Diapositive 1 - CTN Electronique

CHAPITRE 1
Généralités sur la chaîne
d’acquisition des données et sur
Les capteurs
Plan
INTRODUCTION
LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES
GENERALITES SUR LES CAPTEURS
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES
CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT
CONCLUSION
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 (n’a qu’un sens).
Exemple : capteur de pression à jauges de contraintes
mesurande : pression
réponse : tension
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
-…
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
INTRODUCTION (4)
d. Objectif du cours :
Un scientifique doit "choisir le bon capteur pour une
application donnée".
La caractérisation des capteurs se fait à partir de
différents attributs (signes distinctifs).
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"
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
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
Conversion Analogique Numérique
- traitement des données
calculateur
LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (4)
d. Exemple de structure d’une chaîne :
LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (5)
e. Emplacement de la chaîne :
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.
GENERALITES SUR LES CAPTEURS (2)
Exemples de corps d’épreuve
Mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement
Corps d'épreuve : ressort
Force : Mesurande primaire
Elongation : Mesurande secondaire
Mesure d'une accélération à partir d'un capteur de force
Corps d'épreuve : masse sismique
accélération : Mesurande primaire
Force : Mesurande secondaire
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, ...)
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.
GENERALITES SUR LES CAPTEURS (5)
- capteurs actifs :
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.
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.
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.
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.
GENERALITES SUR LES CAPTEURS (10)
-effet Hall :
Un matériau parcouru par un courant I et soumis à une
induction B faisant un angle θ avec le courant fait
apparaître une tension vH
vH = KH . I . B . Sin θ
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.
GENERALITES SUR LES CAPTEURS (12)
- capteurs passifs :
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 [ρ], [μ],[ε])
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.
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (1)
a. Introduction :
rappel : chaque application envisagée implique un cahier
des charges. On choisit un capteur en fonction de
ses attributs ou caractéristiques métrologiques.
Ces caractéristiques font référence à des étalonnages
réalisés en laboratoire
Elles sont définies quand le régime statique est atteint
CARACTERISTIQUES 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
L'unité de l'E.M. est
généralement l'unité
du mesurande.
Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1
Domaine
Mesurande
Nominal
0-10 N (E.M)
Température
0°C à 60°C
CARACTERISTIQUES 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 :
CARACTERISTIQUES 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
Remarque : la sensibilité
d'un capteur linéaire est
constante.
CARACTERISTIQUES 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 δM est telle que : m = M ± δM
M
L'erreur relative de précision 
M max  M min
Erreur de précision = erreur de justesse + erreur de fidélité
CARACTERISTIQUES 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
CARACTERISTIQUES 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
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (8)
h. Illustrations de la fidélité et de la justesse :
CARACTERISTIQUES 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.
Unité : % de l'E.M.
Erreur relative de linéarité
ymax

ymax  y0
CARACTERISTIQUES 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.
Unité : Unité du mesurande
ou % de l'E.M.
CARACTERISTIQUES 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
CARACTERISTIQUES 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 :
CARACTERISTIQUES 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.
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (14)
n. Temps de réponse :
Le temps de réponse tr(ε) ou d'établissement à ε 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 ε.
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 → ∞
Y1  y (t )

Y1
pour
t  tr ( )
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (15)
Exemples de temps de réponse :
Signal d'entrée x(t)
Temps de réponse d'un
dispositif du 1er ordre
Temps de réponse d'un
dispositif du 2nd ordre
CARACTERISTIQUES 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.
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (17)
p. Incertitude apportée par un dispositif :
Relation théorique (nominal) entre Entrée x et Sortie y :
Gn et yon Gain nominal et décalage
nominal de zéro
Relation réelle entre Entrée x et Sortie y :
G et yo Gain réel et décalage réel de
zéro
Incertitude δy sur la grandeur de sortie du dispositif :
δy dépend de δG et δyo
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (18)
Les caractéristiques métrologiques permettent :
- de connaître Gn,
-d'estimer l'incertitude associée.
L'erreur associée à chaque dispositif est :
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (19)
-Erreur de gain :
La valeur réelle de G présente un écart maximum δG
par rapport à sa valeur nominale.
L'erreur de gain :
EGn entraîne sur la sortie y une incertitude maximale δyGn
Et on a :
CARACTERISTIQUES 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 :
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (21)
Si l'on ne tient pas compte de cette variation de gain, on
introduit une incertitude maximale sur l'amplitude de sortie :
EG(f)max est l'incertitude maximale sur la bande passante
Fh est la fréquence maximale du signal d'entrée
Une bande passante à ε près est définie comme l'intervalle
de fréquence où le variation relative du gain n'excède pas ε.
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (22)
Dispositif à réponse du 1er ordre
fc : fréquence de coupure à -3 dB
Pour un signal dont fh << fc , l'incertitude relative sur le gain est :
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (23)
Dispositif à réponse du 2nd ordre
f0 : fréquence propre des oscillations non amorties
ζ coefficient d'amortissement
Pour un signal dont fh << fc, l'incertitude relative sur le gain est :
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (24)
- Dérives
thermiques :
Les dispositifs constituant la chaîne de mesure peuvent
avoir des performances sensibles à la température
de fonctionnement.
Si à la température
nominale Tn, on a :
A la température T, on a :
Une variation δT entraine une erreur δyT
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (25)
- Dérive thermique du gain :
Pour une température maximal Tmax, l'incertitude liée à
la dérive thermique du gain est :
On pose:
αG est le coefficient de température du gain
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (26)
L'incertitude maximale est atteinte pour δTmax et xmax
L'incertiude relative maximale due à la dérive thermique
du gain
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (27)
- Dérive thermique du décalage à zéro :
L'incertitude maximale δyz(T) due à la dérive
thermique du décalage :
L'incertitude relative maximale s'écrit :
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (28)
Le constructeur fournie :
- soit la sensibilité thermique du décalage :
- soit la sensibilité thermique de l'incertitude :
CARACTERISTIQUES 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 :
où Ei sont les erreurs élémentaires décrites précédemment.
L'incertitude probable est :
Les incertitudes décrites ici sont relatives, l'incertitude sur la
grandeur de sortie est :
CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (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….
CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (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.
CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (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.
CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (4)
Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1
Domaine
Mesurande
Température
Nominal
Non-détérioration
non-destruction
0-10 N (E.M)
1,5 x E.M
3 x E.M
0°C à 60°C
-20°C à 100°C
-50°C à 120°
CONCLUSIONS
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