Chaînes de mesure : Définitions et caractéristiques

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Définitions et caractéristiques générales d’une chaîne de mesure
1. Définition
Une chaîne de mesure permet d’établir une relation numérique entre la grandeur de sortie et le
mesurande.
Mesurande : Grandeur physique que l’on cherche
à mesurer : pression, force, température,
position, vitesse, etc. …
Grandeur de sortie : Représentation numérique
du mesurande.
Grandeur d’influence : Toute grandeur
physique autre que le mesurande pouvant influer
sur la chaîne de mesure et par cela modifier la
valeur de la grandeur de sortie.
Une grandeur d’influence est perturbatrice et
peut intervenir sur différentes fonctions de la
chaîne de mesure.
Chaîne de mesure
MesurandeValeur
numérique
Grandeur
d'influence
Energie
électriqueParamètres de configuration
Num
Num = f(mesurande)
Exemples de grandeurs d’influence
- température (la plus répandue et la plus gênante) ;
- la pression environnante ;
- l’humidité, les ambiances corrosives ;
- l’accélération et la pesanteur ;
- position du capteur et fixation ;
- perturbations électromagnétiques ;
- l’alimentation électrique de la chaîne de mesure.
2. Organisation fonctionnelle d’une chaîne de mesure
Le synoptique ci-dessous présente l’organisation d’une chaîne de mesure constituée à partir d’un
capteur actif ou d’un capteur passif.
Conditionneur
de capteur
passif
Mesurande
Signal
électrique
passif
R, L, C
Signal
électrique
actif
U, I, Q
Signal
électrique
actif
traité
Valeur
Numérique
Capteur
actifConditionneur
de signal
Dispositif
de mesure
numérique
Capteur
passif
ou
MesurandeSignal
électrique
actif
U, I, Q
Energie
électrique
Grandeurs
d'influence
Grandeurs
d'influence Energie électriqueEnergie électrique
Num
Les fonctions constitutives d’une chaîne de mesure sont les suivantes:

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2.1 Capteur
Jusqu’à présent, on a pris l’habitude d’appeler capteur l’ensemble constitué du corps d’épreuve et
de l’élément de transduction.
Corps d’épreuve : Élément mécanique qui réagit sélectivement au mesurande. Il a pour rôle de
transformer la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique mesurable par l’élément de
transduction. Cette grandeur constitue la réaction du corps d’épreuve.
Le corps d’épreuve permet :
- d’isoler l’action du mesurande des autres grandeurs physiques agissantes ;
- de réaliser une relation physique entre le mesurande et la grandeur physique à laquelle
réagit l’élément de transduction.
Elément de transduction : est un élément sensible lié au corps d’épreuve. Il traduit les réactions
du corps d’épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.
La nature du signal électrique de sortie permet de définir deux classes d’élément de transduction :
- actif
- passif
En fonction donc de la classe de l’élément de transduction, on distingue donc deux classes de
capteur : - les capteurs actifs
- les capteurs passifs
Capteur actif : Le signal électrique délivré par le capteur est actif, il est de type :
Tension : U en Volt
Intensité : I en Ampère
Charges électriques : Q en Coulomb
Corps
d'épreuve
Elément de
transduction
actif
Réaction
Grandeurs
d'influence Grandeurs d'influence
Mesurande
Signal
électrique
actif
U, I, Q
Une partie de l’énergie physique prélevée sur le
mesurande est transformée directement en une
énergie électrique qui constitue le signal de
sortie.
Les signaux de sortie délivrés par ces capteurs
sont de très faible puissance. Ils sont dits de bas
niveau et doivent être amplifié pour pouvoir être
transmis à distance.
Capteur passif : Le signal électrique délivré par le capteur est passif, il est de type :
Résistance : R en Ohm
Inductance : L en Henry
Capacité : C en Farad
Corps
d'épreuve
Elément de
transduction
passif
Réaction
Grandeurs
d'influence Grandeurs d'influence
Mesurande
Signal
électrique
passif
R, L, C
Conditionneur
de capteur
passif
Grandeurs
d'influence
Signal
électrique
actif
U, I, Q
Energie
électrique
Capteur passif

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C’est l’impédance du capteur qui est sensible aux variations du mesurande. Ces variations
d’impédance ne sont mesurables que par l’intermédiaire d’un circuit de préconditionnement, le
conditionneur de capteur passif.
Un capteur passif ne délivre donc pas un signal électrique actif, il faut donc toujours lui associer
un conditionneur de capteur passif afin que le signal de sortie de l’ensemble ainsi constitué délivre
un signal électrique actif.
2.2 Conditionneur de capteur passif :
Dispositif électrique permettant de transformer la grandeur électrique passive du capteur en une
grandeur électrique active.
Le conditionneur est constitué d’une source de tension stabilisée (généralement 5 Volts) ou de
courant et d’autres impédances.
On distingue 2 groupes principaux de conditionneurs :
- les montages potentiométriques et les ponts de mesure ;
- les oscillateurs.
2.2.1 Les montages potentiométriques :
L’impédance du capteur est placée en série avec
une impédance connue.
Ce montage est assez sensible aux dérives de la
source de tension ou de courant et aux bruits
Alimentation
stabilisée
5 Volts
Capteur
passif
Impédance
de mesure
Vs
2.2.2 Le montage en pont :
Il est constitué d’un double potentiomètre avec
mesure différentielle de la tension.
La mesure est moins sensible aux dérives de la
source de tension ou de courant et aux bruits.
Suivant l’impédance du capteur on utilise les
montage suivants :
- Capteur résistif : Pont de Wheatstone
- Capteur inductif : Pont de Hay ou de Maxwell
- Capteur capacitif : Pont de Nerst ou de Sauty
Alimentation
stabilisée
5 Volts
2.2.3 Les oscillateurs :
Ils délivrent un signal dont la fréquence est modulée par le mesurande.
La conversion du signal sous forme numérique est réalisée grâce à un compteur, puisqu’il suffit de
mesurer la période du signal.
Il existe 2 types d’oscillateur :
- Les oscillateurs sinusoïdaux ;
- Les oscillateurs de relaxation .

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2.3 Conditionneur de signal
Fonction : Traiter le signal afin de permettre sa transmission dans de bonne condition de
puissance et d’immunité aux parasites électromagnétiques (bruits, champs magnétiques variables,
etc.).
Il comporte généralement une ou plusieurs fonctions suivantes :
- Mise en forme ;
- Amplification du signal de sortie ;
- Filtrage, correction, linéarisation ;
- Mise à l’échelle ;
- Mise à niveau du signal pour sa transmission à distance ;
- Conversion de la nature de la grandeur électrique afin d’augmenter l’immunité lors de sa
transmission; par exemple : conversion tension – fréquence.
2.4 Dispositif de mesure numérique
Fonction : Numériser le signal, c’est à dire donner une valeur numérique pertinente au signal
électrique.
Mesure de tension, échantillonnage de signal : Conversion Analogique – Numérique.
Mesure de période, de rapport cyclique : Compteur Numérique.
3. Types de capteurs
Les capteurs à grandeur de sortie électriques peuvent être classé en 3 grandes catégories :
- capteur analogique ;
- capteur numérique ;
- capteur logique.
3.1 Capteur analogique
Le signal élaboré par le capteur est de nature analogique. Il est généralement de bas niveau (signal
faible).
Signal de nature analogique : Le signal est lié au mesurande par une loi continue, parfois linéaire,
qui caractérise l’évolution des phénomènes physiques mesurés.
3.2 Capteur numérique
Le signal élaboré par le capteur, est directement codé sous une forme numérique au sein même du
capteur.
Le signal émis peut être :
- Absolu dans le cas où la transmission s’effectue en mode parallèle, c’est à dire que le
signal est codé numériquement sur plusieurs fils ;
- Incrémental dans le cas où la transmission s’effectue en mode série : Le signal codé en
numérique est transmis sur un seul fil, les bits du code étant transmis séquentiellement.
Dans ce cas, le signal se compose d’une série d’impulsions électriques qu’il est nécessaire de
compter pour retrouver la valeur mesurée.
Les capteurs numériques selon les cas portent en pratique les noms de :
- Codeur (absolu ou incrémental) ;
- Compteur.

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3.3 Capteur logique
Le signal ne comporte que 2 états ou valeurs possibles.
La transition correspond au franchissement d’un seuil de la part du mesurande.
Ces capteurs de type Tout Ou Rien (T.O.R.) portent le nom de détecteurs.
4. Caractéristiques métrologiques des chaînes de mesure
4.1 Étendue de mesure
Différence algébrique entre les valeurs que peut atteindre, et conserver la grandeur à mesurer
sans que les caractéristiques métrologiques du capteur soient modifiées.
Elle correspond souvent au domaine nominal d’utilisation.
Elle s’exprime dans l’unité du mesurande.
Dans la pratique elle est définie directement par ses valeurs limites.
4.2 Erreurs et incertitudes de mesure
Toute chaîne de mesure donne une valeur fausse
du mesurande.
Si l’on connaît les caractéristiques métrologiques
de la chaîne de mesure que l’on a utilisée pour
déterminer la valeur mesurée du mesurande, on
peut définir un intervalle qui encadre la valeur
mesurée dans lequel on est sûr qu’est compris la
valeur vraie du mesurande.
valeur vraie valeur mesurée
écart de
mesure
intervalle d'erreur
Valeur vraie : valeur estimée du mesurande qui a pu être déterminée grâce à une chaîne de mesure
10 fois plus précise que la chaîne de mesure que l’on cherche à évaluer.
Valeur mesurée : valeur du mesurande donnée par la chaîne de mesure que l’on cherche à évaluer.
Écart de mesure : Écart entre valeur vraie et valeur mesurée résulte en particulier des
imperfections de la chaîne de mesure, du montage du capteur ou de la méthodologie de mesure.
Écart de mesure = Valeur vraie du mesurande - Valeur mesurée
(erreur + incertitude)
Erreur de mesure : Elles ont des causes systématiques
- erreur sur la valeur d’une grandeur de référence (erreur sur le zéro) ;
- erreurs liées à l’étalonnage ;
- erreurs dues aux grandeurs d’influence (température) ;
- erreurs dues aux conditions d’alimentation ou du traitement électronique du signal (gain,
mise à l’échelle) ;
- erreurs dues au mode ou aux conditions d’utilisation (erreur de rapidité, de finesse) ;
- erreurs dans l’exploitation du signal de sortie (erreur de linéarité).