Métrologie - Julien Lagarde PhD

Métrologie
Mesurer le mouvement
Muybridge, E. (1831-1904)
& Marey, J. (1830-1904)
Définition
La métrologie au sens étymologique du terme se traduit
par « science de la mesure ».
La métrologie s’intéresse traditionnellement à la
détermination de caractéristiques (appelées grandeurs) qui
peuvent être fondamentales comme par exemple une
longueur, une masse, un temps, ou dérivées des grandeurs
fondamentales comme par exemple une surface, une vitesse.
Unités
Le Système International d'unités (abrégé en SI),
inspiré du système métrique, est le système
d'unités le plus largement employé du monde.
Historiquement, la première définition officielle et
pratique du mètre (1791) était basée sur la
circonférence de la terre, et valait 1/40 000 000 d'un
méridien.
(mètre, seconde, kg, hertz, newton, joule, pascal, watt, volt,
ampère, mètre carré, mètre par seconde, radian par seconde,
mètre par seconde carrée, newton-mètre, etc…)
Système de mesure
Un système de mesure est généralement constitué de 3 parties:
le capteur qui traduit la valeur physique en un signal
généralement de nature électrique, le conditionneur de signaux
qui transforme le signal du capteur pour en modifier l’amplitude
ou pour le filtrer, la sortie qui permet de lire la valeur mesurée
Le capteur utilise un phénomène physique réagissant à la
valeur physique à mesurer et assure sa transformation en un
signal électrique, optique ou mécanique plus facile à
manipuler et à quantifier.
Observateur
Système mesuré
Système de mesure
Un signal continu est défini pour toutes les valeurs du temps et peut prendre
n’importe quelle valeur en amplitude.
Un signal discret est en général un signal continu qui est mesuré à certains
instants seulement.
Un signal numérique est un signal discret qui a été quantifié et qui par
conséquent ne peut prendre qu’un ensemble discret de valeurs en amplitude.
Discrétisation
Mouvement du pendule :
Déterministe
Bruit de mesure : aléatoire
Lissage des mesures
On distinguera aussi les signaux stationnaires dont
les propriétés n’évoluent pas en fonction du
temps, des signaux non-stationnaires dont les
propriétés sont variables en fonction du temps.
Etalonnage
L’étalonnage d’un instrument consiste à appliquer une valeur
connue en entrée du système de mesure afin de vérifier que
la sortie correspond bien à la valeur attendue.
L’opération d’étalonnage permet aussi de déduire la justesse
de l’instrument.
Justesse de l’instrument : Erreur
Sensibilité
Cette grandeur permet de mesurer l’influence d’un
changement de la valeur d’entrée sur la valeur de
sortie. Un bon instrument devra avoir une assez
grande sensibilité.
Précision
La précision d'une mesure est l’accord (ou la différence)
entre le résultat d'une mesure et la vraie valeur
Répétabilité
Une mesure est répétable lorsque l'on vérifie la proximité
de l'accord entre les résultats des mesures successives
La dispersion des résultats permet de quantifier la
répétabilité.
Définitions d’erreur et d’incertitude
L’erreur de mesure est définie comme la différence entre la
valeur annoncée et la valeur vraie qui reste inconnue. Cette
valeur annoncée sera généralement obtenue par une opération
de moyenne de plusieurs mesures.
L’incertitude de mesure décrit une région autour de la valeur
lue ou observée (souvent elle-même une moyenne de plusieurs
mesures individuelles) d’une quantité physique, dans laquelle
on estime que se trouve la vraie valeur.
Résultat de la mesure = Valeur
annoncée ± incertitude
Dispersion statistique
la moyenne, qui représentera la valeur annoncée de la
mesure, appelée aussi espérance en statistique
l'écart type qui (en général multiplié par un facteur
approprié) permet d’estimer l'incertitude de mesure.
variance
L'écart type est la racine
carrée de la variance
Histogrammes
Comptage
Classes
Compte les
occurrences des
valeurs de X
Ensemble
Histogrammes
X
Echantillons
t
Approche quantitative: décrit et analyse le mouvement
par l’utilisation de données numériques.
Les données sont recueillies au moyen d’instrumentations
diverses (caméras, plateformes de force, accéléromètres, …)
Les mesures de déplacement, vitesse, accélération et de
force sont obtenues directement ou sont dérivées de
données initiales.
Approche quantitative: cette approche nécessite cependant une
instrumentation complexe et sophistiquée comme des caméras
haute fréquence et des systèmes d’acquisition vidéo qui limitent
les milieux d’étude et les mouvements possibles à cause de
contraintes techniques comme l’éclairement.
Cette approche très technique permet ensuite la publication de
résultats dans des revues scientifiques
Objectifs
• Mesurer la performance globale
• Comparer les performances
 Nécessite des moyens relativement simples (un
capteur)
– Comprendre les mécanismes  moyens complexes
• Du mouvement normal
– Déplacements des segments
– Contractions et actions musculaires
– Synergie articulaire
• Du mouvement pathologique
– Définir et mesurer les anomalies du déroulement
– Comprendre les mécanismes pour mieux les traiter
– Comparer les variables après une action thérapeutique
Analyse cinématique:
- Caméra vidéo
- Accéléromètre
- Goniomètre
- Motion capture
- Système laser
- Système ultrason
- Système magnétique
système vidéo
Cinématique
- Précision (dépend de la résolution des caméras)
- Fréquence d’acquisition (25Hz)
Accéléromètre (peu utilisé)
Marqueurs passifs réfléchissants
Modéliser les segments
Calibrage
Systèmes ultrasons
[Émissions US et microphones]
Interférences sonores
Système magnétique
Récepteurs actifs
Pratique mais déformations du champ,
effets de bord
jauges de déformation
Torsion : Goniomètres
Uni ou bi- directionnel
(1 ou 2 angles)
Plateforme de force
3 m/s
Forces de réaction au sol
4 m/s
5 m/s
6 m/s
Fz Verticale
ForcesFy antéro-postérieure
Dynamomètre