Instrumentations et Capteurs

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1 Instrumentations et Capteurs par Vincent Choqueuse IUT de Brest contact: Plan de la présentation - Capteurs Contexte Définitions Classification 2 Caractéristiques Métrologiques Étendue de mesure Étalonnage Linéarité Rapidité 3 Les erreurs de mesures Les erreurs systématiques Les erreurs accidentelles 4 Les capteurs intelligents CAN Organe de Calcul Exemples 5 Conclusion 6 Bibliographie Présentation IUT de Brest Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 2/36 Capteurs - Contexte Capteurs - Contexte Contexte : Les systèmes utilisés dans l industrie, dans le domaine des transports ou de l énergie sont de plus en plus complexes. Exemples : Problématique : Pour maintenir un niveau de sécurité élevé, il est nécessaire de surveiller certaines grandeurs physiques du système. Méthodologie : Pour surveiller ces grandeurs, nous utilisons des capteurs (les yeux et les oreilles du système). (a) Grandeurs Physiques : Vitesse, Angle d incidence, Altitude, Pression hydraulique,... (b) Système SATRAP du porte-avions CDG : girouette, anémomètre,... Figure: Des systèmes de plus en plus complexes impliquant un grand nombre de capteurs. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 3/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 4/36

2 Capteurs - Définitions Capteurs - Classification Définition : La grandeur physique objet de la mesure est défini comme le mesurande, x. Définition : Le capteur est le dispositif qui soumis à l action d un mesurande non électrique produit une caractéristique électrique. où y désigne la réponse du capteur x t t 2 t 3 Mesurande t y = f(x) () Capteur y t t 2 t 3 Réponse du capteur Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 5/36 t Classification : La relation y = f(x) résulte des lois physiques qui régissent le fonctionnement du capteur. Nous pouvons alors classer l ensemble des capteurs en deux grandes catégories : Les capteurs actifs : Le phénomène physique effectue directement la transformation du mesurande en une grandeur de sortie électrique. Le capteur se comporte comme un générateur électrique. Les capteurs passifs : Ces capteurs exploitent l influence du mesurande sur un paramètre électrique. Le capteur se présente comme une impédance. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 6/36 Capteurs - Classification Capteurs - Classification Les capteurs actifs : Le capteur se présente, vu de sa sortie, comme un générateur. Un capteur actif est généralement basé sur un effet physique qui assure la conversion de la forme d énergie propre au mesurande en énergie électrique. Mesurande Capteur Figure: Synoptique d un capteur actif Grandeur électrique Les capteurs actifs : Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Flux de Pyroélectricité Charge rayonnement Photoémission Courant optique Effet photovoltaïque Tension Effet photoélectromagnétique Tension Force Pression Accélération Piézoélectricité Charge Pression Accélération Vitesse Induction électromagnétique Tension Position (aimant) Effet Hall Tension Table: Capteurs actifs : principes physiques de base [Asc]. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 7/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 8/36

3 Capteurs - Classification Capteurs - Classification Les capteurs passifs : Le capteur se présente, vu de sa sortie, comme une impédance. le mesurande influe alors sur une caractéristique électrique sensible comme : la résistivité, la constante diélectrique, la perméabilité magnétique L impédance d un capteur passif et ses variations ne sont mesurables qu en intégrant le capteur dans un circuit électrique : le conditionneur. Mesurande Capteur Conditionneur de signal Figure: Synoptique d un capteur passif Grandeur électrique Les capteurs passifs : Mesurande Caractéristique électrique Type de matériaux utilisés sensible Température Résistivité Métaux : platine, nickel, cuivre, semi-conducteurs. Très Basse Température Constante diélectrique Verre. Flux de rayonnement optique Résistivité Semi-conducteurs. Déformation Résistivité Alliages de nickel, silicium dopé. Perméabilité magnétique Alliages ferromagnétiques. Position (aimant) Résistivité Matériaux magneto-resistants Humidité Résistivité Chlorure de lithium Constante diélectrique Alumine, polymères. Niveau Constante diélectrique Liquides isolants. Table: Capteurs passifs : principes physiques et matériaux [Asc]. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 9/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, /36 Caractéristiques Métrologiques - Contexte : Un capteur est le premier élément d une chaîne de mesure. Le reste de la chaîne (traitement, analyse) est tributaire de la qualité de l information apportée par le capteur. Pour une application donnée, il est important de vérifier la concordance entre le cahier des charges et les caractéristiques du capteur. Un capteur de mauvaise qualité risque de rendre l application difficile voir impossible, Un capteur de trop bonne qualité risque d avoir un impact important sur le coût du matériel. Comment définir la qualité d un capteur? Caractéristiques Métrologiques - Étendue de mesure Étendue de mesure : L EM correspond à la différence des valeurs extrêmes de la plage de mesurande dans laquelle le fonctionnement du capteur satisfait des spécifications données. Exemple : Capteur de température. - Valeur maximale : x max = 6 o C, - Valeur minimale : x min = o C, - EM = x max x min = 6 o C. Exemple de limites d emploi Domaine Mesurande Température Nominal E.M o C à 6 o C Non-détérioration.5 E.M 2 o C à o C Non-destruction 3 E.M 5 o C à 2 o C Table: Exemple de capteur de température [Asc] E.M 6 o o valeur maximale de non détérioration Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, /36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 2/36

4 Caractéristiques Métrologiques - Étalonnage Définition : Le principe de l étalonnage consiste à établir la relation y = f(x), pour l appareil de mesure étudié, liant les valeurs fournies par l appareil aux valeurs connues du mesurande x. Les valeurs connues du mesurande sont souvent obtenues au moyen d étalons ou de dispositifs équivalents. Pour des raisons de facilités d exploitation, un capteur doit présenter une relation linéaire entre la mesurande et la grandeur de sortie. Définition : Un capteur est dit linéaire dans une plage déterminée si sa courbe d étalonnage est une droite dans cette même plage y = S x grandeur de sortie: y grandeur de sortie: y grandeur de sortie: y 2 y x mesurande: x mesurande: x mesurande: x Figure: Courbe d étalonnage Figure: Courbe d étalonnage : capteur non-linéaire Figure: Courbe d étalonnage : capteur linéaire dans une plage. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 3/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 4/36 Définition : Lorsque le capteur est linéaire dans une plage, la relation entre l entrée x et la sortie y sont donnée par où S correspond à la sensibilité du capteur. y = f(x) = Sx + b (2) Remarque : Idéalement la sensibilité S doit dépendre aussi peu que possible : de la valeur de x (linéarité), du temps (vieillissement), de l action d autres grandeurs physiques (grandeurs d influence). Exemples : influence de la température, la pression, l accélération, les vibrations, l humidité, les champs magnétiques,... Calcul de la sensibilité En pratique, l étalonnage du capteur fournit à l expérimentateur un nombre de couples (x n, y n ). Même pour un capteur linéaire, ces points ne sont pas tous placés sur une droite. grandeur de sortie : y mesurande : x Figure: Etalonnage - points associés. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 5/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 6/36

5 Calcul de la sensibilité : Régression linéaire Il existe une solution analytique Ŝ = Na 2 a a 2 Na a 2 b = a 2.a a a 2 Na a 2 où a = x n, a 2 = y n, a = x 2 n et a 2 = x n y n. N ( ) 2 J(S, b) = y n (Sx n + b) (3) } {{ } n= modele (4) (5) grandeur de sortie : y mesurande : x Figure: Étalonnage - points associés. Calcul de la sensibilité : Exemple x n y n La solution analytique donne : ŝ =.99 b =.49 grandeur de sortie : y mesurande : x Attention à bien travailler dans la plage linéaire! Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 7/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 8/36 Écart de linéarité : En pratique, la courbe d étalonnage sera rarement parfaitement linéaire. Soit l écart ɛ n = y n (Ŝx n + b) (6) Pour quantifier les écarts, nous utilisons l écart de linéarité : = max ɛ n (7) n Écart de linéarité : Exemple x n y n Ŝx n + b ɛ n Application : =.7 grandeur de sortie : y l mesurande : x Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 9/36 Figure: Etalonnage - régression. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 2/36

6 Caractéristiques Métrologiques - Rapidité Rapidité : Le capteur ne permet pas une mesure instantanée du mesurande. La rapidité est la spécification d un capteur qui permet d apprécier de quelle façon la grandeur de sortie suit dans le temps les variations du mesurande. Grandeur de sortie: y(t) temps: t Grandeur de sortie: y(t) temps: t Figure: Système relativement lent. Figure: Système relativement rapide. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 2/36 Caractéristiques Métrologiques - Rapidité Temps de réponse : Le temps de réponse, t r (5%), correspond à l intervalle de temps qui s écoule après une variation brusque du mesurande jusqu à ce que la variation de la sortie du capteur ne diffère plus de sa valeur finale d un écart supérieur à ±5%. Remarque : La plupart des systèmes physiques peut se modéliser par une équation différentielle à coefficients constants du premier ou second ordre. Analyse du temps de réponse pour les systèmes de premier et second ordre. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 22/36 Caractéristiques Métrologiques - Rapidité Temps de réponse : Système de premier ordre. y(t) + τ dy(t) = Kx(t) (8) dt où τ désigne la constante de temps. Pour un système de premier ordre, t r (5%) = 3τ. sortie: s(t).5.95ke KE e(t) = u(t) s(t) Caractéristiques Métrologiques - Rapidité Temps de réponse : Système de second ordre. y(t) + 2m dy(t) + d 2 y(t) = Kx(t) ω n dt ω 2 n dt 2 (9) où m est le facteur d amortissement et ω n la pulsation propre. sortie: s(t).5 KE.5KE.95KE D e(t) = Eu(t) s(t) 3τ temps: t Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 23/36 Figure: Réponse indicielle d un ier ordre (E =, τ = 2) t r temps: t Figure: Réponse indicielle d un 2nd ordre (E =, m =.5, ω n = rad/s). Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 24/36

7 Les erreurs de mesures - Problématique : En pratique, une mesure peut être éloignée de la valeur attendue. deux mesures réalisées pour une même valeur du mesurande peuvent être différentes. Ces différences sont liées aux erreurs de mesures. 3 Valeur attendue 3 Valeur attendue Les erreurs de mesures - Classification : Les erreurs sont classés en deux catégories : Les erreurs systématiques : Décalage constant entre la moyenne des mesures et la valeur attendue. Les erreurs accidentelles : Décalage de nature aléatoire entre les mesures. Erreur systématique 2 2 Erreur accidentelle Valeur attendue 5 5 y n Figure: Capteur : Histogramme des y n Figure: Capteur2 : Histogramme des mesures. mesures. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 25/36 Valeur moyenne m y y Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 26/36 Les erreurs de mesures - Les erreurs systématiques Les erreurs systématiques : La valeur moyenne des valeurs mesurées, m y, est différente de la valeur attendue, y : ɛs 2 = y N 2 ŷ n N = (y m y ) 2 () n= Les erreurs de mesures - Les erreurs accidentelles Les erreurs accidentelles : Les valeurs mesurées s écartent significativement de leur valeur moyenne, m y, c-a-d : σ 2 = N N ) 2 (ŷn m y () n= Origines des erreurs systématiques : erreurs sur les caractéristiques du capteur (sensibilité), erreurs dues aux conditions d emploi (erreur de rapidité, erreur de discrétion), erreurs sur la valeur d une grandeur de référence,... Figure: Interprétation de l erreur. Origines des erreurs accidentelles : erreurs liées aux indéterminations intrinsèques des caractéristiques instrumentales, erreurs provoquées par des signaux parasites, erreurs dues à des grandeurs d influence,... Figure: Interprétation de l erreur. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 27/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 28/36

8 Les erreurs de mesures - Les erreurs accidentelles Définitions : Justesse : un capteur juste est un capteur présentant des erreurs systématiques faibles, Fidélité : un capteur fidèle est un capteur présentant des erreurs accidentelles faibles, Précision : un capteur précis est un capteur à la fois fidèle et juste. Figure: Capteur fidèle mais non juste. Figure: Capteur juste mais non fidèle. Figure: Capteur juste et fidèle. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 29/36 Les capteurs intelligents - Contexte : La mode est au "Smart"...et le monde des capteurs n échappe pas à la règle (smart sensors). Capteur Fonctionnalités : CAN Organe de calcul Réseau Organe décisionnel embarqué, Possibilité de communication bidirectionnelle. Interface communication Le capteur intelligent traite l information, prend des décisions et communique avec son environnement. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 3/36 Bus Les capteurs intelligents - CAN Convertisseur Analogique/Numérique : Permet de convertir un signal électrique continu en un signal échantillonné. y[n] = y(t) t= n Fe F e : Fréquence d échantillonnage (Hz). T e = F e, n =,, 2, (2) y(t) y[n] temps : t Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 3/36 Les capteurs intelligents - CAN Condition de Shannon : Pour échantillonner le signal convenablement (sans perte d information), f max : Fréquence maximale du signal (Hz) Figure: Condition respectée F e 2f max (3) Figure: Condition non respectée : Présence d aliasing. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 32/36

9 Les capteurs intelligents - Organe de Calcul Les capteurs intelligents - Exemples Organe de calcul : Permet d ajouter de l intelligence au capteur. Autoadaptabilité : Capacité du capteur intelligent à s adapter au signal mesuré (modification gain, filtrage,...). Autodiagnostic : Capacité du capteur à critiquer ses mesures. Correction des mesures : Capacité du capteur à corriger des valeurs mesurées (à partir d informations d autres capteurs par exemple). Estimation de certains paramètres du signal,... Application au Smart Grid : Utilisation de capteurs intelligents capables de transmettre, de manière synchronisée, des informations sur l état du réseau électrique. L intégration de ces fonctionnalités nécessite de bonnes bases en traitement du signal, théorie de l estimation et théorie de la détection. Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 33/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 34/36 Conclusion - Bibliographie - Les capteurs, pièces centrales des nouvelles technologies! Big Data Capteurs Internet of Things Georges Asch. Les capteurs en instrumentation industrielle-7ème édition. Dunod, 2. Industrie 4. Smart Grid Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 35/36 Vincent Choqueuse, IUT de Brest,,contact: vincent.choqueuse@univ-brest.fr, 36/36