CHAPITRE 1 Généralités sur la chaîne d’acquisition des données et sur les capteurs Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 PLAN INTRODUCTION LA CHAINE D'ACQUISITION DES DONNEES GENERALITES SUR LES CAPTEURS CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT CONCLUSION Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 INTRODUCTION (1) a. Définition d’un capteur : Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique d'entrée, appelée mesurande [m], en une grandeur de nature électrique (en général) appelée réponse [s]. La relation entre la grandeur électrique et le mesurande doit être univoque. Exemple : capteur de pression à jauges de contraintes mesurande : pression réponse : tension Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 INTRODUCTION (2) b. Domaines d’utilisation des capteurs : → Tous les domaines d’activité nécessitent l’emploi de capteurs Exemples : - automobile : domaine principal - contrôle de la production - agriculture - sécurité - médical (domaine du micro capteur) - électroménager -… Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 INTRODUCTION (3) c. Conséquences : Les conditions d’implémentations et d’environnement des capteurs peuvent varier considérablement d’une application à une autre → Diversité des besoins → Une très grande diversité des produits Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 INTRODUCTION (4) d. Objectif du cours : Un ingénieur doit "choisir le bon capteur pour une application donnée". La caractérisation des capteurs se fait à partir de différents attributs. ! Pas de normes et le "data sheet" reste un document commercial. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (1) a. Introduction : La traduction par un capteur d’un mesurande en grandeur n’est généralement pas appropriée à son exploitation → Les capteurs sont les premiers éléments d’une chaîne de mesure ou chaîne d’acquisition de données. Ce sont les interfaces entre le "monde physique" et le "monde électrique" Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (2) b. Rôle de la chaîne : - recueillir les informations nécessaires à la connaissance de l’état d’un système - délivrer ces informations sous une forme appropriée à leur exploitation Sachant que l'état d'un système est caractérisé par des grandeurs physiques ou chimiques appelées mesurandes → Assigner une valeur (un nombre) à un mesurande Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (3) c. Constitution de la chaîne : Généralement, elle est constituée de 3 parties : - acquisition des données (analogique) capteurs, conditionneurs, amplificateurs, multiplexage. - transformation des données CAN - traitement des données calculateur Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (4) d. Exemple de structure d’une chaîne : Capteur 1 Capteur i Capteur N Conditionneur Amplificateur Filtre Multiplexeur Echantillonneur-Bloqueur Convertisseur Analogique / Numérique Contrôle Calculateur Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (5) e. Emplacement de la chaîne : Affichage Mesurandes Procédé Chaine d'acquisition des données Stockage Traitement Contrôle-Régulation Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (1) a. Corps d’épreuve : C'est un dispositif qui traduit le mesurande étudié en une autre grandeur physique non électrique appelée mesurande secondaire. Mesurande primaire Corps d'épreuve Grandeur électrique Capteur Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (2) Exemples de corps d’épreuve Mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement x Corps d'épreuve : ressort Force : Mesurande primaire Elongation : Mesurande secondaire F Mesure d'une accélération à partir d'un capteur de force Accélération Masse sismique Capteur de force Corps d'épreuve : masse sismique accélération : Mesurande primaire Force : Mesurande secondaire Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (3) b. Classification des capteurs en fonction : - du mesurande qu'il traduise (capteur de température, de pression, ...) - de leur rôle dans un processus industriel (contrôle de produits finis, de sécurité, ...) - du signal qu’ils fournissent - capteur analogique (catégorie la plus importante) - capteur logique (key sensor) - capteur digitaux - de leur principe de traduction du mesurande (capteur résistif, à effet de Hall, ...) Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (4) - de leur principe de fonctionnement - capteurs actifs : Fonctionnent en générateur en convertissant la forme d ’énergie propre au mesurande en énergie électrique. - capteurs passifs : Il s ’agit d ’impédances (très souvent des résistances) dont l ’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (5) - capteurs actifs : Mesurande Effet utilisé Température Thermoélectricité Tension Pyroélectricité Charge Photoémission Courant Effet photovoltaïque Tension Effet photoélectromagnétique Tension Flux lumineux Force Pression Accélération Vitesse Position Grandeur de sortie Piézoélectricité Charge Induction magnétique Tension Effet Hall Tension Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (6) - effet thermoélectrique : Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(T1,T2). Application : détermination à partir de la mesure de e d'une température inconnue T1 lorsque T2 est connue. - effet pyroélectrique : Certain cristaux ont une polarisation spontanée qui dépend de la température. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (7) - effet photoémissif : Les électrons libérés sont émis hors de la cible éclairée et forment un courant électrique. - effet photovoltaïque : Tension aux bornes d ’une jonction PN créée par électrons et des trous libérés par un flux lumineux. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (8) - effet photoélectromagnétique : Libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (9) - effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées. Application : mesure de forces ou de grandeurs s'y ramenant (préssion, accélération) à partir de la tension que provoquent aux bornes du condensateur associé à l'élément piézo-éléctrique les variations de sa charge. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (10) - effet Hall : Un matériau parcouru par un courant I et soumis à une induction B faisant un angle avec le courant fait apparaître une tension vH vH = KH . I . B . Sin Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (11) - effet induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique. Application : la mesure de la fem d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (12) - capteurs passifs : Température Caractéristique électrique sensible Résistivité [] Très basse T Constante diélectrique [] Type de matériaux utilisés Métaux : Pt, Ni, Cu Semi-conducteur Verre Flux lumineux Résistivité [] Semi-conducteur Déformation Résistivité [] Perméabilité magnétique [] Mesurande Position (aimant) Résistivité [] Humidité Résistivité [] Constante diélectrique [] Niveau Constante diélectrique [] Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 Alliage de Ni, Si dopé Alliage ferromagnétique Matériaux Magnétorésistant Chlorure de lithium Alumine ; polymère Liquides isolants GENERALITES SUR LES CAPTEURS (13) - capteurs passifs : - corps d ’épreuve : Impédance dont l’un des paramètres est sensible au mesurande. - Les variations d'impédance ne sont mesurables qu ’en intégrant le capteur dans un circuit électrique. (à alimenter) → Z = f(géométrie, dimensions, propriétés électriques [], [],[]) Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (14) - variations géométrique : Capteur à élément mobile Capteur à élément déformable - variation des propriétés des matériaux : Correspondance univoque entre la valeur de la grandeur et celle de l ’impédance du capteur. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (1) a. Introduction : rappel : chaque application envisagée implique un cahier des charges. On choisi un capteur en fonction de ses attributs ou caractéristiques métrologiques. Ces caractéristiques font référence à des étallonages réalisés en laboratoire Elles sont définies définies quand le régime statique est atteind Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (2) b. Etendue de mesure : Elle est la plage de valeurs du mesurande pour lesquelles le capteur répond aux spécifications du constructeurs. E.M. = mmax – mmin Grandeur électrique L'unité de l'E.M. est généralement l'unité du mesurande. Mesurande m min m max Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1 Domaine Mesurande Température Nominal 0-10 N (E.M) 0°C à 60°C Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (3) c. Fonction de transfert : C'est la relation fonctionnelle qui relie le mesurande en entrée et la grandeur électrique en sortie du capteur. Elle est définie soit par un graphe, soit par une relation formelle (linéaire, exponentielle, logarithmique…). Exemples : Grandeur électrique Grandeur électrique Mesurande m min m max Mesurande m min Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 m max CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (4) d. Sensibilité : La sensibilité S(m) d'un capteur, pour une valeur donnée du mesurande, est égale au rapport de la variation du signal électrique sur la variation du signal physique. s S m= m m unité grandeur électrique unité de S = unité mesurande Grandeur électrique Remarque : la sensibilité d'un capteur linéaire est constante. Δs Mesurande mmin Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 Δm m max CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (5) e. Précision : Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner une mesure M proche de la valeur vrai m de la grandeur mesurée L'incertitude de mesure M est telle que : m = M ± M L'erreur relative de précision = M M max −M min Erreur de précision = erreur de justesse + erreur de fidélité Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (6) f. Fidélité : Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner, pour une même valeur de la grandeur mesurée, des mesures concordant entre elles → Les résultats de mesures répétées d'une même valeur de mesurande restent groupés autour d'une valeur moyenne. La fidélité est souvent caractérisée par l'écart type Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (7) g. Justesse : Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des mesures proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n'étant pas prise en compte → La valeur la plus probable du mesurande est très proche de la valeur vraie Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (8) h. Illustrations de la fidélité et de la justesse : Juste et fidèle → précis Fidèle, non juste Juste, non fidèle ni fidèle, ni juste Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (9) i. Non-linéarité : La non-linéarité est la déviation maximale de la réponse du capteur sur l'étendue de mesure, par rapport à la fonction de transfert linéaire. Grandeur Electrique Ymax Non-linéarité Δy Unité : % de l'E.M. max yo Mesurande 0 Erreur relative de linéarité = y max y max − y o Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 Mmax CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (10) j. Hystérésis : Certains capteurs ne retournent pas la même valeur de sortie, pour une même valeur du mesurande, selon la façon où cette valeur est obtenue (cycle croissant ou décroissant). L'hystéresis est la différence maximale entre ces deux valeurs de sortie. Grandeur électrique Unité : Unité du mesurande ou % de l'E.M. Hyst Mesurande m min Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 m max CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (11) k. Bruit : Les capteurs délivrant une tension électrique génèrent, en plus de l'information sur le mesurande, du bruit. Si ce bruit n'est pas négligeable, alors il limite les performances du capteur. Dans ce cas, le constructeur spécifiera la densité spectrale du bruit, en supposant que le bruit est blanc. Unité typique : V Hz Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (12) l. Résolution : La résolution est le plus petit incrément du mesurande détectable. →Unité : celle du mesurande. Si le capteur génère du bruit, la résolution devient dépendante du niveau de bruit. Dans ce cas, elle s'obtient par le rapport de la densité spectrale du bruit sur la sensibilité. →Unité : unité du mesurande Hz Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (13) m. Rapidité : Elle caractérise l'aptitude d'un dispositif à répondre aux variations temporelles du mesurande Elle est spécifiée soit par la bande passante, soit par le temps de réponse Les dispositifs de la chaîne doivent avoir des bandes passantes compatibles avec le signal de mesure. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (14) n. Temps de réponse : Le temps de réponse tr() ou d'établissement à près est défini comme la durée minimale d'attente après l'application d'un échelon à l'entrée, pour que l'écart relatif de la sortie par rapport à sa valeur finale demeure toujours inférieur à . La grandeur d'entrée : x t = X 1 ⋅U t U(t)=0 pour t<0 et U(t) =1 pour t 0 avec La grandeur de sortie y(t) tend vers Y1 quand t → ∞ Y 1 − y t Y1 pour tt r Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (15) Exemples de temps de réponse : x(t) X1 Signal d'entrée x(t) 0 y(t)/Y1 Temps de réponse d'un dispositif du 1er ordre Temps de réponse d'un dispositif du 2nd ordre t 1 1 1− t rt 0 ) r ( y(t)/Y1 t ) t rt r ( t 1 1 1 11 − 0 Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (16) o. Bande passante : Elle est définie comme étant la plage de fréquence de variation du mesurande où les caractéristiques du capteur spécifiées par le constructeur sont respectées. Si la fréquence du mesurande est comprise entre f.basse et f.haute, l'amplitude du signal de sortie sera conforme aux spécifications du constructeur. Amplitude B.P.=[ f basse , f haute ] fbasse f haute Hz Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (17) p. Incertitude apportée par un dispositif : Relation théorique (nominal) entre Entrée x et Sortie y : Gn et yon Gain nominal et décalage y n =G n × x y on nominal de zéro Relation réelle entre Entrée x et Sortie y : G et yo Gain réel et décalage réel de y=G× x y o zéro Incertitude y sur la grandeur de sortie du dispositif : y dépend de G et yo y= y− y y= G× x y n 0 Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (18) Les caractéristiques métrologiques permettent : - de connaître Gn, - d'estimer l'incertitude associée. L'erreur associée à chaque dispositif est : y E= y max − y on E= y y max Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (19) - Erreur de gain : La valeur réelle de G présente un écart maximum G par rapport à sa valeur nominale. L'erreur de gain : E Gn = G = G−G n Gn Gn EGn entraîne sur la sortie y une incertitude maximale yGn y Gn = G× x max = G× Et on a : E Gn = y Gn y max Gn y max Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (20) - Erreur de gain (bande passante) : Pour une entrée sinusoïdale de fréquence f, on définit la réponse en fréquence du gain G(f). Les dispositifs d'une chaîne d'acquisition sont généralement de type passe-bas. (G(0) gain statique). La variation relative du gain à la fréquence f est : G f −G 0 E G f = G 0 Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (21) Si l'on ne tient pas compte de cette variation de gain, on introduit une incertitude maximale sur l'amplitude de sortie : E G f max = G F h −G 0 G 0 G y = = G 0 y max EG(f)max est l'incertitude maximale sur la bande passante Fh est la fréquence maximale du signal d'entrée Une bande passante à près est définie comme l'intervalle de fréquence où le variation relative du gain n'excède pas . Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (22) Dispositif à réponse du 1er ordre G(f)/G(0) G f =G 0× 1 1 f 1 1 − 2 2 fc Bande Passante f c : fréquence de coupure à -3 dB 0 fc f Pour un signal dont f h << f c , l'incertitude relative sur le gain est : E G f =− 1 2 [ ] fh 2 fc Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (23) Dispositif à réponse du 2nd ordre 1 G(f)/G(0) 1 G f =G 0× 1 2 1 − f / f 0 2 4 f / f 0 2 Bande Passante 0 f 0 : fréquence propre des oscillations non amorties coefficient d'amortissement fc Pour un signal dont f h << f c , l'incertitude relative sur le gain est : E G f =− [ ][ fh 1 2 fo 2 2 −4 − f h2 fo 2 ] [] E G f ≈ fh fo Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 2 [ 1 −2 ] 2 f CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (24) - Dérives thermiques : Les dispositifs constituant la chaîne de mesure peuvent avoir des performances sensibles à la température de fonctionnement. Y (Tn T) Si à la température nominale Tn, on a : (Tn ) yT y T n =G T n × x y o T n A la température T, on a : y T =G T × x y o T 0 Une variation δT entraine une erreur δyT Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 x Xmax X CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (25) - Dérive thermique du gain : Pour une température maximal Tmax, l'incertitude liée à la dérive thermique du gain est : y G T =[G T −G T n ]× x= G× x On pose : G T =G T n ×1 G × T G est le coefficient de température du gain Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 T =T −T n CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (26) L'incertitude maximale est atteinte pour δTmax et xmax : y G T =G T n ×G × T max × x max L'incertiude relative maximale due à la dérive thermique du gain E G T = y G T y max =G × T max Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (27) - Dérive thermique du décalage à zéro : L'incertitude maximale yz(T) due à la dérive thermique du décalage : y Z T = y o T max − y o T n = dy o dT × T max L'incertitude relative maximale s'écrit : E Z T = y Z T y max d yo dE Z 1 = × × T max = × T max y max d T dT Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (28) Le constructeur fournie : - soit la sensibilité thermique du décalage : d yo dT (mV.°C-1) - soit la sensibilité thermique de l'incertitude : dE Z dT (%EM.°C-1) Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (29) q. Incertitude due par un dispositif : Chaque dispositif de la chaîne est source de plusieurs erreurs. L'incertitude maximale due à un dispositif est : E max =∑ ∣E i∣ où Ei sont les erreurs élémentaires décrites précédemment. L'incertitude probable est : E prob = 2 E ∑ i Les incertitudes décrites ici sont relatives, l'incertitude sur la grandeur de sortie est : y=E× y max Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (1) a. Environnement de mesure : Ce terme regroupe l'ensemble des grandeurs physiques ou chimiques dont l'influence sur les éléments de la chaîne est susceptible d'en modifier les performances : ex : températures, parasites, perturbations électromagnétiques, vibrations, humidité…. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (2) b. Grandeur d'influence : Grandeurs physiques ou chimiques « parasites » auxquelles peut être sensible la réponse du capteur. Solutions : - minimiser l'influence - Protéger le capteur - Stabiliser les grandeurs d ’influence à une valeur connue - Compenser l ’influence des grandeurs parasites. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (3) c. Domaine d'utilisation : Il peut survenir des modifications de caractéristique du capteur si il subit des contraintes trop importantes. Domaine nominal d'emploi : conditions normales d'utilisations Domaine de non-détérioration : dépassement du D.N.E. Les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière réversible. Domaine de non-destruction : dépassement du domaine de non détérioration. Les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière irréversible. Un nouvel étalonnage est nécessaire. Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (4) Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1 Domaine Mesurande Température Nominal 0-10 N (E.M) 0°C à 60°C Non-détérioration 1,5 x E.M -20°C à 100°C non-destruction 3 x E.M -50°C à 120°C Température destruction Non destruction Non déterioration DNE Force Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003 CONCLUSION Le capteur idéal est celui pour lequel : - on dispose d'une relation linéaire connue entre la grandeur à mesurer et le signal de sortie du capteur - les conditions d'emploi sont telles qu'aucune grandeur d'influence ne perturbe son fonctionnement - aucun bruit parasite se superpose au signal utile - ... → situation exceptionnelle Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003
