CHAPITRE 1 Caractéristiques générales

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1 CHAPITRE 1 Caractéristiques générales

2 14 Plan de la leçon Définitions Etalonnage Caractéristiques statiques Au sujet de la précision Que peut-on mesurer? Eercice de synthèse Synthèse

3 CHAPITRE 1 Leçon 1 Définitions Concepts de base

4 1.1.1 Définitions (1) 16 Concept de base Un capteur convertit une grandeur physique, chimique, biologique ou autre en un signal électrique. p CAPTEUR s Xet X p influent tous les deu sur le capteurs. Cependant : X: grandeur mesurée (i.e. ce que l on souhaite mesurer) ; X p : grandeur perturbatrice (i.e. qui fait varier le signal de sortie mais que l on ne souhaite pas mesurer) ; S: signal électrique de sortie. Tension (V) Courant (A) Fréquence, f (Hz)

5 1.1.1 Définitions (2) 17 Courbe de réponse (1) En termes mathématiques, la réponse d un capteur c est : ( ) s = f, p La courbe de réponse, c est l epression graphique de cette fonction. s s i Pour X p = Cst Au besoin, pour chaque valeur de X p, on a une courbe de réponse différente! i

6 1.1.1 Définitions (3) 18 Courbe de réponse linéaire (1) En pratique, on souhaite que: l effet de X p soit négligeable ; la courbe de réponse soit linéaire. On va y revenir plus tard Les courbes de réponses sont-elles linéaires? Des fois, oui. La plupart du temps non. On va donc, quand c est possible, les linéariser. On va faire des approimations! Have no fear of perfection -you'll never reach it. On va aussi y revenir plus tard! Salvador Dali

7 1.1.1Définitions (4) 19 Courbe de réponse linéaire (2) Fonction linéaire En français En anglais s= a s= a+ b Pour le cours, linéaire signifie du premier ordre : s= a+ b On parle en effet de linéariser une fonction, pas d affiner une fonction.

8 1.1.1 Définitions (5) 20 Notions et définitions de base : Mesurande : grandeur physique que l on veut mesurer* *Selon la 3 ème définition du «Vocabulaire international de métrologie» (VIM) «Mesurande et grandeur mesurée sont bien deu notions différentes. Le mesurandeest ce que l on veut mesurer tandis que la grandeur mesurée est ce que l on peut mesurer.»* Attention : confusion possible avec ce terme car la deuième définition de Mesurande du VIM était la «grandeur mesurée». C est du passé, mais ça demeure à certains endroits. *

9 1.1.1 Définitions (6) 21 Transducteur Un transducteur, c est une partie interne d un capteur qui modifie une quantité physique (déplacement, énergie,...) en une seconde quantité physique. Transducteur 1 1 Transducteur 2 s Eemple : Pression Membrane Jauge de contrainte Tension électrique

10 1.1.1 Définitions (7) 22 Corps d épreuve Un corps d épreuve, c est une partie eterne à un capteur qui modifie une quantité physique en une autre. X Corps d épreuve X 1 CAPTEUR s Eemple(vieu projet industriel ESISAR de 98) : mesure de puissance Puissance Torsion Capteur Corps d épreuve Jauge de contrainte

11 1.1.1 Définitions (8) 23 Capteurs actifs 1 s Ce sont des générateurs : modifient directement l énergie physique à mesurer en énergie électrique. E. : thermocouples, capteurs piézo-électriques... Capteurs passifs 4 Circuit d ecitation s E. : jauges de contraintes, résistance de platine... Ce sont des impédances variables dont l un des paramètres est sensible au mesurande.

12 1.1.1Définitions (9) 24 Un capteur ne s utilise bien évidemment pas seul. On le place dans un circuit électronique. Le tout se nomme chaîne de mesure. Eemples types de chaîne de mesure, capteur actif Liaison numérique Capteur Interface A / D Ordinateur (CPU) Actuateur Capteur Interface Liaison analogique A / D Ordinateur (CPU) Actuateur

13 1.1.1Définitions (10) 25 Eemples types de chaîne de mesure, capteur passif Capteur Interface + ecitation A / D Liaison numérique Ordinateur (CPU) Actuateur Capteur Interface + ecitation Liaison analogique A / D Ordinateur (CPU) Actuateur Ces eemples ne sont pas ehaustifs.

14 1.1.1Définitions (11) 26 Actuateur Définition Un actuateur, c est un élément d un système qui convertit une énergie électrique en une énergie autre. C est donc un élément qui agit sur le système. C est, en quelque sorte, l inverse du capteur. Eemple : Moteur électrique, Résistance de chauffage, Piston, Electrovanne

15 1.1.2 Etalonnage (1) 27 Définition L étalonnage, c est de faire correspondre à la sortie électrique s. Cela revient à dire que l on trouve courbe de réponse du capteur. On parle aussi souvent de calibration pour désigner l étalonnage. En réalité, c est un anglicisme.

16 1.1.2 Etalonnage (2) 28 Réalisation de l étalonnage Méthode directe : on soumet le capteur à une valeur connue du mesurande que l on nomme étalon de mesure. Intérêt : très précis Inconvénient : souvent très difficile à mettre en œuvre coût élevé. Méthode indirecte : on utilise un capteur de référence et on soumet les deu au mêmes conditions de mesure, i.e. de préférence simultanément. Intérêt :beaucoup plus facile à mettre en œuvre Inconvénient :précision limitée par le capteur référence moins bonne précision qu avec la méthode directe.

17 1.1.2 Etalonnage (3) 29 Représentation graphique s Réponse linéaire 2 points ou + s Réponse non linéaire 3points ou + Réponse constructeur Ici, il n y a qu un seul paramètre d étalonnage: X. On parle d étalonnage simple.

18 Etalonnage (4) Etalonnage multiple On peut classer en trois catégories l étalonnage multiple Tenir compte de toutes les grandeurs d influence : Eemple : capteur de pression On établit une première courbe de réponse à T=T 1, une seconde à T = T 2... Tenir compte de propriétés des matériau soumis à la mesure : Eemple : capteur électromagnétique de niveau (Société Krohne) On donne la réponse du capteur pour tous les fluides rencontrés. Tenir compte de la succession des valeurs lors de l étalonnage Eemple : dans le cas d hystérésis et si l on désire une meilleure précision, on peut procéder à une calibration dans le sens positif et à une seconde dans le sens négatif.

19 Caractéristiques statiques (1) Sensibilité La sensibilité (notée m), c est la pente de la tangente de la courbe de réponse à la valeur i. s s i i m i = s = i

20 1.1.3 Caractéristiques statiques (2) 32 Résolution La résolution, c est le plus petit incrément de X (noté i ) qui provoque, au voisinage de i, une variation de sortie détectable. s s i s i Seuil i i Le seuil, c est la résolution à i = 0.

21 1.1.3 Caractéristiques statiques (3) 33 Etendue de mesure L étendue de mesure, c est la plage de X que peut mesurer un capteur. En anglais, on parle de «Span», de «Input Full Span (FS)» ou autres termes équivalents. s s ma s min min FS = ma min ma On a la même notion, mais pour le signal électrique de sortie, c est le : «Full scale output». FSO = s s ma min

22 1.1.3 Caractéristiques statiques (4) 34 Zones d utilisation d un capteur Etendue de mesure Zone de non-détérioration Zone de non-destruction s Plage de mesure eploitable Etalonnage correct, résultats non fiables, Résultats fiables à nouveau lorsque le capteur retourne dans l étendue de mesure Capteur encore bon, étalonnage à refaire Les constructeur ne mentionnent pas systématiquement toutes ces zones.

23 1.1.4 Au sujet de la précision (1) 35 Contete Dans un monde parfait, la réponse des capteurs serait parfaite, sans erreur et sans bruit. Ce n est pas le cas. Toute mesure est entachée : d une erreur ; de bruits. Si on répète une mesure plusieurs fois, on aura une distribution statistique des valeur obtenues. Très souvent, c est une distribution normale (ou gaussienne) que l on obtient. Donc se pose la question des caractéristiques de cette distribution. On y répond par les notions de : fidélité ; justesse ; précision.

24 1.1.4 Au sujet de la précision (2) 36 Fidélité d un capteur La fidélité, c est la qualité d un capteur pour lequel les incertitudes sont faibles. Fidèle Non fidèle Distribution Distribution

25 1.1.4 Au sujet de la précision (3) 37 Justesse d un capteur La justesse, c est la qualité d un capteur pour lequel la moyenne des mesures est proche de la valeur eacte (valeur vraie). Juste Non juste Distribution Distribution VRAI VRAI

26 1.1.4 Au sujet de la précision (4) 38 Précision d un capteur Un capteur sera considéré précis s il est fidèle et juste à la fois. Distribution = VRAI PRECIS Distribution = VRAI NON PRECIS Distribution VRAI

27 1.1.5 Que peut-on mesurer? (1) 39 Les grandeurs mesurables Le premier type de grandeurs physiques que l on peut mesurer, ce sont les grandeurs mesurables! Caractéristiques : relation d équivalence relation d ordre total (>, =, <,...) opérations : addition et multiplication Eemples Masse, Longueur, Angles, Temps (durée),...

28 1.1.5 Que peut-on mesurer? (2) 40 Les grandeurs repérables Le second type, ce sont les grandeurs repérables. La différence, c est que les opérations + et se sont plus valables Caractéristiques : relation d équivalence relation d ordre total (>, =, <,...) opérations : addition et multiplication Eemples Température, Concentration d une substance, Les échelles de dureté, En pratique, pour plusieurs grandeurs, ça ne change rien du point de vue capteur.

29 1.1.5 Que peut-on mesurer? (3) 41 Les indicateurs Certaines réalités ne se mesurent tout simplement pas, même si cela nous serait bien utile. C est le cas des «grandeurs» pour lesquelles toutes les caractéristiques précédentes ne sont plus vraies. Caractéristiques : relation d équivalence relation d ordre total (>, =, <,...) opérations : addition et multiplication Pollution de l air, de l eau Intelligence(Q.I.), Degré de fatigue, Ici, il faut ruser et mesurer des grandeurs mesurables ou repérables qui serviront à établir un indicateur de ce que l on voulait mesurer à l origine. Concrètement : allez voir les normes définies ou, si vous êtes le premier à vouloir faire cette mesure, soyez imaginatif!

30 1.1.6 Eercice de synthèse 42 Eercice collectif Quel est le mesurande? Y a-t-il une grandeur perturbatrice? Si oui laquelle? Donner l étendue de mesure du capteur (FS). Pouvez-vous estimer la zone de non-détérioration? Epliquer. Prenons un peu d avance sur la leçon 2: Quelle est la valeur de la non linéarité? Qu est que ça veut dire?

31 1.1.7 Synthèse de la leçon 1 43 o Connaître les concepts de : Grandeur mesurée et mesurande Grandeur perturbatrice Courbe de réponse Transducteur et corps d épreuve Actuateur Types de capteur : actif ou passif o Savoir et être capable de mettre en œuvre une opération d étalonnage Direct ou indirect Simple ou multiple o Comprendre les concepts de : fidélité, justesse et précision o Savoir si une grandeur est mesurable ou repérable ou s il faut utiliser des indicateurs.