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Georges Asch Bernard Poussery LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION INDUSTRIELLE Préf

Georges Asch Bernard Poussery LES CAPTEURS EN INSTRUMENTATION INDUSTRIELLE Préface de Marc Desjardins, ancien président du comité « Capteurs » au ministère de la Recherche et de l’Industrie 8e édition Collaborateurs Pierre DESGOUTTE, docteur ès sciences Pierre ANDRÉ, ingénieur Jacques BEAUFRONT, directeur d’études Georges CHARNAY, chercheur au CNRS Geneviève COMTE-BELLOT, professeur émérite Bernard CRÉTINON, responsable de laboratoire Jacques FOULETIER, professeur des universités Nicole JAFFREZIC, chercheur au CNRS Claude JOUVENOT, ingénieur Stéphane LAUDREL, ingénieur Pierre LIVROZET, ingénieur Jean-Louis MARTY, professeur des universités Alain MAZERAN, ingénieur Jacques MÉRIGOUX, ingénieur Patrick PAIROT DE FONTENAY, ingénieur Alain PIQUET, docteur ès sciences Jean-Claude PRIGENT, ingénieur Jean-Paul SCHON, professeur des universités Michel SUNYACH, professeur des universités Jacques TACUSSEL, ingénieur Uri ZELBSTEIN, ingénieur Photo de couverture : © curraheeshutter – istockphoto.com © Dunod, 1983, 2006, 2010, 2017 11 rue Paul Bert, 92240 Malakoﬀ www.dunod.com ISBN 978-2-10-076020-6 PRÉFACE Ce monde est pénétré des applications de la mesure ; toute connaissance, non mesurable, est frappée d’un ju- gement de dépréciation. Le nom de « science » se refuse de plus en plus à tout savoir intraduisible en chiffre. Paul Valéry Paul Valéry ne savait probablement pas combien son afﬁrmation serait, en 1982, d’actualité. Notre monde est, et sera, en effet de plus en plus pénétré des applications de la mesure. À l’évidence, nous savons que seule la mesure permet de conduire le progrès scien- tiﬁque et d’accroître la connaissance de ce qui nous entoure ; les limites ne sont pas atteintes et ne le seront jamais. Il nous apparaît, à ce jour, que la mesure joue un rôle de plus en plus fondamental dans le développement des activités industrielles avec la sophistication des automatismes, la robotique, le contrôle de la qualité, les économies d’énergie, la lutte contre la pollution, etc. De plus, la mesure, au travers de l’automatisme, trouve maintenant des applications nombreuses dans la concep- tion et la réalisation des biens de consommation, l’électroménager, l’automobile, les jouets, etc. La mesure devient un facteur essentiel de l’économie ; elle doit être traitée avec une attention particulière et soutenue. Et rien ne se fera sans le « capteur » qui se trouve à la base de l’édiﬁce « Mesure ». Lui seul permet de prolonger et d’afﬁner les sens de l’homme. La parution d’un ouvrage technique, traitant des « capteurs » en général, est donc un événement important qu’il convient de souligner. De nombreux livres français et étrangers ont déjà traité, directement ou indirectement, de ce sujet, mais le rythme des évolutions technologiques est tel qu’il s’avérait nécessaire de compléter et de ras- sembler les connaissances actuelles du domaine. En 1982, un tel ouvrage manquait dans la bibliothèque des enseignants, des étudiants, des ingénieurs et techniciens concernés par la mesure. Les auteurs ont brillamment réussi dans une entreprise particulièrement difﬁcile, car ce domaine spéciﬁque de l’instrumentation est d’un abord délicat. La conception d’un capteur fait appel à toutes les ressources offertes par des disciplines scienti- ﬁques et techniques aussi variées que la mécanique, l’électromécanique, la micro- électronique, l’optique, la micro-informatique, la chimie, la physico-chimie et tout récemment la biologie. © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. V Il était indispensable, pour rédiger ce livre, de posséder un savoir scientiﬁque étendu et du talent pour rassembler, trier et ﬁnalement présenter clairement les informa- tions recueillies. Le livre traite d’une façon approfondie des nécessaires déﬁnitions du capteur, de ses caractéristiques métrologiques, des électroniques associées et pour l’essentiel pré- sente un panorama complet de tous les types existants. Pour chaque principe per- mettant la transformation de la grandeur à mesurer en un signal exploitable par l’homme, nous trouvons, d’une part, un rappel théorique expliquant le fonction- nement, sans abuser de l’habillage mathématique, et, d’autre part, des informations originales sur les technologies utilisées et leurs limites de performances. Le profes- seur Asch et ses collaborateurs ont eu le souci de rendre vivant et concret l’ouvrage en usant largement de l’illustration et de la présentation photographique de produits existants et commercialisés. Le présent traité est remarquable par son niveau d’actualité. Les dispositifs les plus récemment étudiés, et encore en cours d’expérimentation dans les laboratoires de recherche, ne manquent pas à l’appel. Le spécialiste de la mesure sera surpris de dé- couvrir, à la lecture, des nouveautés qui n’étaient pas encore parvenues à sa connais- sance. Nous ne saurions trop remercier le professeur Asch et ses collaborateurs de mettre à la disposition du corps enseignant et de la communauté scientiﬁque et technique une œuvre aussi complète et utile. Marc Desjardins Ancien président du Comité « Capteurs » au ministère de la Recherche et de l’Industrie VI TABLE DES MATIÈRES Préface V Avant-propos XIII 1 • Principes fondamentaux 1 par G. Asch, P. Desgoutte et B. Poussery 1.1 Déﬁnitions et caractéristiques générales 1 1.2 Capteurs actifs 3 1.3 Capteurs passifs 5 1.4 Corps d’épreuve. Capteurs composites 7 1.5 Grandeurs d’inﬂuence 9 1.6 La chaîne de mesure 10 1.7 Capteurs intégrés 12 1.8 Capteurs intelligents 15 1.9 Les signaux des capteurs d’instrumentation industrielle 15 2 • Caractéristiques métrologiques 23 2.1 Les erreurs de mesure 23 2.2 Étalonnage du capteur 28 2.3 Limites d’utilisation du capteur 32 2.4 Sensibilité 33 2.5 Rapidité – Temps de réponse 45 2.6 Discrétion ou ﬁnesse 52 3 • Conditionneurs des capteurs passifs 61 3.1 Caractéristiques générales des conditionneurs de capteurs passifs 61 3.2 Montage potentiométrique 65 3.3 Les ponts 77 3.4 Les oscillateurs 96 3.5 Forme et spectre de fréquence du signal à la sortie du conditionneur 99 4 • Conditionneurs du signal 111 4.1 Adaptation de la source du signal à la chaîne de mesure 111 4.2 Linéarisation 113 4.3 Ampliﬁcation du signal et réduction de la tension de mode commun 130 4.4 Détection de l’information 137 © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. VII 5 • Capteurs optiques 147 5.1 La lumière – Propriétés fondamentales 147 5.2 Photométrie 149 5.3 La lumière, support d’information 152 5.4 Sources lumineuses 153 5.5 Caractéristiques métrologiques propres aux capteurs optiques 154 5.6 Cellule photoconductrice 159 5.7 Photodiode 171 5.8 Photodiode à avalanche 185 5.9 Phototransistor 189 5.10 Capteurs photoémissifs 198 5.11 Détecteurs thermiques 218 5.12 Capteurs d’images 229 5.13 Fibres optiques 237 6 • Capteurs de température 247 6.1 Les échelles de température 248 6.2 Température mesurée et température à mesurer 252 6.3 Thermométrie par résistance 265 6.4 Thermométrie par thermocouple 294 6.5 Thermométrie par diodes et transistors 318 6.6 Thermométrie par le bruit de fond 326 6.7 Thermométrie par quartz 328 6.8 Mesure de température sur des corps en mouvement 335 6.9 Pyrométrie optique 337 7 • Capteurs de position et déplacement 355 7.1 Potentiomètre résistif 355 7.2 Capteurs inductifs 368 7.3 Capteurs capacitifs 393 7.4 Capteurs digitaux 403 7.5 Capteurs à propagation d’ondes élastiques 409 7.6 Capteurs de proximité 414 7.7 Capteurs optiques de position 430 8 • Capteurs de déformation 435 par G. Asch, P. Desgoutte et A. Mazeran 8.1 Déﬁnition des grandeurs mécaniques utiles 435 8.2 Principes généraux 436 8.3 Jauges résistives métalliques 438 8.4 Sensibilité transversale 440 8.5 Inﬂuence de la température sur la résistance d’une jauge ﬁxée 441 8.6 Jauges résistives semi-conductrices, ou piézorésistances 444 8.7 Fonctionnement dynamique des jauges 451 8.8 Rosettes 452 8.9 Méthodes de mesure 453 8.10 Extensomètre à corde vibrante 462 VIII 8.11 Extensomètres pour hautes températures 464 9 • Capteurs tachymétriques 469 par G. Asch et P. Desgoutte 9.1 Tachymètres électromagnétiques de vitesse angulaire 470 9.2 Tachymètres électromagnétiques de vitesse linéaire 479 9.3 Tachymètres de vitesse angulaire à impulsions 481 9.4 Gyromètres 484 10 •Capteurs de force, pesage, couple 489 par P. Desgoutte, P. Pairot et J.-C. Prigent 10.1 Capteurs piézoélectriques 490 10.2 Capteurs à magnétostriction 513 10.3 Capteurs à jauges d’extensométrie 518 10.4 Capteurs de force par mesure de déplacement 533 10.5 Capteurs de couple 535 10.6 Capteur tactile : peau artiﬁcielle 542 11 •Capteurs d’accélération, vibration, choc 545 par P. André, J. Beaufront, P. Desgoutte et C. Jouvenot 11.1 Considérations générales 545 11.2 Accéléromètres piézoélectriques et piézorésistifs : caractéristiques communes 552 11.3 Accéléromètres piézoélectriques 564 11.4 Accéléromètres piézorésistifs 572 11.5 Accéléromètres utilisant une mesure de déplacement 583 11.6 Accéléromètres asservis 588 12 •Capteurs de vitesse, débit, masse volumique, niveau de ﬂuides 595 par G. Asch, G. Charnay, J.-P. Schon, G. Comte-Bellot et B. Poussery 12.1 Notions élémentaires de mécanique des ﬂuides 595 12.2 Vitesse des ﬂuides : capteurs et méthodes de mesure 604 12.3 Débitmétrie 621 12.4 Mesure de masse volumique 654 12.5 Mesure et détection de niveau 658 13 •Pression 675 par U. Zelbstein et B. Poussery 13.1 Généralités 676 13.2 Principes de la mesure 677 13.3 Critères d’utilisation et caractéristiques métrologiques 682 13.4 Procédés de conversion 684 13.5 Organisation d’un capteur industriel 694 13.6 Étalonnage 707 © Dunod. La photocopie non autorisée est un délit. IX 14 •Capteurs de mesure du vide 711 par A. Piquet 14.1 Rappel sur les propriétés physiques des gaz 711 14.2 Différents domaines du vide – Types de jauges 715 14.3 Jauges à déformation 716 14.4 Jauges à ﬁl chaud 721 14.5 Jauges à ionisation 728 14.6 Appareils pour l’étalonnage des uploads/Ingenierie_Lourd/ capteurs-pdf.pdf