Capteurs et chaînes d'information

Capteurs et chaînes d'information

1. Rôle d'un capteur

Un capteur convertit une grandeur physique (température, pression, distance, lumière, effort, position…) en un signal électrique exploitable par un système numérique. Il constitue la première brique de la chaîne d'information :

Grandeur physique → Capteur → Conditionnement → Conversion analogique/numérique → Traitement → Communication → Affichage/Action.

2. Grandeurs caractéristiques

• Étendue de mesure (EM) : intervalle admissible (ex. 0–100 °C).
• Sensibilité $s = \Delta S/\Delta E$ (pente de la courbe de réponse).
• Résolution : plus petite variation détectable.
• Précision (incertitude) : écart max entre valeur mesurée et vraie valeur, exprimée en % de l'EM.
• Linéarité : écart à la droite idéale.
• Temps de réponse : durée pour atteindre 90 % de la valeur finale (souvent noté $t_{90}$).
• Bande passante : plage de fréquences utiles.

Un capteur est actif s'il génère lui-même une énergie (thermocouple, photopile) ou passif s'il modifie un paramètre (résistance, capacité) qu'il faut alimenter (thermistance, jauge de contrainte).

3. Exemples STI2D

Capteur	Grandeur	Sortie typique
Thermistance CTN	Température	Résistance variable
Thermocouple K	Température	Tension ~40 µV/°C
Jauge de contrainte	Déformation/force	ΔR/R ~10⁻³
Photorésistance LDR	Éclairement	Résistance décroît avec lux
Capteur à effet Hall	Champ magnétique	Tension proportionnelle à B
Ultrasons HC-SR04	Distance	Durée d'écho (~29 µs/cm)
Accéléromètre MEMS	Accélération 3D	I2C / SPI numérique

4. Conditionnement du signal

Le signal brut est souvent inutilisable : faible, bruité, non linéaire. On le conditionne :

• Pont de Wheatstone : convertit une petite variation $\Delta R$ en tension exploitable. Utilisé avec jauges et thermistances.
• Amplificateur opérationnel : amplification (gain $G$), filtrage (RC, active), mise à niveau (offset).
• Filtre passe-bas : élimine le bruit haute fréquence ; fréquence de coupure $f_c=1/(2\pi RC)$.
• Isolation galvanique : opto-coupleur, éléments piézoélectriques.

5. Chaîne de conversion analogique/numérique (CAN)

Un CAN convertit une tension continue en un mot binaire sur $n$ bits :

• Quantum : $q = U_{ref}/2^n$. Pour $U_{ref}=5$ V et $n=10$ (Arduino UNO) : $q\approx 4{,}88$ mV.
• Théorème de Shannon : la fréquence d'échantillonnage $f_e$ doit vérifier $f_e \ge 2 f_{max}$ pour éviter le repliement (aliasing).
• Résolution effective : dépend du bruit ; on gagne rarement plus de 8–9 bits utiles sur un CAN 10 bits sans précaution.

Exemple. LM35 délivre 10 mV/°C. Sur Arduino (5 V/1024), 1 quantum = 0,49 °C — suffisant pour un thermostat domestique, insuffisant pour un régulateur médical.

6. Transmission de l'information

• Bus filaires : I²C (jusqu'à 400 kbit/s), SPI (Mbit/s), UART (RS-232, RS-485).
• Sans-fil : Bluetooth 5.2 (~2 Mbit/s), Wi-Fi 6, Zigbee 250 kbit/s, LoRa < 50 kbit/s / km, NB-IoT.
• Protocoles industriels : Modbus, CANopen, Profinet.

Choix guidé par : débit, portée, consommation, coût, robustesse EM (normes CEM CISPR 32).

7. Application STI2D : station météo connectée

Chaîne complète :

1. Capteurs BME280 (T, humidité, pression), anémomètre, LDR.
2. Conditionnement : intégré (I²C) ou pont pour l'anémomètre.
3. Microcontrôleur ESP32 : acquisition, filtrage moyenne mobile, agrégation.
4. Transmission LoRaWAN vers passerelle.
5. Traitement serveur : stockage InfluxDB, visualisation Grafana.
6. Restitution : dashboard web + alertes SMS.

Contraintes : autonomie (panneau solaire + LiFePO4), IP65, précision T ± 0,5 °C, période 1 min → volume de données 1,4 Mo/jour.

À retenir

• Capteur = transducteur ; caractérisé par étendue, sensibilité, précision, temps de réponse.
• Conditionner avant convertir : pont, ampli, filtre.
• Shannon : $f_e \ge 2 f_{max}$.
• Choisir le protocole selon débit / portée / consommation.