ACQUISITION D`UNE GRANDEUR PHYSIQUE ( Capteurs )

TS IRIS ( Physique Appliquée ) Christian BISSIERES http://cbissprof.free.fr Page 1 sur 12 Thème 1 : LES CAPTEURS
Cours Thème I
ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE
( Capteurs )
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.
Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.
Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
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.
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.
Erreur relative (e
r
) : Rapport de l'erreur de mesure à une valeur vraie de mesurande. Une
erreur relative s'exprime généralement en pourcentage de la grandeur
mesurée.
e
r
= e/X ; e
r%
= 100 e
r
Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la
distance réelle).
Capteur
Grandeur
physique
Signal
électrique
Energie
- température
- pression
- force
-
...
- signal logique (TOR)
- signal analogique
- signal numérique
capteurs généralités!page 1/9

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Cours Thème I
ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE
( Capteurs )
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.
Etendue de mesure : Valeurs extrêmes pouvant être mesurée par le capteur.
Résolution : Plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
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.
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.
Erreur relative (e
r
) : Rapport de l'erreur de mesure à une valeur vraie de mesurande. Une
erreur relative s'exprime généralement en pourcentage de la grandeur
mesurée.
e
r
= e/X ; e
r%
= 100 e
r
Exemple : Une erreur de 10 % sur une mesure de distance (10 % de la
distance réelle).
Capteur
Grandeur
physique
Signal
électrique
Energie
- température
- pression
- force
- ...
- signal logique (TOR)
- signal analogique
- signal numérique
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3- Les types d'erreurs classiques
!
!!!L'erreur de zéro (offset)
!
!!!L'erreur d'échelle (gain)
C'est une erreur qui dépend de façon
linéaire de la grandeur mesurée.
!
!!!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- Le système d'unités internationales et ses symboles
Grandeur Unité
Nom Symbole Nom Symbole
Unités de base
Longueur l mètre m
Masse m kilogramme Kg
Temps t seconde s
Courant électrique i ampère A
Température T kelvin K
Quantité de matière mole mol
Intensité lumineuse I candela cd
Unités complémentaires
Angle plan radian rad
Angle solide stéradian Sr
Unités dérivées
Aire ou superficie A, S mètre carré m
2
Volume V mètre cube m
3
Fréquence f hertz Hz
Vitesse v mètre par seconde m/s
Force F newton N
Moment d'une force T mètre-newton mN
Tension - ddp U volt V
Force électromotrice E volt V
Résistance R ohm !
Réactance X ohm !
Impédance Z ohm !
Résistivité ! ohm-mètre !.m
Capacité C farad F
Permittivité " farad par mètre F/m
Perméabilité µ henry par mètre H/m
Champ électrique E volt par mètre V/m
Flux lumineux lumen lm
Eclairement E lux lx
Longueur d'onde " mètre m
Quant. de rayonn. roentgen R
Vitesse angulaire # radian par seconde rad/s
4. Eléments du cahier des charges de l'ensemble {Capteur
+Conditionneur}
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
capteurs généralités!page 3/9

• 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
dynamique
Statique
Résolution et
précision
X % en plein échelle
Rapidité et temps de
réponse
TR (5%) = t (s)
Ces critères sont détailles dans l'annexe Caractéristiques métrologiques d'un
capteur.
4.3. Caractérisation des Eléments du Milieu Extérieur
Système
Critères
Valeurs
Normes
commanditaires
normes européennes
Accord commerciaux
merché en cours n°19101
Coût erreur potentielle
de non précision
% erreur induit x € de pertes
Ces critères sont détaillés dans l'annexe Conditions commerciales et
juridiques.
capteurs généralités!page 4/9

Signal de mesure
Critères
Valeurs
Nature
Numérique/Analogique
Niveau
d'amplification
X
Technique de
transmission
Liaison radio, optonique...
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
Valeurs
Plage de température
Tmini < T < Tmaxi
Plage hygrométrique
%mini < %hygrométrie < %maxi
Plage champs
magnétique
Bmini < B < Bmaxi
Courant
d'alimentation
Ia (A)
Tension
d'alimentation
Va (V)
Fréquence
d'alimentation
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.
capteurs généralités!page 5/9