Les appareils électroniques modernes sont capables de mesurer, capter des informations ou événements provenant de l’environnement qui les entourent. Par analogie, les humains capturent les informations de leur environnement grâce à leur 5 sens.
Retrouvez dans cet article la description des 15 types de capteurs électroniques les plus utilisés.
Ainsi, pour chaque type capteur, j’explique son principe de fonctionnement et propose un ou plusieurs composants disponibles à l’achat sur internet sous forme de carte de démonstration si possible. Je fournis également un lien vers la datasheet de chaque composants proposés.
Les capteurs de mouvement
Le mouvement mesuré est celui de l’appareil électronique lui-même. Il peut être décomposé en plusieurs composantes :
- Accélération linéaire : variation de vitesse
- Vitesse angulaire : l’objet tourne sur lui-même
- Position angulaire géographique : boussole
Les capteurs accéléromètres, gyroscopes et magnétomètres mesurent ces variables physiques et les envoient vers un microcontrôleur. Par exemple, le traitement des informations permet de mesurer :
- Des vibrations
- Un mouvement : le passage d’une position immobile à un état en mouvement entraîne une accélération
- La direction du mouvement
- Des chocs : forte valeur d’accélération
- Un chute libre
- Un changement de direction : vitesse angulaire non nulle
Cette liste n’est bien évidemment pas exhaustive.
Voici quelques exemple de capteurs de mouvement :
- LIS3DH : Accéléromètre 16g
- LSM9DS1 : Accéléromètre avec Gyroscope et magnétomètre
Les capteurs de position absolue
Le capteur de position absolue le plus connu est le récepteur GNNS. Le terme récepteur GPS, couramment employé, désigne le système de positionnement par satellite américain. Cependant ceci est un abus de langage car d’autres systèmes sont utilisés comme Galiléo (Europe), Glonass (Russie) et Beidou (Chine) avec de meilleurs performances.
Le récepteur GNNS détecte les signaux provenant d’au moins 4 satellites et en déduit sa position géographique précise à 1 mètre près environ.
Il peut être utilisé également pour mesurer la vitesse de notre objet électronique et obtenir l’heure précisément.
Voici un exemple de capteur GNNS :
Les capteurs de luminosité
Les capteurs de luminosité mesurent l’intensité de la lumière ambiante. Ils sont généralement spécialisés pour la mesure de certaines bandes lumineuses : Infrarouge, Visible, UV.
Les composants utilisés peuvent être des photo-résistances, des photo-transistors ou des photo-diodes.
Les photo-résistances font varier leur valeur en fonction de la luminosité alors que les photo-transistors et les photo-diodes modulent l’intensité du courant les traversant en fonction de l’intensité lumineuse.
D’autres composants fournissent une interface numérique qui évite la mise en place d’un circuit de polarisation et l’utilisation d’un convertisseur analogique numérique.
Voici un exemple de capteur de luminosité :
Les capteurs de température
Les capteurs de température mesurent leur propre température et indirectement la température de l’air ambiant ou d’un objet à condition d’y être collé.
Les thermistances sont les composants nécessaires à la mesure de la température. Ce sont des résistances dont la valeur change en fonction de la température.
Les thermistances sont utilisées soit :
- Seules : un circuit de polarisation et un convertisseur analogique numérique sont nécessaires
- Dans un circuit intégré dédié avec interface numérique (généralement I2C)
Beaucoup de composants numériques et de capteurs embarquent une mesure de température comme fonctionnalité annexe.
Voici deux exemples de capteur de température :
- SI7021 : Capteur de température et d’humidité avec interface numérique
Les capteurs d’humidité
Il existe deux types de capteur d’humidité.
Les capteurs d’humidité d’air ambiant mesurent l’humidité dans l’air. Ils intègrent un condensateur dont la valeur se modifie en fonction de l’humidité ambiante.
Les capteurs d’humidité d’un matériau comme la terre comportent deux électrodes plongées dans le matériau et traversées par un courant électrique. L’intensité du courant est proportionnelle à l’humidité du matériau. En général plus le matériau est humide, plus il est conducteur et donc plus le courant est important.
Voici deux exemples de capteur d’humidité :
- SI7021 : Capteur d’humidité d’air ambiant
- NTC3950 : Capteur d’humidité de sol
Les détecteurs de mouvement humain
Les capteurs pyroélectrique (PIR) détectent le mouvement d’un corps chaud comme un humain ou un animal.
Un capteur infrarouge reçoit une quantité de rayonnement infrarouge à travers une lentille. Si l’élément, source de rayonnement infrarouge (un corps humain par exemple), se déplace, le capteur détecte une variation de rayonnement reçu et donc un mouvement.
Un capteur PIR est en réalité un capteur de luminosité dans la bande infrarouge associé à une lentille. Il est généralement disponible sur une carte électronique configurable réalisant des filtres et temporisation sur la détection et fournissant un signal numérique (1 si détection, 0 sinon).
Voici un exemple de capteur PIR :
- Capteur PIR
Les capteurs de proximité
Un capteur de proximité mesure la distance entre lui-même et un autre objet.
Plusieurs techniques sont disponibles :
- Sons : une impulsion sonore est générées par le capteur en direction de l’objet. Le son est ensuite réfléchi sur l’objet et revient sur le capteur. Le capteur mesure ensuite le temps entre l’émission du signal et sa réception. En connaissant la vitesse du son, il en déduit la distance.
- Lumière Infrarouge : une source lumineuse peut également être utilisée de la même manière qu’une source sonore. Il s’agit ici d’émettre une impulsion de lumière infrarouge (non visible) et de recevoir ensuite cette même impulsion réfléchie par un objet. La vitesse de la lumière est prise en compte pour en déduire la distance.
Voici deux exemples de capteurs de proximité :
- HC-SR04 : Capteur par impulsions sonores
- VCNL4010 : Capteur par impulsions infrarouges
Les capteurs de son
les capteurs de sons convertissent les ondes sonores en signaux électriques. Un capteur comporte une membrane qui bouge en fonction des ondes sonores qu’il reçoit. Le mouvement de la membrane entraîne ensuite la création d’un signal électrique dont les caractéristiques sont liées à celles du son.
Les microphones sont les capteurs les plus courants. Cependant, des capteurs miniaturisés MEMS permettent une intégration dans des systèmes de taille très réduite.
Voici un exemple de capteur de son :
- SPW2430 : Microphone miniature
Les capteurs de qualité d’air
Certain capteurs sont capables de détecter la présence de gaz et de particules dans l’air ambiant et d’en déterminer un indice de qualité de l’air.
Ces composants intègrent également des capteurs de température, humidité, pression.
Voici un exemple de capteur de qualité de l’air :
- BME680
Voici également un article dédié à l’utilisation de ce composant ici.
Les capteurs de pression d’air
Les capteurs de pression mesurent soit la pression absolue soit une pression relative d’un environnent à un autre.
Il existe des capteurs de pression atmosphériques qui intègrent le plus souvent des capteurs de température et d’humidité. Ces capteurs sont généralement de petits composants qui mesurent leur environnement direct.
D’autres capteurs sont reliés à des tuyaux d’air et sont généralement utilisés pour mesurer la pression à l’intérieur d’une enceinte fermée par exemple.
Voici deux exemples de capteur de pression d’air :
- BME280 : capteur de pression et d’humidité ambiant
- MXP5100 capteur de pression pour enceinte fermée
Les capteurs de force
Un capteur de force est une résistance dont la valeur varie en fonction de la force (pression) qu’elle subit.
Les appareils de pesée les utilisent.
Voici un exemple de capteur de force :
Les capteurs de flexion
Les capteurs de flexion sont des résistances souples dont la valeur varie en fonction de leur flexion. Par exemple, ils peuvent être utilisés dans des textiles intelligents afin de mesurer la position d’une personne (courbure du dos, des membres …)
Voici un exemple de capteur de flexion :
Les capteurs d’image
Les cameras captent les images grâce un système optique composé d’une ou plusieurs lentilles et d’un capteur CCD composé de plusieurs cellules électroniques convertissant les rayons lumineux reçus en signaux électriques. Chaque cellule représente un point (ou pixel) de l’image et l’ensemble des points forment une image.
Voici un exemple de capteur d’image :
- OV7610
Les capteurs utilisant des systèmes mécaniques
Certain capteur utilise des systèmes mécaniques couplés à des systèmes électroniques pour mesurer un élément physique.
L’anémomètre à coupelles mesure la vitesse du vent. Des coupelles tournent autour d’un axe à une vitesse dépendant de la vitesse du vent. Un système électronique mesure la vitesse de rotation par une roue codeuse par exemple et en détermine la vitesse. La roue codeuse envoie un nombre d’impulsions donné à chaque tour réalisé. La fréquence des impulsions générées détermine la vitesse de rotation et donc celle du vent.
Les compteurs d’eau fonctionnent sur le même principe en détectant le débit d’eau passant à travers une turbine. La vitesse de la turbine est mesurée via une roue codeuse.
Le principe de la roue codeuse n’est qu’un exemple. D’autres moyens sont possibles pour mesurer les vitesses de rotation d’éléments mécaniques.
Les capteurs de valeurs électriques
Je présente ici rapidement les principes de mesure des grandeurs électriques.
Les signaux électriques sont généralement traités par des microcontrôleurs fonctionnant dans le monde numérique.
Les valeurs de tensions analogiques sont captées par des convertisseurs Analogique / Numérique (CAN) qui sont généralement directement intégrés dans les microcontrôleurs modernes.
Les valeurs de courant ne peuvent pas être échantillonnés par des CAN qui ne comprennent que des valeurs de tensions. Le courant est donc transformé en tension par plusieurs techniques possibles avant l’échantillonnage par un CAN.
Les mesures de résistance se font en injectant un courant donné à travers une résistance. Ensuite la tension est mesurée et en est déduite la résistance par l’application de la loi d’ohm : U=RI ou plutôt R=U/I.
La mesure de la capacité d’un condensateur ou de l’inductance d’une bobine se font en injectant une signal sinusoïdal à travers un réseau de composants Résistance, Condensateur, Bobine. La mesure de l’amplitude et du déphasage des signaux à différents endroit du circuit permet de calculer la valeur de la capacité ou de l’induction d’une condensateur ou d’une bobine.
Conclusion
La liste des capteurs présentés dans cet article n’est pas exhaustif. De plus, pour chaque capteur, il existe un grand nombre de composants disponibles dont les caractéristiques sont adaptées à telle ou telle application. En faire la liste exhaustive n’est pas possible tellement les possibilités sont grandes.
Si vous souhaitez de l’aide pour choisir un capteur adaptée à votre utilisation, contactez moi ici.