ACQUISITION D`UNE GRANDEUR PHYSIQUE ( Capteurs )

Cours Thème I
ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE
( Capteurs )
2- Éléments de métrologie (d
Le mesurage :
C'est l'ensem
d'une grande
I- GÉNÉRALITÉS
Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs ...), on a
besoin de contrôler de nombreux paramètres physiques (température, force, position,
vitesse, luminosité, ...).
Le capteur est l'élément indispensable à la mesure de ces grandeurs physiques.
1- Définitions
Capteur : Un capteur est un organe de prélèvement d'information qui élabore à partir d'une
grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (très souvent
électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à
des fins de mesure ou de commande.
Energie
Grandeur
physique
Signal
électrique
Capteur
- température
- pression
- force
- ...
- signal logique (TOR)
- signal analogique
- signal numérique
Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.
Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
La mesure (x) : C'est l'évalua
de même nat
Exemple : 2
La grandeur (X) : Paramètre q
son transfert.
Exemple : pr
On effectue d
de certaines
phénomène p
L'incertitude (dx) : Le résultat
défini par un
(x, dx) et une
proviennent
Ainsi, on a :
Exemple : 3
Erreur absolue (e) : Résultat d
absolue s'exp
e=x-X
Exemple : U
Sensibilité : Variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d'entrée.
Exemple : Le capteur de température LM35 a une sensibilité de 10mV / °C.
Précision : Aptitude du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.
Rapidité : Temps de réaction du capteur. La rapidité est liée à la bande passante.
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Erreur relative (er) : Rapport d
erreur relativ
mesurée.
er = e/X ; er%
Exemple : U
distance réel
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na
d'une
ouvent
able à
2- Éléments de métrologie (définitions)
Le mesurage :
C'est l'ensemble des opérations ayant pour but de déterminer une valeur
d'une grandeur.
La mesure (x) : C'est l'évaluation d'une grandeur par comparaison avec une autre grandeur
de même nature prise pour unité.
Exemple : 2 mètres, 400 grammes, 6 secondes.
La grandeur (X) : Paramètre qui doit être contrôlé lors de l'élaboration d'un produit ou de
son transfert.
Exemple : pression, température, niveau.
On effectue des mesures pour connaître la valeur instantanée et l'évolution
de certaines grandeurs. Renseignements sur l'état et l'évolution d'un
phénomène physique, chimique, industriel.
L'incertitude (dx) : Le résultat de la mesure x d'une grandeur X n'est pas complètement
défini par un seul nombre. Il faut au moins la caractériser par un couple
(x, dx) et une unité de mesure. dx est l'incertitude sur x. Les incertitudes
proviennent des différentes erreurs liées à la mesure.
Ainsi, on a : x-dx < X < x+dx
Exemple : 3 cm ±10%, ou 3 cm ± 3 mm.
Erreur absolue (e) : Résultat d'un mesurage moins la valeur vraie du mesurande. Une erreur
absolue s'exprime dans l'unité de la mesure.
e=x-X
Exemple : Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance.
.
C.
Erreur relative (er) : Rapport de l'erreur de mesure à une valeur vraie de mesurande. Une
erreur relative s'exprime généralement en pourcentage de la grandeur
mesurée.
er = e/X ; er% = 100 er
Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la
distance réelle).
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Thème 1 : LES CAPTEURS
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3- Les types d'erreurs classiques
4- Le système d'unités intern
Grand
Nom
!L'erreur de zéro (offset)
Longueur
Masse
Temps
Courant électriqu
Température
Quantité de mati
Intensité lumineu
!L'erreur d'échelle (gain)
C'est une erreur qui dépend de façon
linéaire de la grandeur mesurée.
Angle plan
Angle solide
Aire ou superfici
Volume
Fréquence
Vitesse
Force
Moment d'une fo
Tension - ddp
Force électromo
Résistance
Réactance
Impédance
Résistivité
Capacité
Permittivité
Perméabilité
Champ électriqu
Flux lumineux
Eclairement
Longueur d'onde
Quant. de rayonn
Vitesse angulaire
!L'erreur de linéarité
La caractéristique n'est pas une droite.
!L'erreur due au phénomène
d'hystérésis
Il y a phénomène d'hystérésis lorsque
le résultat de la mesure dépend de
la précédente mesure.
!L'erreur de quantification
La caractéristique est en escalier,
cette erreur est souvent due à une
numérisation du signal.
4.
du cahier
des
charges
de l'ensemble {Capteur
TS Eléments
IRIS ( Physique Appliquée
) Christian
BISSIERES
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+Conditionneur}
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Nous considérons l'ensemble capteur et conditionneur qui réalise
l'acquisition de l'information. La communication et le traitement de
l'information font l'objet d'un autre document.
L'analyse fonctionnelle du besoin pour la phase de vie utilisation est donnée
ci-dessous. Pour avoir le détail de l'explication des critères, il suffit de
cliquer sur le lien proposé dans les tableaux de caractérisation.
4.1. Diagramme pieuvre
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•
FS1 : l'ensemble {capteru+conditionneur} permet de transformer une
grandeur physique à mesurer en signel de mesure
•
FS2 : l'ensemble {capteru+conditionneur} est perturbé par des
grandeurs physiques
•
FS3 : l'ensemble {capteru+conditionneur} s'intègre dans un système
4.2. Caractérisation des fonctions de service
FS1 : l'ensemble {capteur+conditionneur} permet de transformer une
grandeur physique à mesurer en signel de mesure
Critères
Valeurs
Etendue de mesure
Mmini < m < Mmaxi
Domaine de linéarité Mlmini < ml < Mlmaxi ou % écart linéarité
Sensibilité statique et Statique
dynamique
Résolution et
X % en plein échelle
précision
Rapidité et temps de TR (5%) = t (s)
réponse
Ces critères sont détailles dans l'annexe Caractéristiques métrologiques d'un
capteur.
4.3. Caractérisation des Eléments du Milieu Extérieur
Système
Critères
Valeurs
Normes
normes européennes
commanditaires
Accord commerciaux
merché en cours n°19101
Coût erreur potentielle % erreur induit x € de pertes
de non précision
Ces critères sont détaillés dans l'annexe Conditions commerciales et
juridiques.
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Signal de mesure
Critères
Valeurs
Nature
Numérique/Analogique
Niveau
X
d'amplification
Technique de
Liaison radio, optonique...
transmission
Erreur de mesure
X%
Bruit
X
Fidélité et justesse erreur systématique X %
Finesse
perturbation dispositif de mesure X %
Ces critères sont détaillés dans les annexes Les conditionneurs et
Caractéristiques des mesures.
Grandeurs d'influence
Critères
Plage de température
Plage hygrométrique
Plage champs
magnétique
Courant
d'alimentation
Tension
d'alimentation
Fréquence
d'alimentation
Valeurs
Tmini < T < Tmaxi
%mini < %hygrométrie < %maxi
Bmini < B < Bmaxi
Ia (A)
Va (V)
Fa (Hz)
5 Structure fonctionnelle de la chaîne d'acquisition
La chaîne d’acquisition permet de transformer une grandeur à mesurer en
un signal électrique exploitable. La chaîne d'acquisition classique comporte
4 composants.
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5 caractéristiques d'une chaîne de mesure informatisée
7- Caractéristiques d'une chaîne de mesure informatisée
Grandeur physique
à mesurer
Grandeur
électrique
Capteur
Données
numériques
Grandeur
électrique
Circuit de
mise en forme
du signal
Domaine analogique
8- Classification des signau
Mémorisation
et affichage
des points de
mesures
Unité de
traitement
Informatique
(micro-ordinateur)
Carte
d'acquisition
( CAN )
Domaine numérique
La structure de base d'une chaîne de mesure comprend au minimum quatre étages :
!
Un capteur sensible aux variations d'une grandeur physique et qui, à partir de ces
variations, délivre un signal électrique.
!
Un conditionneur de signal dont le rôle principal est l'amplification du signal
délivré par le capteur pour lui donner un niveau compatible avec l'unité de
numérisation; cet étage peut parfois intégrer un filtre qui réduit les perturbations
présentes sur le signal.
!
Une unité de numérisation qui va échantillonner le signal à intervalles réguliers et
affecter un nombre (image de la tension) à chaque point d'échantillonnage.
!
L'unité de traitement informatique peut exploiter les mesures qui sont maintenant
une suite de nombres (enregistrement, affichage de courbes, traitements Mathématiques, transmissions des données …).
De nos jours, compte tenu des possibilités offertes par l'électronique et l'informatique, les
capteurs délivrent un signal électrique et la quasi-totalité des chaînes de mesure sont des
chaînes électroniques et informatiques.
Certains capteurs, par exemple le thermomètre DALLAS DS1621, délivrent directement un
mot binaire, image de la température, en leur sortie. Ils intègrent, dans un seul boîtier
(DIL 08) le capteur + le circuit de mise en forme + le CAN.
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Un signal est dit analogique si
prendre une infinité de valeur
! Signal continu : C'est un s
niveau.
! Forme : C'est la forme de
chromatographie, impact.
! Fréquentiel : C'est le spec
vocale, sonar, spectrograp
Un signal est dit numérique si
prendre qu'un nombre fini de
puissance de 2.
! Tout ou rien (TOR) : Il in
Exemple : une vanne ouv
! Train d'impulsion : Chaq
codeur incrémental donne
! Echantillonnage : C'est l'i
Exemple : température, d
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6 classification des signaux
8- Classification des signaux
risation
chage
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)
ue
s:
tir de ces
ignal
de
rbations
éguliers et
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aintenant
Mathé-
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ont des
ctement un
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Un signal est dit analogique si l'amplitude de la grandeur physique le réprésentant peut
prendre une infinité de valeurs dans un intervalle donné.
! Signal continu : C'est un signal qui varie 'lentement' dans le temps : température, débit,
niveau.
! Forme : C'est la forme de ce signal qui est importante : pression cardiaque,
chromatographie, impact.
! Fréquentiel : C'est le spectre fréquentiel qui transporte l'information désirée : analyse
vocale, sonar, spectrographie.
Un signal est dit numérique si l'amplitude de la grandeur physique le représentant ne peut
prendre qu'un nombre fini de valeurs. En général ce nombre fini de valeurs est une
puissance de 2.
! Tout ou rien (TOR) : Il informe sur l'état bivalent d'un système.
Exemple : une vanne ouverte ou fermée.
! Train d'impulsion : Chaque impulsion est l'image d'un changement d'état. Exemple : un
codeur incrémental donne un nombre fini et connu d'impulsion par tour.
! Echantillonnage : C'est l'image numérique d'un signal analogique.
Exemple : température, débit, niveau, son (pression)…
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Thème 1 : LES CAPTEURS
page 7/9
II
de capteurs FAMILLES DE CAPTEURS
II-familles
LES DIFFÉRENTES
Grandeur physique mesu
Si l'on s'intéresse aux phénomènes physiques mis en jeux dans les capteurs, on peut classer
ces derniers en deux catégories.
Température
1- Capteurs actifs
Flux de rayonnement opt
Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe sur
un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d'énergie
propre à la grandeur physique à prélever, énergie thermique, mécanique ou de rayonnement.
Force
Pression
Accélération
Les effets physique les plus classiques sont :
Vitesse
! 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 d'origine thermique e(T1,T2).
! Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux
dits piézo-électriques (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et
d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.
! Effet d'induction électromagnétique : La variation du flux d'induction magnétique
dans un circuit électrique induit une tension électrique (détection de passage d'un objet
métallique).
! Effet photo-électrique : La libération de charges électriques dans la matière sous
l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde
électromagnétique.
Position (Aimant)
Courant
2- Capteurs passifs
Il s'agit généralement d'impéd
grandeur mesurée. La variation
Soit d'une variation de dimensi
nombre de capteur de position,
armature mobile.
Soit d'une déformation résultan
(armature de condensateur sou
à une structure déformable).
! Effet Hall : Un champ magnétique B et un courant électrique I créent dans le matériau
une différence de potentiel UH .
Grandeur mesurée
Caract
électriq
Température
Résisti
! Effet photovoltaïque :Des électrons et des trous sont libérés au voisinage d'une
jonction PN illuminée, leur déplacement modifie la tension à ses bornes.
Très basse
température
Consta
Flux de rayonnement
Résisti
optique
Déformation
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Résisti
Perméa
Position (aimant)
Résisti
Humidité
Résisti
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rlasser
pe
r sur
nement.
nt.
ue
force
riaux
ettion et
que
n
et objet
s
tériau
Grandeur
physique
mesurée
Grandeur
physique
mesurée
Effet Effet
utiliséutilisé
Grandeur
de sortie
Grandeur
de sortie
Température
Température
Tension
Tension
Thermoélectricité
Thermoélectricité
Photo-émission
Photo-émission
Flux
de rayonnement
optique
photovoltaïque
Flux de
rayonnement
optique
Effet Effet
photovoltaïque
photo-électrique
Effet Effet
photo-électrique
Courant
Courant
Tension
Tension
Tension
Tension
ForceForce
Pression
Pression
Piézo-électricité
Piézo-électricité
Accélération
Accélération
Vitesse
Vitesse
Induction
électromagnétique
Tension
Induction
électromagnétique
Tension
Position
(Aimant)
Position
(Aimant)
Courant
Courant
Effet Effet
Hall Hall
Charge
électrique
Charge
électrique
Tension
Tension
2- Capteurs
passifs
2- Capteurs
passifs
Il s'agit
généralement
d'impédance
dontdes
l'unparamètres
des paramètres
déterminants
est sensible
Il s'agit
généralement
d'impédance
dont l'un
déterminants
est sensible
à la à la
grandeur
mesurée.
La
variation
d'impédance
résulte
:
grandeur mesurée. La variation d'impédance résulte :
Soit d'une
variation
de dimension
du capteur,
c'est
le principe
de fonctionnement
d'un grand
Soit d'une
variation
de dimension
du capteur,
c'est le
principe
de fonctionnement
d'un grand
nombre
de
capteur
de
position,
potentiomètre,
inductance
à
noyaux
mobile,
condensateur
à
nombre de capteur de position, potentiomètre, inductance à noyaux mobile, condensateur à
armature
mobile.
armature mobile.
Soit d'une
déformation
résultant
de force
de grandeur
s'y ramenant,
pression
accélération
Soit d'une
déformation
résultant
de force
ou deou
grandeur
s'y ramenant,
pression
accélération
(armature
de
condensateur
soumise
à
une
différence
de
pression,
jauge
d'extensomètre
(armature de condensateur soumise à une différence de pression, jauge d'extensomètre liée liée
une structure
déformable).
à uneàstructure
déformable).
Caractéristique
Grandeur
mesuréeCaractéristique
Grandeur
mesurée
électrique
sensible
électrique
sensible
Température
Résistivité
Température
Résistivité
de matériau
Type Type
de matériau
utiliséutilisé
Métaux
: platine,
nickel,
Métaux
: platine,
nickel,
cuivrecuivre
... ...
Très basse
Très basse
Constante
diélectriqueVerreVerre
Constante
diélectrique
température
température
Flux
de rayonnement
Flux de
rayonnement
Résistivité
Semi-conducteur
Résistivité
Semi-conducteur
optique
optique
Résistivité
Alliage
de Nickel,
silicium
Résistivité
Alliage
de Nickel,
silicium
dopé dopé
Déformation
Déformation
Perméabilité
magnétique
Alliage
ferromagnétique
Perméabilité
magnétique
Alliage
ferromagnétique
Matériaux
magnéto
résistants
: bismuth,
Matériaux
magnéto
résistants
: bismuth,
Position
(aimant) Résistivité
Résistivité
Position
(aimant)
antimoine
d'indium
antimoine d'indium
Humidité
Résistivité
Chlorure
de lithium
Humidité
Résistivité
Chlorure
de lithium
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