LA CHAINE D ACQUISITION

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1 I Définitions: LA CHAINE D ACQUISITION Capteur: le capteur est le premier élément de la chaîne de mesure. Elément d un appareil mesureur servant à la prise d informations relatives à la grandeur à mesurer. Transducteur: élément qui sert à transformer suivant une loi déterminée la grandeur mesurée. Transmetteur: élément transmettant un signal (généralement l association capteur/transducteur). Boucle de régulation: ensemble des éléments utilisés pour l asservissement à une grandeur de consigne. Une boucle de régulation peut utiliser des techniques analogiques (grandeurs continues, pneumatiques ou électriques) ou numériques (grandeurs discontinus, électriques). Chaîne de mesure: suite d éléments tranducteurs et d organes de liaison d un instrument de mesure allant du capteur au dispositif indicateur, de stockage ou de traitement qui en est le dernier élément. Instrument de mesure: ensemble de moyens techniques destinés à matérialiser la mesure. Tranformation directe: variables physiques directement traduites en variables électriques. On parle de capteur actif. Le capteur actif agit comme un générateur de tension ou de courant (ou de charges électriques). Transformation indirecte: variables physiques indirectement traduites en variables électriques. On parle de capteur passif. Ce type de capteur est forcément associé à un conditionneur de signal assurant la traduction du mesurande secondaire physique en un mesurande électrique. Le capteur passif agit comme une impédance dont l un des paramètres varie. Capteur intelligent: capteur intégrant les fonctions d acquisition, de mémorisation et de communication par bus standard. Capteur intégré: capteur intégrant la fonction d acquisition mais également la fonction de conditionnement du signal. Corps d épreuve: dispositif qui soumis au mesurande primaire physique assure une traduction en un mesurande secondaire également de type physique. Capteur composite: association du corps d épreuve et du capteur passif (ou actif). Grandeurs d influence: grandeurs physiques autres que le mesurande primaire dont les variations sont susceptibles d entraîner une modification du signal électrique. II Terminologie des capteurs: Etendue de mesure: différence algébrique entre les valeurs extrêmes pouvant être prises par la grandeur à mesurer sans que les valeurs soient entachées d une erreur supérieure à l erreur maximale tolérée. Portée minimale, portée maximale: valeurs de la grandeur à mesurer correspondant aux limites minimale et maximale de l étendue de mesure. Zéro: valeur prise comme origine de l information. (valeur de l information de sortie pour une valeur nulle ou maximale de la grandeur d entrée ou valeur de l information de sortie pour la portée minimale ou maximale). Caractéristique du dispositif de mesure: précision et linéarité du dispositif de mesure. Domaine nominal d emploi: valeurs limites que peuvent atteindre la grandeur à mesurer et les grandeurs d influence sans que les caractéristiques du capteur soient modifiées.

2 Domaine de non-détérioration: valeurs limites que peuvent atteindre la grandeur à mesurer et les grandeurs d influence sans que les caractéristiques du capteur soient altérées après retour dans le domaine nominal d emploi. Domaine de non-destruction: valeurs limites que peuvent atteindre la grandeur à mesurer et les grandeurs d influence sans qu il y ait destruction du capteur. Lors du retour dans le domaine nominal d emploi, les caractéristiques du capteur sont modifiées. Dérive: déplacement lent et progressif du zéro ou plus généralament de l indication au cours du temps. Cette dérive est généralement fonction d une ou de plusieurs grandeurs d influence. Sensibilité: quotient de la variation de la grandeur de sortie par la variation de la grandeur d entrée. Loi de conformité: courbe liant la grandeur d entrée à la grandeur de sortie. (courbe d étalonnage) Etalonnage: ensemble des opérations qui permettent d expliciter sous forme graphique ou algébrique la relation entre la grandeur d entrée et la grandeur de sortie du capteur. On peut distinguer l étalonnage simple (pas de grandeurs d influence) se faisant par étalonnage direct (absolu) ou indirect (par comparaison) de l étalonnage multiple (grandeurs d influence fixées) Précision: qualité qui caractérise l aptitude d un capteur à donner des indications proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée. La précision est également nommée parfois exactitude. Erreur fortuite (ou accidentelle): erreur dont l amplitude et le signe est aléatoire. Elle peut être due à - une erreur liées aux indéterminations intrinséques des caractéristiques instrumentales. (erreur de mobilité, erreur d hystérésis). - une erreur liée à la présence de parasites (diaphonie, bruit) - une erreur liée aux grandeurs d influence. Fidélité: aptitudes d un capteur à donner des indications qui ne sont pas entachées d erreurs fortuites. Erreur systématique: erreur constante ou à variation lente par rapport à la durée de la mesure. Cette erreur peut être due à - une erreur sur la valeur d une grandeur de référence. - une erreur sur la loi de conformité du catpeur. - une erreur due aux conditions d emploi. - une erreur dans l exploitation des données brutes de mesure. Justesse: aptitutde d un capteur à donner des indications qui ne sont pas entachées d erreurs systématiques. Mobilité: aptitude d un capteur à réagir aux petites variations de la grandeur mesurée. Réversibilité: aptitude d un capteur à donner la même indication que une valeur fixée du mesurande primaire soit atteinte par valeur croissante ou décroissante. Finesse: aptitude d un capteur à donner la valeur de la grandeur à mesurer sans modifier celle-ci par sa présence. Reproductibilité: étroitesse de l accord entre différentes mesures d un même mesurande primaire par différentes méthodes de mesure et par différents observateurs. Répétabilité: étroitesse de l accord entre différentes mesures d un même mesurande primaire par la même méthode de mesure et par le même observateur. Interchangeabilité: aptitude d un capteur à se substituer à un autre capteur sans altérer pour autant les performances de la chaîne de mesure. III Tranformations «classiques» indirectes

3 IV capteurs de grandeurs physiques ou mécaniques: 1 ) Capteurs de forces et de pesage La notation utilisée est F: force à mesurer J: jauge de contrainte (jauge se déformant en fonction de la force F) Les capteurs présentés ci-dessous sont des capteurs extensiométriques.

4 La force est définie par la loi fondamentale F = M.a avec a: accélération.. Le principe de la mesure d une force inconnue revient à équilibrer cette force inconnue par une force antogoniste (opposée de même amplitude). Un capteur dynamométrique (capteur de force) est constitué d un corps d épreuve soumis à la force F inconnue et subissant de ce fait une déformation. Dans le domaine élastique, d apès la loi de Hooke, il y a proportionnalité entre la déformation et la force. La déformation est mesurée à l aide de jauges extensiométriques (capteurs de déplacement) ou indirectement par un matériau piézoélectrique ou magnétostrictif. Le phénomène de piézo-électricité consiste en l apparition ou la variation d une polarisation électrique dans certains diélectriques (quartz en particulier) lorsqu ils sont déformés. Remarque; l effet piézoélectrique est réversible donc une variation de polarisation entraîne une déformation. Ces lois de la piézoélectricité ont été mis en évidence par Curie et Lippmann. Les capteurs à magnétostriction (capteur de force à inductance mutuelle) sont des capteurs utilisant des substances ferromagnétiques qui soumises à une modification de contrainte ont leur courbe d aimantation qui varie. (exemple: le Nickel). L effet magnétostritif est également réversible.

5 Le capteur à jauge d extensiométrie utilise les variations de résistances de jauges (jauge en silicium) dues à des variations de déformations. Ces capteurs extensiométriques sont associés à un conditionneur de signal de type pont de Wheatstone représenté ci-dessous. 2 ) les capteurs de niveau

6 - flotteur Capteur de position flotteur Un flotteur se maintient à la surface du liquide. Par un système d axe et de poulie, un capteur de position (potentiomètre circulaire ou roue codée) permet de délivrer un signal électrique image du niveau du flotteur. - plongeur Dynamomètre (capteur de force) Le plongeur de hauteur au moins égale à la hauteur maximale d eau dans le réservoir agit sur le capteur dynamométrique. La force appliquée est image du niveau. - système déprimogène à membrane air La membrane est soumise à une différence de pression. (Peau - Patm) Cette différence de pression est image du niveau. eau membrane D autres types de capteurs existent telles que capteurs conductimétriques (plus il y d eau, plus le milieu est conducteur) ou capacitif (plus il y a d eau, plus le diélectrique du condensateur a une permittivité faible donc plus le condensateur a une capacitance faible). La mesure de niveau se fait de plus en plus classiquement par capteur par ultra-sons. Le principe de base est de mesurer le temps d aller et retour d une onde émise et reçue par le capteur. Ce temps est image de la distance séparant le capteur du niveau. Le capteur est évidemment placée au dessus de la surface libre sauf si ses possibilités d étanchéïté lui permettent d être immergé (peu classique et relativement onéreux). 3 ) Les capteurs optiques: Les capteurs optiques permettent la traduction en signaux électriques de l information portée par de la lumière visible ou des rayonnements de longueurs voisines (infra-rouge et ultraviolet).

7 On utilise des cellules photoconductrices (exemple: Germanium) qui sont des capteurs résistifs dont la résistance varie en fonction du flux lumineux reçu par cette cellule. Schéma de principe d une cellule photoconductrice: On utilise également comme capteur optique les photodiodes ou phototransistors. Ces éléments permettent le passage d un courant inverse plus ou moins important suivant la valeur du flux lumineux les éclairant. On associe généralement ces capteurs à un montage conditionneur basé sur l utilisation d amplificateur opérationnel fonctionnant en mode linéaire. Cependant, ces capteurs sont davantage utilisés pour la détection que réellement comme capteur. 4 ) Les capteurs électrochimiques: Un capteur électrochimique est avant tout un conducteur électrique que l on implante au sein du milieu à étudier. Il s établit alors un transfert de charges entre les espèces chargées présentes (ions, électrons) et le capteur. Ce principe résulte des lois de Faraday. On utilise des capteurs potentiométriques (différence de potentiel entre deux électrodes dont l une de référence) qui permettent de connaître le potentiel d équilibre donc de connaître le rapport des concentrations et des réducteurs en accord avec la loi de Nernst et donc également de connaître le ph d une solution. (exemple: électrodes au Calomel). On utilise des capteurs de type ISFET (Ion sensitive field effect transistor). En effet d après les travaux réalisés par Bergveld vers 1970, il a été mis en évidence que la conduction d un MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) est sensible à la concentration en ions H+. Depuis ces travaux, les capteurs ISFET ont été largement améliorés et permettent maintenant la mesure d un grand nombre d ions qu ils soient de type cathions ou anions. On utilise des capteurs ampérométriques. La voltamétrie, ampérométrie ou polarographie est basée sur le principe de la mesure de courant traversant une cellule électrochimique en fixant la tension d électrolyse entre deux électrodes. Ce principe est utilisé pour les capteurs redox, à électrode à gaz (électrode à oxygène) et à électrodes enzymatiques (membrane sur laquelle est fixée un enzyme) En dernier lieu, on utilise également des capteurs conductimétriques. La concentration en ions dans une solution modifie la résistance d un barreau de platine par exemple. De cette modification, il en résulte la connaissance a priori univoque de la concentration si les grandeurs d influence sont inexistantes. Cependant dans le domaine des capteurs électrochimiques, la tendance est à l évolution «galopante». En effet, les connaissances biologiques (gènes) et physiques (en particulier physique quantique) laissent entrevoir une évolution pour le moins spectaculaire dans la (ou les) décennies à venir. 5 ) Les capteurs de pression Les capteurs de pression peuvent être vues comme des capteurs de force dans leur globalité puisqu une pression P appliquée sur un corps de surface S entraîne une force F=P.S

8 Il est à remarquer que ces capteurs de pression peuvent selon les informations du constructeur soit mesurer une pression différentielle (relative) ou une pression absolue. Les capteurs associés à un tube de Bourdon sont la plupart du temps des capteurs de pression visuel. Sinon, il est nécessaire de leur associer un circuit conditionneur de signal permettant de traduire la variation de la poutre sous la forme par exemple d une varation d impédance.

9 6 ) Les capteurs de couple Les capteurs de couple sont basés sur la mesure d un déphasage angulaire. Ce déphasage est image du couple. La détermination de la relation entre le déphasage et le couple est directement issue des équations de la mécanique classique. Exemple: pour un cylindre plein de rayon R de longueur L: 2. L. C avec G: module de rigidité (N.m-2) 4. R. G C :couple en N.m De la même façon, la valeur des résistances des jauges de contrainte est fonction de la déformation de ces jauges (donc du déphasage) et de ce fait du couple.

10 7 ) Les capteurs de proximité:

11 8 ) Les capteurs de débit a) écoulement à surface libre: La mesure de débit est réalisée par un appareil appelé déversoir. Le but du déversoir est de réaliser une élévation artificielle du niveau par mise en place d un obstacle dans un canal (conduction artificielle de fuide) Un exemple de déversoir rectangulaire est représenté ci-dessous. Vue de dessus Vue de profil h L P L: longueur du seuil déversant = largeur du canal P: pelle h: hauteur de lame obstacle (déversoir) Pour connaître le débit, il suffit de mettre en place un capteur de niveau (généralement par ultrasons) permettant de capter l altitude h. En effet, le débit est donné par l expression: Q lh 2 gh avec : constante du déversoir b) écoulements en charge

12 9 ) Les capteurs d humidité: On peut distinguer deux types de capteurs d humidité: - ceux qui reposent sur un principe physique permettant de déterminer directement l humidité; c est le cas des psychromètres (température humide) ou de l hygromètre à condensation (température de rosée). - ceux dont le principe est basé sur la mesure d une propriété d un corps lié à l humidité; c est le cas des hygromètres à variations d impédance (humidité relative). Avant de choisir un hygromètre, il est nécessaire de connaître le paramètre particulier que l ons souhaite mesurer afin d opter pour le capteur d humidité qui permettra sa détermination avec l incertitutde minimale (exemple: choisir un psychromètre pour la mesure de la température humide). L hygromètre électrolytique (ou capacitif) permet de mesurer de très faibles quantités de vapeur d eau contenue dans l air ou dans un gaz (ou dans des solides).

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14 10 ) Les capteurs de gaz:

15 11 ) Les capteurs de température:

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