Sciences de l'ingénieur - Capteurs et chaîne d'acquisition

Cette leçon est consacrée aux capteurs, actionneurs et à la chaîne d'acquisition, des notions centrales du programme officiel de Terminale en Sciences de l'ingénieur (SI) pour l'épreuve de spécialité du Baccalauréat. Elle part du rôle du capteur, composant qui convertit une grandeur physique du milieu extérieur (température, luminosité, position angulaire) en un signal électrique exploitable, et détaille les étapes de la chaîne d'acquisition : adaptation du signal, numérisation via un convertisseur analogique-numérique (CAN), et traitement par un microcontrôleur — en la distinguant explicitement de la chaîne d'énergie, qui relève elle de la puissance mécanique.

Le contenu approfondit la formule de résolution d'un CAN à n bits (R = Vref/2^n), qui exprime le plus petit écart de tension détectable, ainsi que la notion de linéarité d'un capteur, définie comme la proportionnalité entre la grandeur physique mesurée et le signal de sortie, propriété qui facilite l'étalonnage. Il présente aussi l'amplificateur opérationnel en montage suiveur, utilisé pour adapter l'impédance entre deux étages d'un circuit sans en modifier l'amplitude, et distingue capteurs actifs et passifs selon qu'ils produisent eux-mêmes le signal ou nécessitent une alimentation extérieure.

La leçon aborde également les conditions d'une numérisation fidèle : le théorème de Shannon, le phénomène de repliement de spectre (aliasing) lorsque la fréquence d'échantillonnage est trop faible, et le filtre anti-repliement placé en amont du convertisseur pour l'éviter. Elle traite enfin la mise en forme d'un signal tout-ou-rien par un trigger de Schmitt, dont l'hystérésis élimine les rebonds et garantit une commutation franche.

Côté actionneurs, la leçon explique le fonctionnement du moteur pas à pas, qui avance d'un angle fixe à chaque impulsion électrique reçue, permettant un positionnement précis en boucle ouverte, et le compare au servomoteur, qui intègre nativement son capteur de position et son électronique de commande. Le pilotage en vitesse d'un moteur à courant continu par modulation de largeur d'impulsion (PWM) y est expliqué, ainsi que les composants d'interface entre commande et puissance : l'optocoupleur, qui assure une isolation galvanique par signal lumineux entre deux circuits, et la diode de roue libre, placée en parallèle d'une bobine pour absorber la surtension générée à l'ouverture d'un circuit inductif.

Ces notions sont essentielles pour l'épreuve de Bac SI, où l'analyse d'un système technique impose fréquemment d'identifier et de caractériser précisément la chaîne d'acquisition d'une grandeur physique, du capteur jusqu'au signal numérique traité par le système.

À travers dix questions, douze fiches de révision et huit questions rédigées, l'apprenant s'entraîne à différencier les étapes de la chaîne d'acquisition, à calculer ou interpréter la résolution d'un CAN, à justifier le choix d'un montage suiveur ou d'un filtre anti-repliement, à identifier les composants assurant l'isolation galvanique et la protection des circuits de commande, et à expliquer le principe de fonctionnement d'un moteur pas à pas comme le pilotage en PWM d'un moteur à courant continu.

• Expliquer le rôle du capteur dans la conversion d'une grandeur physique en signal électrique.
• Distinguer un capteur actif d'un capteur passif.
• Décrire les étapes de la chaîne d'acquisition (adaptation, filtrage, numérisation, traitement).
• Calculer la résolution d'un CAN à partir de sa tension de référence et de son nombre de bits.
• Définir la linéarité d'un capteur et son intérêt pour l'étalonnage.
• Justifier l'emploi d'un amplificateur opérationnel en montage suiveur entre un capteur et un CAN.
• Énoncer le théorème de Shannon et expliquer le repliement de spectre ainsi que le rôle du filtre anti-repliement.
• Expliquer la mise en forme d'un signal tout-ou-rien par un trigger de Schmitt.
• Expliquer le principe de fonctionnement d'un moteur pas à pas et le comparer à un servomoteur.
• Expliquer le pilotage en vitesse d'un moteur à courant continu par modulation de largeur d'impulsion (PWM).
• Identifier le rôle de l'optocoupleur dans l'isolation galvanique d'un circuit.
• Expliquer la fonction de protection d'une diode de roue libre.
• Distinguer les composants de la chaîne d'acquisition de ceux de la chaîne d'énergie.

Matériel d'entraînement élaboré par Zestly. Le contenu couvre la résolution d'un convertisseur analogique-numérique (CAN), le fonctionnement du moteur pas à pas, et les composants de protection/isolation (optocoupleur, diode de roue libre).