Les signaux et les capteurs

Un signal est un phénomène physique qui contient et transporte de l'information. C'est un moyen de communiquer des données d'un point à un autre, ou d'un système à un autre. Imaginez une conversation : votre voix est un signal sonore qui transporte les mots (l'information) à l'oreille de votre interlocuteur.

Pour qu'un signal existe, il lui faut un support de propagation. Ce support peut être très varié :

• L'air pour le son.
• Un câble électrique pour un signal électrique.
• La fibre optique pour un signal lumineux.
• L'espace vide pour les ondes radio (qui sont aussi des signaux électromagnétiques).

Un signal est toujours une variation d'une grandeur physique au cours du temps ou de l'espace. Par exemple, la tension électrique dans un circuit, la pression de l'air, l'intensité lumineuse.

Il existe principalement deux grandes catégories de signaux : les signaux analogiques et les signaux numériques.

Signaux analogiques

Un signal analogique est un signal dont l'amplitude (sa valeur) peut prendre une infinité de valeurs continues dans un intervalle donné. Il varie de manière continue, à l'image des phénomènes physiques qu'il représente.

• Exemples :
  • La tension d'une pile qui se décharge progressivement.
  • Le son de votre voix (sa hauteur et son intensité varient continuellement).
  • La lumière du soleil (son intensité varie doucement au cours de la journée).
  • La température d'une pièce.

Les signaux analogiques sont souvent une représentation fidèle du phénomène original, mais ils sont sensibles au bruit et peuvent perdre en qualité lors de leur transmission ou de leur copie.

Signaux numériques

Un signal numérique est un signal qui ne peut prendre qu'un nombre fini de valeurs discrètes. Ces valeurs sont généralement représentées par des chiffres (souvent 0 et 1, c'est le système binaire). Pour transformer un signal analogique en numérique, on utilise un processus appelé échantillonnage et quantification. On mesure la valeur du signal analogique à intervalles réguliers (échantillonnage) et on attribue à chaque mesure une valeur numérique proche (quantification).

• Exemples :
  • Les données stockées sur un CD ou un DVD.
  • Le signal Wi-Fi ou Bluetooth de votre téléphone.
  • Le signal vidéo d'une télévision numérique.
  • Le son d'un fichier MP3.

Les signaux numériques sont moins sensibles au bruit et peuvent être copiés ou transmis sans perte de qualité, ce qui explique leur omniprésence dans la technologie moderne.

Un signal périodique est un signal qui se reproduit identique à lui-même à intervalles de temps réguliers.

• Période (T) : C'est la durée la plus courte au bout de laquelle le motif du signal se répète. Elle s'exprime en secondes (s).
  • Plus la période est courte, plus le signal se répète rapidement.
• Fréquence (f) : C'est le nombre de fois que le motif du signal se répète par unité de temps. Elle est l'inverse de la période : $f = \frac{1}{T}$ La fréquence s'exprime en Hertz (Hz). Un Hertz correspond à une répétition par seconde.
  • Plus la fréquence est élevée, plus le signal est rapide.
• Amplitude (A) : C'est la valeur maximale que prend le signal par rapport à sa valeur d'équilibre (ou sa valeur moyenne). Elle représente "l'intensité" du signal. Son unité dépend de la grandeur physique mesurée (Volts pour une tension, Pascals pour une pression sonore, etc.).

Exemple : Un son grave a une basse fréquence (longue période), tandis qu'un son aigu a une haute fréquence (courte période). Un son fort a une grande amplitude, un son faible a une petite amplitude.

Les signaux sont souvent représentés graphiquement pour faciliter leur analyse. On utilise généralement un graphique où l'axe horizontal représente le temps ($t$) et l'axe vertical représente l'amplitude du signal.

• Oscillogramme : C'est le nom donné à la représentation graphique d'un signal, telle qu'affichée sur un oscilloscope. Un oscilloscope est un appareil de mesure électronique qui permet de visualiser les variations d'un signal électrique en fonction du temps.
• Échelle : Pour interpréter correctement un oscillogramme, il est crucial de connaître les échelles utilisées sur les axes :
  • Échelle horizontale (base de temps) : Elle indique combien de temps représente chaque division de l'axe des abscisses (par exemple, 2 ms/div).
  • Échelle verticale (sensibilité verticale) : Elle indique quelle valeur d'amplitude représente chaque division de l'axe des ordonnées (par exemple, 50 mV/div).
• Interprétation : En utilisant les échelles, on peut déterminer la période, l'amplitude et la forme du signal.
  • Pour la période $T$: comptez le nombre de divisions pour un motif complet, puis multipliez par l'échelle horizontale.
  • Pour l'amplitude $A$: comptez le nombre de divisions entre la valeur d'équilibre et le maximum, puis multipliez par l'échelle verticale.

La représentation graphique est essentielle pour visualiser et analyser les caractéristiques d'un signal, en particulier sa périodicité et son amplitude.

Le son est une vibration mécanique qui se propage dans un milieu matériel sous forme d'ondes.

• Source sonore : Tout objet qui vibre peut produire du son. Par exemple, les cordes d'une guitare, les membranes d'un haut-parleur, les cordes vocales. Ces vibrations créent des variations de pression dans le milieu environnant.
• Milieu de propagation : Le son a besoin d'un milieu matériel (solide, liquide ou gazeux) pour se propager. Il ne peut pas se propager dans le vide.
  • Dans l'air, le son se propage par des compressions et des dilatations des molécules d'air.
  • Plus le milieu est dense et rigide, plus la vitesse du son est généralement élevée.
• Vitesse du son : La vitesse du son ($v$) dépend du milieu et de sa température.
  • Dans l'air à 20°C, $v \approx 340 \text{ m/s}$.
  • Dans l'eau, $v \approx 1500 \text{ m/s}$.
  • Dans l'acier, $v \approx 5000 \text{ m/s}$.

La relation entre la vitesse, la fréquence et la longueur d'onde ($\lambda$) est donnée par : $v = \lambda \times f$ où $\lambda$ est la longueur d'onde (distance parcourue par l'onde pendant une période) en mètres (m).

Un son est caractérisé par plusieurs grandeurs physiques :

• Hauteur (fréquence) : C'est ce qui permet de distinguer un son grave d'un son aigu.
  • Une fréquence basse correspond à un son grave.
  • Une fréquence élevée correspond à un son aigu.
  • L'oreille humaine perçoit les sons dont la fréquence est comprise entre environ 20 Hz (infrasons) et 20 000 Hz (ultrasons).
• Intensité sonore (amplitude) : C'est ce qui permet de distinguer un son faible d'un son fort. Elle est liée à l'amplitude de la variation de pression de l'onde sonore.
  • Une grande amplitude correspond à un son fort.
  • Une petite amplitude correspond à un son faible.
  • L'intensité sonore se mesure en Watts par mètre carré ($W/m^2$), mais elle est plus couramment exprimée en décibels (dB) via le niveau d'intensité sonore.
• Timbre : C'est ce qui permet de distinguer deux sons de même hauteur et de même intensité, produits par des instruments différents (par exemple, un violon et une flûte jouant la même note). Le timbre est lié à la richesse en harmoniques (fréquences multiples de la fréquence fondamentale) du son et à la forme de l'onde sonore.

Le niveau d'intensité sonore (L) est une grandeur qui permet de quantifier la "force" d'un son, mais sur une échelle plus adaptée à la perception humaine que l'intensité sonore brute. Il est exprimé en décibels (dB).

L'échelle des décibels est une échelle logarithmique. Cela signifie qu'une augmentation de quelques décibels représente une multiplication par un facteur important de l'intensité sonore réelle. La formule est : $L = 10 \times \log\left(\frac{I}{I_0}\right)$ où $I$ est l'intensité sonore mesurée et $I_0$ est l'intensité sonore de référence (seuil d'audition, $10^{-12} \text{ W/m}^2$).

• Exemples de niveaux sonores :
  • Chuchotement : environ 20 dB
  • Conversation normale : 50-60 dB
  • Trafic routier intense : 80-90 dB
  • Concert rock : 100-110 dB
  • Moteur d'avion au décollage : 120-140 dB

Le dangerosité du son pour l'oreille humaine est directement liée à son niveau d'intensité et à la durée d'exposition. Des niveaux supérieurs à 85 dB peuvent causer des dommages auditifs irréversibles en cas d'exposition prolongée. Au-delà de 120 dB, le risque est immédiat.

Les signaux sonores sont utilisés dans de nombreuses applications :

• Écholocation : C'est le principe utilisé par certains animaux (chauves-souris, dauphins) pour se repérer et chasser en émettant des ultrasons et en analysant l'écho renvoyé par les obstacles.
• Échographie : En médecine, l'échographie utilise des ultrasons pour visualiser l'intérieur du corps humain (organes, fœtus). On envoie des ultrasons qui se réfléchissent sur les tissus et sont captés pour former une image. C'est une application non invasive et sans danger.
• Sonar : Utilisé dans la marine pour détecter des objets sous-marins (sous-marins, fonds marins) en émettant des ondes sonores et en mesurant le temps de retour des échos.
• Communication : Le langage humain est la forme la plus courante de communication sonore. Les téléphones, radios et autres appareils utilisent des signaux sonores (convertis en signaux électriques ou électromagnétiques) pour transmettre la voix.

La lumière est un type d'onde électromagnétique. Cela signifie qu'elle est composée d'un champ électrique et d'un champ magnétique qui oscillent perpendiculairement l'un à l'autre et se propagent ensemble.

• Dualité onde-corpuscule : La lumière a une nature duale. Elle se comporte à la fois comme une onde (phénomènes de diffraction, d'interférence) et comme un ensemble de particules appelées photons (phénomène photoélectrique).
• Vitesse de la lumière (c) : Dans le vide, la vitesse de la lumière est une constante universelle, $c \approx 3,00 \times 10^8 \text{ m/s}$. C'est la vitesse la plus élevée possible dans l'univers.
  • La vitesse de la lumière est légèrement ralentie lorsqu'elle traverse un milieu matériel (eau, verre, air).

Comme toutes les ondes, la lumière est caractérisée par sa fréquence ($f$) et sa longueur d'onde ($\lambda$), liées par la relation : $c = \lambda \times f$

Le spectre électromagnétique est l'ensemble de toutes les ondes électromagnétiques, classées par leur longueur d'onde ou leur fréquence. La lumière visible ne représente qu'une petite partie de ce spectre.

• Lumière visible : C'est la partie du spectre que l'œil humain peut percevoir. Elle correspond à des longueurs d'onde comprises entre environ 400 nanomètres (nm) et 800 nm.
• Couleurs : Chaque couleur de l'arc-en-ciel correspond à une plage spécifique de longueurs d'onde :
  • Violet : environ 400 - 450 nm
  • Bleu : environ 450 - 500 nm
  • Vert : environ 500 - 570 nm
  • Jaune : environ 570 - 590 nm
  • Orange : environ 590 - 620 nm
  • Rouge : environ 620 - 800 nm
• Dispersion : La dispersion de la lumière est le phénomène par lequel la lumière blanche (composée de toutes les couleurs) est décomposée en ses couleurs constitutives lorsqu'elle traverse un milieu (comme un prisme ou des gouttes d'eau pour l'arc-en-ciel). Cela se produit parce que l'indice de réfraction du milieu dépend légèrement de la longueur d'onde, ce qui fait que chaque couleur est déviée sous un angle légèrement différent.

• Lumière polychromatique : Une lumière est dite polychromatique si elle est composée de plusieurs radiations (plusieurs couleurs, donc plusieurs longueurs d'onde).
  • Exemples : La lumière du soleil, la lumière d'une lampe à incandescence. La lumière blanche est le cas le plus courant de lumière polychromatique.
• Lumière monochromatique : Une lumière est dite monochromatique si elle est composée d'une seule radiation (une seule couleur, donc une seule longueur d'onde).
  • Exemples : La lumière émise par un laser (souvent rouge, vert ou bleu). Les lampes spectrales (comme les lampes au sodium) émettent aussi une lumière quasi monochromatique.
• Prisme : Un prisme est un instrument optique qui utilise le phénomène de dispersion pour séparer les différentes longueurs d'onde d'une lumière polychromatique, révélant ainsi son spectre. Il est utilisé pour analyser la composition spectrale de la lumière.

Les signaux lumineux sont à la base de nombreuses technologies modernes :

• Fibres optiques : Ce sont des fils très fins en verre ou en plastique qui guident la lumière sur de longues distances grâce au principe de la réflexion totale interne. Elles sont utilisées pour la transmission rapide d'informations (internet, téléphonie) avec une grande bande passante et peu de pertes.
• Laser : Le laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) produit un faisceau lumineux très intense, cohérent (toutes les ondes sont en phase) et monochromatique.
  • Applications : Lecteurs CD/DVD/Blu-ray, lecteurs de codes-barres, chirurgie (ophtalmologie), découpe industrielle, télécommunications, holographie.
• Photographie : La photographie capte la lumière réfléchie par les objets pour former une image. Les capteurs photographiques convertissent les signaux lumineux en signaux électriques pour enregistrer l'image.
• LED : Les diodes électroluminescentes (LED) sont des sources de lumière compactes, économes en énergie et durables, utilisées pour l'éclairage, les écrans, les indicateurs lumineux.

Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique (non électrique) en un signal électrique mesurable et exploitable. Il est le premier maillon d'une chaîne de mesure ou d'un système de contrôle.

• Définition : Un capteur est un organe de prélèvement d'information. Son rôle est de détecter un phénomène physique ou chimique et de le traduire en un signal compréhensible par un système électronique ou informatique.
• Grandeur physique : C'est la propriété que le capteur est conçu pour mesurer ou détecter. Cela peut être la température, la pression, la lumière, le son, l'humidité, la force, la position, etc.
• Signal électrique : La sortie d'un capteur est généralement un signal électrique : une tension (en Volts), un courant (en Ampères), une résistance (en Ohms), ou une fréquence. Ce signal électrique est proportionnel à la grandeur physique mesurée.

Le capteur est l'interface entre le monde physique et le monde de l'électronique/informatique.

Le fonctionnement d'un capteur repose sur la conversion d'une énergie (ou d'une grandeur physique) en une autre, généralement électrique.

1. Détection : L'élément sensible du capteur réagit à la variation de la grandeur physique à mesurer. Par exemple, une thermistance voit sa résistance varier avec la température.
2. Transduction : La variation de la grandeur physique est convertie en une variation d'une propriété électrique (résistance, capacité, tension, etc.). C'est le cœur du capteur.
3. Mise en forme du signal (conditionnement) : Le signal électrique brut du capteur est souvent faible ou non linéaire. Il passe par un circuit de conditionnement qui l'amplifie, le filtre ou le linéarise pour le rendre utilisable.
4. Chaîne d'acquisition : Le signal conditionné est ensuite envoyé à un système d'acquisition qui peut le numériser (convertisseur analogique-numérique), le stocker ou l'afficher.
5. Traitement : Le signal numérique peut être analysé par un microcontrôleur ou un ordinateur pour prendre des décisions, afficher des valeurs, déclencher des alarmes, etc.

Pour choisir un capteur adapté à une application, il faut considérer ses caractéristiques :

• Sensibilité : C'est le rapport entre la variation du signal de sortie et la variation de la grandeur d'entrée. Une haute sensibilité signifie qu'une petite variation de la grandeur physique produit une grande variation du signal électrique.
  • Exemple : $10 \text{ mV/°C}$ pour un capteur de température.
• Étendue de mesure (ou plage de mesure) : C'est l'intervalle de valeurs de la grandeur physique que le capteur est capable de mesurer avec précision.
  • Exemple : un capteur de température peut mesurer de $-20 \text{ °C}$ à $100 \text{ °C}$.
• Fidélité : La fidélité indique la capacité du capteur à donner la même valeur de sortie pour la même valeur d'entrée, mesurée plusieurs fois dans les mêmes conditions.
• Linéarité : Un capteur est linéaire si son signal de sortie est directement proportionnel à la grandeur physique mesurée. C'est une caractéristique souhaitable car elle simplifie l'étalonnage et le traitement du signal.
• Temps de réponse : C'est le temps que met le capteur pour réagir et fournir une mesure stable après une variation de la grandeur physique.
• Précision / Exactitude : La précision est la capacité du capteur à donner des mesures proches les unes des autres. L'exactitude est la capacité du capteur à donner une mesure proche de la valeur réelle.
• Résolution : C'est la plus petite variation de la grandeur physique que le capteur est capable de détecter.

Ces capteurs mesurent la chaleur ou le froid.

• Thermistance : Composant dont la résistance électrique varie de manière significative avec la température. Il en existe deux types : CTP (Coefficient de Température Positif, résistance augmente avec T) et CTN (Coefficient de Température Négatif, résistance diminue avec T).
  • Applications : Thermomètres électroniques, thermostats, protection thermique de moteurs, sondes de température dans les appareils électroménagers.
• Thermocouple : Capteur composé de deux fils de métaux différents soudés à leurs extrémités. Une différence de température entre les deux jonctions crée une tension électrique (effet Seebeck).
  • Applications : Mesure de hautes températures (fours industriels, moteurs), contrôle de processus industriels.
• Sondes Pt100 (ou RTD - Resistance Temperature Detector) : Capteurs dont la résistance d'un filament de platine varie avec la température. Très précis et stables.
  • Applications : Industrie alimentaire, pharmaceutique, laboratoires, systèmes de chauffage/climatisation.

Ces capteurs détectent la présence ou l'intensité de la lumière.

• Photorésistance (LDR - Light Dependent Resistor) : Composant dont la résistance diminue lorsque l'intensité lumineuse augmente.
  • Applications : Détecteurs de lumière ambiante (allumage automatique de phares, d'éclairage public), compteurs de lumière, alarmes.
• Photodiode : Diode qui génère un courant électrique lorsqu'elle est exposée à la lumière. Elle a un temps de réponse très rapide.
  • Applications : Récepteurs de télécommandes infrarouges, capteurs optiques, détection de lumière à haute vitesse, systèmes de communication optique.
• Phototransistor : Transistor sensible à la lumière. Il amplifie le courant généré par la lumière, ce qui le rend plus sensible qu'une photodiode.
  • Applications : Détecteurs de présence, lecteurs optiques, capteurs de position.
• Capteur CCD/CMOS : Utilisés dans les appareils photo numériques et les caméras. Ils convertissent la lumière en pixels électroniques pour former une image.

Ces capteurs détectent le déplacement ou la présence d'objets.

• Détecteur infrarouge (PIR - Passive Infrared Sensor) : Détecte les variations de rayonnement infrarouge (chaleur) émises par les corps chauds en mouvement.
  • Applications : Alarmes antivol, allumage automatique de lumières (détecteurs de présence), ouvre-portes automatiques.
• Capteur à ultrasons : Émet des ondes sonores de haute fréquence (ultrasons) et mesure le temps que met l'écho à revenir. Permet de calculer la distance à un objet.
  • Applications : Aide au stationnement de véhicules, mesure de niveaux de liquide, robots évitant les obstacles.
• Capteur de position (ex: fin de course, capteur à effet Hall) : Détectent si un objet est arrivé à une certaine position ou si un champ magnétique est présent.
  • Applications : Sécurité de machines (détecter si une porte est fermée), détection de rotation de roues (ABS), positionnement de vérins.
• Accéléromètre : Mesure l'accélération d'un objet.
  • Applications : Smartphones (orientation de l'écran), airbags de voiture, drones.

• Capteurs de pression : Mesurent la force exercée par un fluide par unité de surface.
  • Applications : Mesure de la pression des pneus, baromètres (météo), systèmes hydrauliques.
• Capteurs d'humidité : Mesurent la quantité de vapeur d'eau dans l'air ou dans un sol.
  • Applications : Stations météo, systèmes de contrôle climatique, agriculture intelligente.
• Capteurs de son (Microphones) : Convertissent les ondes sonores en signaux électriques.
  • Applications : Téléphones, enregistreurs audio, systèmes de reconnaissance vocale.
• Capteurs de gaz : Détectent la présence et la concentration de certains gaz.
  • Applications : Détecteurs de fumée, détecteurs de monoxyde de carbone, contrôle de la qualité de l'air.
• Capteurs de force (jauges de contrainte) : Mesurent une force ou une déformation.
  • Applications : Balances électroniques, bancs d'essai.

La diversité des capteurs permet de collecter une multitude d'informations sur notre environnement, essentielles pour l'automatisation, le contrôle et la surveillance dans tous les domaines de la vie quotidienne et de l'industrie.