Métrologie : la mesure du signal

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1 Métrologie : la mesure du signal Jean-Marc Routoure L Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal.

2 Who is who? Maître de conférences à l université de Caen. Chercheur au GREYC (Groupe de Recherche en informatique, Image, Automatique et instrumentation de Caen), Equipe instrumentation. Unité Mixte CNRS de Recherche (UMR 6072). Travaux de recherche : bruit à basse fréquence dans différents composants : transistors MOS et bipolaires semi-conducteur, transistors en couches minces, couches minces de manganites (oxydes peroskites). Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 1

3 Notions abordés dans cet exposé Métrologie Histoire Organisation Vocabulaire Système international d unités chaîne de mesure Les élements d une chaîne de mesure Un exemple : l appareil photographique Capteur d éclairement : photodiode, capteur CCD Incertitude et bruit Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 2

4 Métrologie : histoire Première unités : utilisation du corps humain comme référence! Exemple : le yard : distance entre l index et le bout du nez du roi d angleterre : le bras tendu. 1 yard = 0,9144 mètres. Exemple de quelques unité de volume : la pinte le minot Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 3

5 Métrologie : histoire Naissance du système métrique : révolution française Le 26 Mars 1791 : définition du métre : la dix millionième partie du quart du méridien terrestre! Pb : il faut effectuer la mesure => Pierre-François MECHAIN ( ) et Jean-Baptiste DELAMBRE ( ). 7 ans de travaux! Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 4

6 Métrologie : histoire Résultat : définition d un mètre étalon réalisé dans une barre de platine/irridium par deux marques : la barre est placé dans la glace fondante pour limiter les effets de dillatation. Copie en marbre dans Paris pour habituer la population à cette nouvelle unité Une copie restante du mètre place -vendome : Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 5

7 Métrologie : histoire Le système métrique ( en 1795) : Multiplication par 10 pour le passage d un multiple à un sous-multiple et vice-versa. Définition du kilogramme : le poids d un mètre carré d eau pure! ( définition encore actuelle! ). Utilisation de l eau en raison de la facilité de se procurer de l eau et de la distiller. Dépôt des premiers étalons aux archives de la république en Signature de la convention du mètre en 1875 : début de l adoption du système métrique au niveau international + organisation international de la métrologie. Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 6

8 Plan de l exposé Métrologie Histoire Organisation nationale et internationale Vocabulaire Système international d unités chaîne de mesure Les élements d une chaîne de mesure Un exemple : l appareil photographique Capteur d éclairement : photodiode, capteur CCD incertitude et bruit Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 7

9 Métrologie : organisation internationale Organisation international : bureau international des poids et mesures (BIPM : Siège en France au pavillon de Bréteuil dans le parc de Saint Cloud Rôle : établir les étalons fondamentaux et les échelles pour la mesure des principales grandeurs physiques et de conserver les prototypes internationaux ; effectuer la comparaison des étalons nationaux et internationaux ; assurer la coordination des techniques de mesure correspondantes ; effectuer et coordonner les mesures des constantes physiques fondamentales qui interviennent dans les activités ci-dessus. Evolution du système international d unités lors des Conférence générale des poids et mesures (CGPM). Edition du document de référence sur le système international d unités : http :// brochure/ Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 8

10 Métrologie : organisation nationale Laboratoire national de métrologie et d essais (LNE http :// ) Depuis le 25 janvier 2005, le LNE est chargé de coordonner et d animer la métrologie française et de la représenter à l international. Il devient ainsi l homologue des plus grands instituts nationaux de métrologie (PTB, NPL, NIST). métrologie fondamentale : développer et maintenir des étalons nationaux de référence, reconnus à l international (exigence qualité des normes ISO 9000). métrologie à usage des industriels, des professionnels de la santé et de l environnement : prestations de services aux acteurs économiques en matière d étalonnage métrologie légale : le LNE est désigné par le ministère en charge de l industrie pour délivrer les certificats d examen de type des instruments de mesure mis sur le marché et réglementés par le décret français du 03 mai Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 9

11 Métrologie : tracabilté Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 10

13 Métrologie : vocabulaire Vocabulaire très précis défini par une norme : Mesurande : grandeur physique, soumise à mesurage Mesurage : ensemble des opérations ayant pour but de déterminer la valeur d une grandeur. Principe de mesure : base scientifique d un mesurage. Méthode de mesure : succession logique des opérations, décrites d une manière générique, mises en oeuvre lors de l exécution de mesurages. Résolution (d un dispositif afficheur) : la plus petite différence d indication d un dispositif afficheur qui peut être perçue de manière significative. Constance : aptitude d un instrument de mesure à conserver ses caractéristiques métrologiques au coups du temps. raisonnablement être attribuées au mesurande. Justesse (d un instrument de mesure) : aptitude d un instrument de mesure à donner des indications exemptes d erreur systématiques. Fidélité (d un instrument de mesure) : aptitude d un instrument de mesure à donner des indications très voisines lors de l application répétée du même mesurande dans les mêmes conditions de mesure. Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 12

14 Métrologie : vocabulaire Mesure : valeur d une grandeur par comparaison avec une autre grandeur de même nature et prise pour unité. Exactitude de mesure : étroitesse de l accord entre le résultat d un mesurage et la valeur vraie du mesurande. Incertitude de mesure : paramètre, associé au résultat d un mesurage, qui caractérise la dispersion des valeurs qui pourraient raisonnablement être attribuées au mesurande. Répétabilité (des résultats de mesurage) : étroitesse de l accord, entre les résultats des mesurages successifs du même mesurande, mesurages effectués dans la totalité des mêmes conditions de mesure. Reproductibilité (des résultats de mesurage) : étroitesse de l accord, entre les résultats des mesurages du même mesurande, mesurages effectués en faisant varier les conditions de mesure. Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 13

16 Métrologie : système international d unités la nécessité d une norme Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 15

17 Métrologie : système international d unités Unités de base Le mètre (symbole m) est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/ de seconde (17e CGPM(1983), Résolution 1), Le kilogramme (symbole kg) est l unité de masse ; il est égale à la masse du prototype international du kilogramme conservé à Paris (3e CGPM 1901), La seconde (symbole s) est l unité de temps. Elle est définit par la durée de périodes de la radiation correspondant à la transition entre les deux niveaux hyperfins de l état fondamental de l atome de Césium 133 (13e CGPM (1967)), L ampère (symbole A) est l unité de courant électrique. Il est définit comme l intensité d un courant constant qui, maintenu dans deux conducteurs parallèles, rectilignes, de longueur infinie, de section circulaire négligeable et placés à une distance de 1m l un de l autre dans le vide produirait entre ces deux conducteurs une force égale à newton par mètre de longueur. (9e CGPM(1948)). Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 16

18 Métrologie : système international d unités Unités de base le kelvin (symbole K) est l unité de température thermodynamique. Il est défini comme la fraction 1/273,16 de température thermodynamique du point triple de l eau(13e CGPM 1967). la mole (symbole mol) est la quantité de matière d un système contenant autant d entités élémentaires qu il y a d atomes dans 0.012Kg de carbone 12. La candela ( symbole cd ) est l unité d intensité lumineuse, dans une direction donnée, d une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence Hz et dont l intensité énergétique dans cette direction est 1/683 Watt par stéradian (16e CGPM 1979). Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 17

19 Métrologie : système international d unités Unités dérivées Grandeur dérivée Nom de l unité Symbole de l unité SI superficie mètre carré m 2 volume mètre cube m 3 vitesse mètre par seconde m/s concentration mole par mètre cube mol/m 3 Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 18

20 Métrologie : système international d unités Unités dérivées Grandeur dérivée Nom Symbole Expression Expression en en unité SI unité de base Fréquence hertz Hz s 1 Force newton N m kg s 2 Résistance électrique ohm Ω V/A m 2 kg s 3 A 2 Force électromotrice volt V m 2 kg s 3 A 1 Flux lumineux lumen lm cd sr cd m m 1 Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 19

21 Métrologie : système international d unités Multiple Multiplicateur Préfixe du nom de l unité Symbole yotta Y zetta Z exa E peta P téra T 10 9 giga G 10 6 méga M 10 3 kilo k 10 2 hecto h 10 1 déca da Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 20

22 Métrologie : système international d unités sous-multiple Sous-multiplicateur de l unité Nom Symbole 10 1 déci d 10 2 centi c 10 3 milli m 10 6 micro µ 10 9 nano n pico p femto f atto a zepto z yocto y Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 21

24 Chaîne de mesure : la modélisation utilisée Grandeur Physique Grandeur électrique Capteur Conditionneur lecture/commande/controle Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 23

26 Chaîne de mesure par l exemple : appareil photographique argentique et numérique Les différents principes d appareil. Reflex ou compact. Pourquoi mesurer la lumière : exposition : définition de la sensibilité d une pellicule? Type de capteur mis en oeuvre. pellicule photographique ou capteur numérique Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 25

27 Reflex Les différentes types d appareil argentique Compact Mesure TTL ( Through the lens) Mesure direct Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 26

28 Qu est ce que la sensibilité d un appareil photographique La sensibilité ISO est un terme de photographie. C est l unité de mesure de la sensibilité de la pellicule (en photographie argentique) ou du capteur (en photographie numérique). Plus sa valeur est élevée, plus la pellicule (ou le capteur) est sensible à la lumière. Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 27

29 Le fonctionnement d un appareil photographique : vitesse d obturation et diaphramme Controle de la quantité de lumière exposant la pellicule photographique de façon à ce placer au milieu de la courbe précédente pour un gris moyen Diaphragme (dans l objectif) Obturateur (durée de l exposition) f22/16/11/8/5.6/3.5 1s,1/2s,1/4s,1/8s,1/16s,1/30s,1/60s,1/125s,1/250s Que signifie le chiffre : Rapport entre la focale de l objectif et le diamètre du diaphragme : suite géométrique de raison 2=> Le flux de photons exposant la pellicule proportionnel à la surface ouverte, elle-même proportionnelle au (rayon) 2. Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 28

30 Les différentes méthologies dans la mesure de la lumière Cas de l appareil reflex : Pas d erreur : on mesure bien la lumière de l image photographié Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 29

31 Les différentes méthologies dans la mesure de la lumière Cas de l appareil compact : Exemple un peu ancien d une cellule célénium. L image photographié est différente de celle où s effectue la lumière Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 30

32 Affichage du résultat Viseur reflex Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 31

33 Plan de l exposé Métrologie Histoire Organisation nationale et internationale Vocabulaire Système international d unités chaîne de mesure Les élements d une chaîne de mesure Un exemple : l appareil photographique Capteur d éclairement : photodiode, capteur CCD, conditonneur associé Incertitude et bruit Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 32

34 Exemple de capteur utilisé dans un appareil photographique : la photodiode Détail d une fiche technique fournie par un fabricant de photodiode Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 33

35 Principe physique de fonctionnement d une photodiode Interaction photon-électron dans la zone de charge d espace d une diode PIN : Une petite animation pour illustrer les choses un photon donne une paire electrontrou cf physique des composants semiconducteurs Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 34

36 Exemple de conditionneur associé à une photodiode Necessité de polariser la diode => application d un champ inverse Necessité de convertir le courant en tension => Montage à amplificateur opérationnel I F proportionnel au flux lumineux I F = η φ V + = V = 0V V OUT = R F I F = η R F φ Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 35

37 Capteur CCD Un capteur CCD ou CMOS est basé sur le même principe : on associe un ensemble de photodiode en une matrice : Un Pixel Une matrice de pixels RGB Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 36

38 Capteur CCD : exposition et lecture Exposition Décalage 1 Décalage 2 Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 37

39 Plan de l exposé Métrologie Histoire Organisation nationale et internationale Vocabulaire Système international d unités chaîne de mesure Les élements d une chaîne de mesure Un exemple : l appareil photographique Capteur d éclairement : photodiode, capteur CCD Erreur, incertitude et bruit Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 38

40 Les erreurs de mesures dans l appareil photographique : sur-exposition et sous exposition sous exposition normal sur exposition Densité Densité Densité blanc blanc blanc noir noir noir Exposition Exposition Exposition Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 39

41 Bruit dans une image photographique Cas d une pellicule photographique : le grain Appareil numérique : bruit et traitement numérique pour son élimination Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 40

42 Chaîne de mesure : la notion d incertitude La mesure d une tension sinusoidale avec deux volmètres identiques : Le premier Le deuxième => Corrections à apporter à la mesure! Simplification en introduisant une incertitude indiquée par le constructeur de l appareil. Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 41

43 Comment exprimer l incertitude d un résultat? Source d erreur Résultat de mesure = nombre x unités +/- incertitude Exemple V =10,5V +/- 0,2V Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 42

44 Evaluation de l incertitude Cas du conditionneur de la photodiode V OUT = R F I F = η R F φ = f(η, R F,φ) Evaluation de l incertitude absolue V OUT = ( ) δf δη R F η + ( ) δf δr F η R F = R F φ η + η φ R F Evaluation de l incertittude relative V OUT V OUT = R F φ η + η φ R F η R F φ = η η + R F R F Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 43

45 Conclusions Téléchargement de la dernière version de ce document : plein écran http :// routoure/enseignement/capteur.pdf L2, parcours EEA,EIA : Enseignements sur les capteurs à l université de Caen : capteur et métrologie : cours, TD et mini-projet de réalisation d une chaîne de msure complète. M1 AEII et ESCI : électronique du signal. M1 ESCI : capteur M2 ESCI : principes physiques et mise en oeuvre des capteurs microsystèmes et capteurs semiconducteurs capteurs optiques Jean-Marc Routoure : GREYC : UMR 6072, université de Caen. Métrologie : la mesure du signal. 44