurs optiques,

Photodiode:

- Ceux créés dans la ZCE: les é sont propulsés vers la région n et les trous
vers la zone neutre p, ils donnent naissance à un photocourant de
génération.
Ces différentes composantes s’ajoutent et donnent le photocourant.
Sous l’effet d’un rayonnement lumineux, des paires électrons -trous
seront crées dans les différentes régions.
- Ceux créés dans les zones neutres: pas d’évolution des majoritaires
par contre les minoritaires diffusent et ceux qui atteignent la frontière
de la ZCE sont propulsés par le champ qui y règne vers la zone où ils
sont majoritaires, ils créent alors un photocourant de diffusion.

Remarque:
 Photodiode Schottky
Une photodiode Schottky est constituée d’un substrat de
silicium de type n, sur lequel est déposée une couche mince métallique,
généralement de l’or. On réalise ainsi une barrière Schottky. Sous l’effet
d’un rayonnement, il se crée des paires électrons-trous dans la ZCE du
semi-conducteur, la diode est le siège d’un photocourant de génération
analogue à celui d’une photodiode à jonction P-N.
Avantages:
 L’avantage de la photodiode Schottky réside dans le fait que la couche
métallique, si elle est suffisamment mince( 10 nm) pour le passage de la
lumière, est transparente au rayonnement dans le domaine du proche
ultra violet, ce qui n’est pas le cas de la zone frontale des autres types de
photodiode.

 La zone de déplétion est si proche du plan d’incidence que les
photons de grande énergie et de courte longueur d’onde peuvent y être
absorbés. Les porteurs libres ainsi créés sont rapidement balayés par le
champ élevé.
 grande sensibilité dans le bleu et le violet, et aussi une grande vitesse
de réponse.
Inconvénient:
 L’inconvénient d’une telle structure est dans La réponse aux grandes
longueurs d’ondes du rouge et de l’infrarouge à cause de la grande
réflectivité de la couche d’or dans cette partie du spectre.,

 Photodiode pin
L'introduction d'une très mince couche intrinsèque I non dopée ,
près de la couche P collectant la lumière à plusieurs avantages.
elle accroît la vitesse de réponse ;
elle réduit la capacité Cj de la jonction;
elle réduit le courant de fuite et le bruit ;
elle améliore la linéarité du dispositif.

Phototransistor:
Un phototransistor est un composant qui possède la même structure
qu'un transistor bipolaire classique , mais dont la jonction base-collecteur
peut être éclairée par un rayonnement lumineux; Le phototransistor peut-être
utilisé soit de manière classique (base polarisée) , soit base en l'air qui est
l'application la plus fréquente.
La jonction B-C est une photodiode.
On bénéficie ainsi du coefficient d'amplification propre au transistor

Les capteurs photoélectriques sont souvent utilisés comme capteurs de
position à sortie binaire.
Ils comprennent généralement un émetteur de lumière (diode
photoémissive ou diode laser) et un récepteur (photodiode ou
phototransistor).
Ils sont conçus pour détecter la présence d’un objet sur le trajet lumineux
allant de l’émetteur au récepteur par transmission ou par réflexion.
Applications:

En utilisant les fibres optiques:

Un ensemble de capteurs photoélectriques à sortie binaire peut être
utilisé sous forme d’un "rideau optique".
Celui-ci permet non seulement de détecter la présence d’un objet mais
aussi d’en mesurer une
dimension avec une résolution égale à la distance entre capteurs
successifs.

Codeurs incrémentaux
La périphérie du disque du codeur est divisée en "x" fentes
régulièrement réparties. Un faisceau lumineux se trouve derrière ces fentes,
dirigé vers une diode photosensible. Chaque fois que le faisceau est coupé, le
capteur envoie un signal qui permet de connaître la variation de position de
l'arbre. Pour connaître le sens de rotation du codeur, on utilise un deuxième
faisceau lumineux qui sera décalé par rapport au premier. Le premier faisceau
qui enverra son signal indiquera aussi le sens de rotation du codeur.

Remarque (effet inverse):
• Lampe a filament de tungstene
• diode electroluminescente: l’ènergie libérée par la
r ecombinaison d’un électron et d’un trou au niveau
de la jonction PN se fait sous la forme d’un photon.