Types de transducteur

Transducteurs : Définition, Fonctions et Classification

Un transducteur est un dispositif électronique qui joue un rôle crucial dans la conversion de quantités physiques en signaux électriques. Il sert deux fonctions fondamentales : la détection et la transduction. D'abord, il détecte la quantité physique d'intérêt, telle que la température, la pression ou le déplacement. Ensuite, il transforme cette quantité physique en travail mécanique ou, plus couramment, en un signal électrique qui peut être facilement mesuré, traité et analysé.

Les transducteurs existent sous une grande variété de types et peuvent être classés selon plusieurs critères distincts :

• Selon le Mécanisme de Transduction Utilisé : Cette classification se concentre sur les processus physiques ou chimiques spécifiques par lesquels le transducteur convertit la quantité physique d'entrée en une sortie électrique. Différents mécanismes de transduction sont adaptés à différents types de mesures et d'applications, permettant une détection précise et fiable d'un large éventail de phénomènes physiques.

• Comme Transducteurs Primaire et Secondaire : Un transducteur primaire convertit directement la quantité physique mesurée en un signal électrique. En revanche, un transducteur secondaire fonctionne en conjonction avec un transducteur primaire, modifiant ou traitant davantage le signal électrique généré par le dispositif primaire pour améliorer sa facilité d'utilisation ou sa précision.

• Comme Transducteurs Passifs et Actifs : Les transducteurs passifs dépendent d'une source d'alimentation externe pour fonctionner et produisent un signal de sortie qui est une fonction de la quantité physique d'entrée et de l'alimentation appliquée. Les transducteurs actifs, en revanche, contiennent leur propre source d'alimentation et peuvent générer un signal de sortie sans besoin d'une alimentation externe, offrant souvent une sensibilité et une force de signal supérieures.

• Comme Transducteurs Analogiques et Numériques : Les transducteurs analogiques produisent un signal de sortie qui varie continuellement avec la quantité physique d'entrée, généralement sous forme de tension ou de courant. Les transducteurs numériques, en revanche, convertissent la quantité d'entrée en un signal numérique discret, qui est plus facile à traiter, stocker et transmettre à l'aide des systèmes électroniques et informatiques modernes.

• Comme Transducteurs et Transducteurs Inverses : Un transducteur standard convertit une quantité physique en un signal électrique. Un transducteur inverse, en revanche, prend un signal électrique en entrée et le convertit en une quantité physique, inversant effectivement le processus d'un transducteur traditionnel. Ce concept est utile dans les applications où un contrôle électrique est nécessaire pour générer une réponse physique spécifique.

En opération, un transducteur reçoit la grandeur mesurée — la quantité physique mesurée — et produit un signal de sortie proportionnel à l'amplitude de l'entrée. Ce signal de sortie est ensuite transmis à un dispositif de conditionnement de signal. Ici, le signal subit une série de processus, y compris l'atténuation (ajustement de l'amplitude du signal), le filtrage (élimination des bruits ou des fréquences indésirables) et la modulation (codage du signal pour une meilleure transmission ou traitement). Ces étapes assurent que le signal final soit sous une forme optimale pour les analyses, affichages ou opérations de contrôle subséquentes.

La quantité d'entrée d'un transducteur est généralement une quantité non électrique, tandis que le signal de sortie électrique peut être sous forme de courant, de tension ou de fréquence.

1. Classification selon le Principe de Transduction

Les transducteurs peuvent être classés selon le milieu de transduction qu'ils utilisent. Le milieu de transduction peut être résistif, inductif ou capacitif. Cette classification est déterminée par le processus de conversion par lequel le transducteur d'entrée transforme le signal d'entrée en résistance, inductance ou capacité respectivement. Chaque type de milieu de transduction a ses propres caractéristiques uniques et est adapté à différentes applications de mesure, permettant la conversion précise de diverses quantités physiques en signaux électriques.

2. Transducteurs Primaire et Secondaire

• Transducteur Primaire
  Un transducteur comprend souvent des composants mécaniques et électriques. La partie mécanique du transducteur est responsable de la conversion des quantités physiques d'entrée en un signal mécanique. Ce composant mécanique est appelé transducteur primaire. Il agit comme l'élément de détection initial, interagissant directement avec la quantité physique mesurée, telle que la pression, la température ou le déplacement, et la convertit en une forme mécanique qui peut être traitée ultérieurement.

• Transducteur Secondaire
  Le transducteur secondaire prend le signal mécanique généré par le transducteur primaire et le convertit en un signal électrique. L'amplitude du signal électrique de sortie est directement liée aux caractéristiques du signal mécanique d'entrée. De cette manière, le transducteur secondaire fait le pont entre les domaines mécanique et électrique, rendant possible la mesure et l'analyse de la quantité physique originale à l'aide de techniques de mesure et de traitement électriques.

Exemple de Transducteurs Primaire et Secondaire

Prenons le tube de Bourdon, illustré dans la figure ci-dessous, comme exemple. Le tube de Bourdon fonctionne comme un transducteur primaire. Il est conçu pour détecter la pression et la convertir en un déplacement à son extrémité libre. Lorsqu'une pression est appliquée au tube, sa forme se déforme, provoquant le déplacement de l'extrémité libre. Ce déplacement agit alors comme l'entrée pour la prochaine étape du système.

Le déplacement de l'extrémité libre du tube de Bourdon entraîne le déplacement du noyau d'un Transformateur à Déplacement Linéaire Variable (LVDT). À mesure que le noyau se déplace à l'intérieur du LVDT, il induit une tension de sortie. Cette tension induite est directement proportionnelle au déplacement de l'extrémité libre du tube, et par conséquent, à la pression initiale appliquée au tube de Bourdon.

Dans le cas du système tube de Bourdon - LVDT, deux processus de transduction distincts se produisent. Premièrement, la transduction primaire a lieu lorsque le tube de Bourdon convertit la pression en déplacement. Ensuite, la transduction secondaire se produit lorsque le LVDT convertit ce déplacement en un signal de tension électrique. Cet exemple montre clairement comment les transducteurs primaire et secondaire travaillent ensemble pour mesurer et convertir précisément une quantité physique en un signal de sortie électrique pour une analyse et une utilisation ultérieures.

Le tube de Bourdon sert de transducteur primaire, tandis que le T.D.L.V. (Transformateur à Déplacement Linéaire Variable) fonctionne comme transducteur secondaire.

3. Transducteurs Passifs et Actifs

Les transducteurs peuvent également être classés en types actifs et passifs, chacun ayant des caractéristiques opérationnelles distinctes.

Transducteurs Passifs

Un transducteur passif est celui qui dépend d'une alimentation externe pour fonctionner, c'est pourquoi on l'appelle aussi un transducteur alimenté externement. Les transducteurs capacitifs, résistifs et inductifs sont des exemples typiques de transducteurs passifs. Ces transducteurs fonctionnent en modifiant une propriété électrique (telle que la résistance, la capacité ou l'inductance) en réponse à la quantité physique d'entrée. Cependant, ils ne génèrent pas leur propre énergie électrique ; au lieu de cela, ils nécessitent une source d'alimentation externe pour produire un signal de sortie mesurable qui reflète le changement de la quantité physique mesurée.

Transducteurs Actifs

En revanche, un transducteur actif n'a pas besoin d'une source d'alimentation externe pour fonctionner. Ces transducteurs sont auto-générateurs, c'est-à-dire qu'ils peuvent produire leur propre tension ou courant de sortie. Le signal de sortie d'un transducteur actif est directement dérivé de la quantité physique d'entrée. Les transducteurs actifs sont capables de convertir divers phénomènes physiques, tels que la vitesse, la température, la force et l'intensité lumineuse, en signaux électriques sans dépendre d'une alimentation externe. Parmi les exemples de transducteurs actifs, on trouve les cristaux piézoélectriques, les cellules photovoltaïques, les tachogénérateurs et les thermocouples.

Exemple : Cristal Piézoélectrique

Pour illustrer le fonctionnement d'un transducteur actif, considérons un cristal piézoélectrique. Un cristal piézoélectrique est généralement placé entre deux électrodes métalliques, et l'ensemble est solidement fixé à une base. Une masse est ensuite placée sur cette structure empilée.

Les cristaux piézoélectriques possèdent une propriété unique : lorsqu'une force est appliquée, ils génèrent une tension électrique. Dans la configuration décrite, la base peut subir une accélération, ce qui fait que la masse exerce une force sur le cristal. Cette force induit une tension de sortie à travers le cristal. L'amplitude de cette tension de sortie est directement proportionnelle à l'accélération subie par la base, convertissant ainsi l'accélération mécanique en un signal électrique. Cet exemple montre clairement comment les transducteurs actifs peuvent générer des sorties électriques basées sur des entrées physiques, soulignant leur fonctionnalité distincte par rapport aux transducteurs passifs.

Le transducteur mentionné ci-dessus est connu sous le nom d'accéléromètre, qui est conçu pour convertir l'accélération en une tension électrique. Notamment, ce type de transducteur fonctionne sans besoin de source d'alimentation auxiliaire lors de la conversion de la quantité physique en un signal électrique, mettant en évidence sa nature autonome en matière de génération de signal.

4. Transducteurs Analogiques et Numériques

Les transducteurs peuvent également être classés en fonction de la nature de leurs signaux de sortie, qui peuvent être soit continus, soit discrets.

Transducteurs Analogiques

Un transducteur analogique transforme la quantité d'entrée en une fonction continue. Cela signifie que le signal de sortie varie de manière fluide et continue en réponse aux changements de l'entrée. Parmi les exemples de transducteurs analogiques, on trouve les jauges de contrainte, les Transformateurs à Déplacement Linéaire Variable (LVDT), les thermocouples et les thermistances. Ces dispositifs sont largement utilisés dans diverses applications où une représentation proportionnelle et continue de la quantité physique mesurée est requise, telles que dans les systèmes de mesure de précision et le contrôle de processus industriels.

Transducteurs Numériques

Les transducteurs numériques, en revanche, convertissent la quantité d'entrée en un signal numérique, généralement sous forme de pulses. Les signaux numériques fonctionnent sur des états binaires, représentant l'information sous forme de niveaux de puissance "haut" ou "bas". Ce format de sortie numérique offre plusieurs avantages, notamment une meilleure immunité aux interférences, une intégration plus facile avec les systèmes électroniques et informatiques numériques, et un traitement et un stockage de données plus simples. Les transducteurs numériques sont de plus en plus adoptés dans les systèmes modernes de mesure et de contrôle en raison de la prévalence des technologies numériques.

5. Transducteurs et Transducteurs Inverses

Transducteurs

Un transducteur est défini comme un dispositif qui convertit des quantités non électriques en quantités électriques. Ce processus de conversion permet la mesure, la surveillance et le contrôle de divers phénomènes physiques, tels que la température, la pression, le déplacement et la force, à l'aide de techniques de mesure et de traitement électriques. Les transducteurs jouent un rôle crucial dans une large gamme d'applications, allant de l'automatisation industrielle à la recherche scientifique et les électroniques grand public.

Transducteurs Inverses

Les transducteurs inverses remplissent la fonction opposée des transducteurs traditionnels. Ils convertissent les quantités électriques en quantités physiques. Ces transducteurs ont généralement une entrée électrique élevée et une sortie non électrique correspondante faible. Les transducteurs inverses sont utilisés dans les applications où les signaux électriques doivent être traduits en actions ou réponses physiques, tels que certains types d'actionneurs et de systèmes de contrôle. Le concept de transducteurs inverses fournit un moyen de boucler la boucle entre le contrôle électrique et l'opération physique, facilitant un contrôle plus complexe et précis des systèmes mécaniques et physiques.