Les capteurs

Percevoir le monde physique

Un système automatique, qu’il s’agisse d’une ligne de production, d’une voiture, d’un objet connecté ou d’une console de jeu, doit connaître son environnement pour réagir : une température, une position, une distance, un appui. C’est le rôle des capteurs.

À la fin de ce concept, tu sauras :

définir un capteur et ses principales caractéristiques ;
décrire une chaîne de mesure, du phénomène physique au nombre traité par un programme ;
distinguer les types de signaux et les familles de capteurs (actifs, passifs) ;
lire un capteur avec un microcontrôleur, selon le type de signal qu’il délivre.

Qu’est-ce qu’un capteur ?

Un capteur transforme une grandeur physique (la grandeur d’entrée, ou mesurande) en une autre grandeur (la grandeur de sortie), qui la représente et peut être exploitée pour mesurer ou commander. Le plus souvent, la sortie est électrique : une tension, un courant, une résistance, ou directement une valeur numérique.

flowchart LR
  E(["Grandeur d'entrée\n(température, position...)"]) --> C(["Capteur"]) --> S(["Grandeur de sortie\n(tension, résistance...)"])
  A(["Énergie"]) -.-> C

Quelques capteurs que tu as déjà croisés :

le joystick d’une manette : deux potentiomètres, dont la résistance dépend de la position du stick ;
la photorésistance d’un éclairage automatique : sa résistance baisse quand la lumière augmente ;
l’accéléromètre d’un téléphone : il détecte l’orientation de l’écran ;
le bouton : le plus simple des capteurs, qui ne connaît que deux états.

La sortie n’est pas toujours électrique : un manomètre à aiguille ou un capteur pneumatique produisent un déplacement ou une pression. Mais pour être lue par un microcontrôleur, l’information doit finir sous forme électrique.

Les caractéristiques d’un capteur

La fiche technique (datasheet) d’un capteur donne ses caractéristiques. Les plus importantes :

Caractéristique	Définition	Exemple
Étendue de mesure	Les valeurs extrêmes que le capteur sait mesurer	-55 °C à 150 °C
Sensibilité	La variation de la sortie pour une variation de l’entrée	10 mV par °C pour le capteur de température LM35
Résolution	La plus petite variation de l’entrée que le capteur sait distinguer	0,1 °C
Précision	L’aptitude à donner une mesure proche de la valeur vraie	± 0,5 °C
Temps de réponse	Le temps que met la sortie à suivre un changement de l’entrée	1 s pour atteindre la nouvelle valeur

Avec la sensibilité, on passe de la sortie à la grandeur mesurée. Pour le LM35, une tension de 250 mV correspond à :

$$ T = \frac{250\ \text{mV}}{10\ \text{mV/°C}} = 25\ \text{°C} $$

Une mesure n’est jamais exacte : elle s’accompagne toujours d’une incertitude. On écrit par exemple $T = 25 \pm 0{,}5$ °C. Les notions de précision, de justesse, d’incertitude et les erreurs de mesure courantes sont détaillées dans le concept Précision, justesse et bonnes pratiques de mesure.

La chaîne de mesure

Entre le phénomène physique et le nombre qu’affiche ou qu’utilise un programme, l’information traverse plusieurs étages :

flowchart LR
  subgraph Analogique
    G(["Grandeur\nphysique"]) --> C(["Capteur"]) --> M(["Mise en forme\ndu signal"])
  end
  M --> N(["Numérisation\n(CAN)"])
  subgraph Numérique
    N --> T(["Traitement"]) --> A(["Affichage,\ncommande"])
  end

Le capteur convertit la grandeur physique en signal électrique.
La mise en forme (ou conditionnement) adapte ce signal : amplification d’un signal trop faible, filtrage des perturbations, conversion d’une résistance en tension.
La numérisation, par un convertisseur analogique-numérique (CAN, ou ADC en anglais), mesure la tension à intervalles réguliers et la transforme en nombre.
Le traitement, par un microcontrôleur ou un ordinateur, exploite ces nombres : calcul, enregistrement, affichage, décision.

De plus en plus de capteurs intègrent les trois premiers étages dans un seul boîtier : le capteur de température DS18B20 ou le capteur de température, d’humidité et de pression BME280 délivrent directement une valeur numérique, que le microcontrôleur lit sur un bus de communication : le DS18B20 en 1-Wire, le BME280 en I2C ou en SPI.

Les types de signaux

Un capteur peut délivrer deux grandes familles de signaux.

Un signal analogique peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle. On s’intéresse selon les cas :

à sa valeur à un instant donné, pour un signal qui varie lentement : une température, un niveau ;
à sa forme dans le temps : un battement cardiaque, un choc ;
à son contenu en fréquences : la voix, un sonar.

Un signal numérique ne prend qu’un nombre fini de valeurs :

tout ou rien (TOR) : deux états seulement, comme un bouton ou un interrupteur de fin de course ;
train d’impulsions : chaque impulsion signale un événement, comme un codeur de roue qui envoie un nombre connu d’impulsions par tour ;
valeur numérique : un nombre transmis sur un bus (I2C, SPI, 1-Wire…), image d’une grandeur analogique numérisée par le capteur lui-même.

Capteurs actifs et capteurs passifs

Selon le phénomène physique utilisé, on distingue deux familles.

Les capteurs actifs

Un capteur actif fonctionne comme un générateur : il convertit directement l’énergie de la grandeur mesurée (chaleur, mouvement, lumière) en énergie électrique, sans alimentation extérieure pour la mesure elle-même.

Effet physique	Principe	Grandeur mesurée	Sortie
Thermoélectrique	Deux métaux différents soudés, dont les jonctions sont à des températures différentes, produisent une tension	Température (thermocouple)	Tension
Piézoélectrique	Certains cristaux (le quartz) se chargent électriquement quand on les déforme	Force, pression, accélération	Charge électrique
Induction	Un aimant qui bouge près d’une bobine y induit une tension	Vitesse	Tension
Photovoltaïque	La lumière qui frappe une jonction de semi-conducteurs produit une tension	Éclairement	Tension
Photoémission	La lumière arrache des électrons à un matériau	Éclairement	Courant

Les capteurs passifs

Un capteur passif est un composant dont une caractéristique électrique (résistance, capacité, inductance) varie avec la grandeur mesurée. Il ne produit rien par lui-même : il faut l’alimenter pour mesurer cette variation.

Grandeur mesurée	Caractéristique qui varie	Exemple de capteur
Position	Résistance	Potentiomètre (le joystick)
Température	Résistance	Thermistance, sonde platine Pt100
Lumière	Résistance	Photorésistance (LDR)
Déformation, force	Résistance	Jauge de contrainte
Distance, humidité	Capacité	Capteur capacitif
Position d’une pièce métallique	Inductance	Capteur inductif

Certains capteurs ne rentrent pas dans ces deux cases. Le capteur à effet Hall, par exemple, mesure un champ magnétique (la position d’un aimant, un courant) : il a besoin d’une alimentation, mais délivre directement une tension.

Lire un capteur avec un microcontrôleur

La façon de lire un capteur dépend du signal qu’il délivre :

Signal du capteur	Exemple	Lecture par le microcontrôleur
Tout ou rien	Bouton, fin de course	Une entrée numérique : `digitalRead()`
Tension analogique	Joystick, LM35	Le convertisseur analogique-numérique : `analogRead()`
Résistance variable	Photorésistance, thermistance	Un pont diviseur, puis `analogRead()`
Impulsions	Codeur de roue	Compter les fronts, par interruption
Valeur numérique	DS18B20 (1-Wire), BME280 (I2C)	Un bus de communication, via une bibliothèque

Un capteur résistif ne délivre pas de tension : on le place dans un pont diviseur : le capteur (de résistance $R_c$) entre le 3,3 V et l’entrée analogique, une résistance fixe $R$ entre cette entrée et GND. La tension sur l’entrée dépend alors de $R_c$ :

$$ V_{mesure} = 3{,}3\ \text{V} \times \frac{R}{R + R_c} $$

Quand la lumière augmente, la résistance d’une photorésistance baisse, et $V_{mesure}$ monte : l’ADC la convertit en un nombre entre 0 et 4095. Les lectures analogiques sont détaillées dans le concept ADC & PWM, et les bus numériques dans Les bus de communication.

Vérifier la tension de sortie

Une entrée de microcontrôleur supporte une plage de tension précise : 0 à 3,3 V sur un ESP32. Avant de brancher un capteur, vérifie sur sa datasheet la tension qu’il délivre : un capteur alimenté en 5 V peut détruire l’entrée.

Quiz express

1. Un capteur de température délivre 10 mV par °C. Il sort 320 mV. Quelle est la température ?

Voir la réponse

320 / 10 = 32 °C.

2. Une photorésistance est-elle un capteur actif ou passif ?

Voir la réponse

Passif : sa résistance varie avec la lumière, mais elle ne produit aucune tension. Il faut l'alimenter, par exemple dans un pont diviseur.

3. Comment un microcontrôleur lit-il un capteur qui délivre directement une valeur numérique ?

Voir la réponse

Par un bus de communication (I2C, SPI, 1-Wire...), en général avec une bibliothèque fournie pour ce capteur.

Résumé

Un capteur transforme une grandeur physique en une grandeur exploitable, le plus souvent électrique.
Ses caractéristiques (étendue de mesure, sensibilité, résolution, précision, temps de réponse) se lisent sur sa datasheet.
Une chaîne de mesure enchaîne capteur, mise en forme, numérisation et traitement ; beaucoup de capteurs modernes intègrent tout et délivrent une valeur numérique.
Un signal est analogique (infinité de valeurs) ou numérique (tout ou rien, impulsions, valeur sur un bus).
Un capteur actif produit lui-même son signal ; un capteur passif voit une caractéristique varier, et doit être alimenté.
Un microcontrôleur lit un capteur avec digitalRead(), analogRead() (avec un pont diviseur pour un capteur résistif), des interruptions, ou un bus.

Pour aller plus loin

Précision, justesse et bonnes pratiques de mesure : erreurs, incertitudes et bons gestes de mesure.
ADC & PWM : convertir une tension en nombre avec un microcontrôleur.
Les bus de communication : lire un capteur numérique en I2C, en SPI ou en 1-Wire, et choisir son adresse I2C.
Acquisition d’une grandeur physique, cours de Christian Bissières, qui a servi de point de départ à cette page.