CHAPITRE 1. Généralités sur la chaîne d acquisition des données et sur les capteurs. Gwenaëlle TOULMINET asi

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1 CHAPITRE 1 Généralités sur la chaîne d acquisition des données et sur les capteurs

2 PLAN INTRODUCTION LA CHAINE D'ACQUISITION DES DONNEES GENERALITES SUR LES CAPTEURS CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT CONCLUSION

3 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. Exemple : capteur de pression à jauges de contraintes mesurande : pression réponse : tension

4 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 -

5 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

6 INTRODUCTION (4) d. Objectif du cours : Un ingénieur doit "choisir le bon capteur pour une application donnée". La caractérisation des capteurs se fait à partir de différents attributs.! Pas de normes et le "data sheet" reste un document commercial.

7 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"

8 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

9 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 CAN - traitement des données calculateur

10 LA CHAINE D ACQUISITION DES DONNEES (4) d. Exemple de structure d une chaîne : Capteur 1 Capteur i Capteur N Conditionneur Amplificateur Filtre Multiplexeur Echantillonneur-Bloqueur Contrôle Convertisseur Analogique / Numérique Calculateur

11 LA CHAINE D ACQUISITION DES DONNEES (5) e. Emplacement de la chaîne : Affichage Mesurandes Chaine d'acquisition des données Stockage Procédé Traitement Contrôle-Régulation

12 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. Mesurande primaire Corps d'épreuve Capteur Grandeur électrique

13 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (2) Exemples de corps d épreuve Mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement F x Corps d'épreuve : ressort Force : Mesurande primaire Elongation : Mesurande secondaire Mesure d'une accélération à partir d'un capteur de force Accélération Masse sismique Capteur de force Corps d'épreuve : masse sismique accélération : Mesurande primaire Force : Mesurande secondaire

14 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,...)

15 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.

16 GENERALITES SUR LES CAPTEURS (5) - capteurs actifs : Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Pyroélectricité Charge Flux lumineux Force Pression Accélération Photoémission Effet photovoltaïque Effet photoélectromagnétique Piézoélectricité Courant Tension Tension Charge Vitesse Induction magnétique Tension Position Effet Hall Tension

17 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.

18 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.

19 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.

20 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.

21 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 v H v H = K H. I. B. Sin Θ

22 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.

23 - capteurs passifs : GENERALITES SUR LES CAPTEURS (12) Mesurande Température Très basse T Flux lumineux Déformation Position (aimant) Humidité Niveau Caractéristique électrique sensible Résistivité [ρ] Constante diélectrique [ε] Résistivité [ρ] Résistivité [ρ] Perméabilité magnétique [µ] Résistivité [ρ] Résistivité [ρ] Constante diélectrique [ε] Constante diélectrique [ε] Type de matériaux utilisés Métaux : Pt, Ni, Cu Semi-conducteur Verre Semi-conducteur Alliage de Ni, Si dopé Alliage ferromagnétique Matériaux Magnétorésistant Chlorure de lithium Alumine ; polymère Liquides isolants

24 - capteurs passifs : GENERALITES SUR LES CAPTEURS (13) - 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])

25 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.

26 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (1) a. Introduction : rappel : chaque application envisagée implique un cahier des charges. On choisi un capteur en fonction de ses attributs ou caractéristiques métrologiques. Ces caractéristiques font référence à des étallonages réalisés en laboratoire Elles sont définies définies quand le régime statique est atteind

27 CARACTÉRISTIQUES 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. = m max m min Grandeur électrique L'unité de l'e.m. est généralement l'unité du mesurande. mmin mmax Mesurande Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1 Domaine Mesurande Température Nominal 0-10 N (E.M) 0 C à 60 C

28 CARACTÉRISTIQUES 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 : Grandeur électrique Grandeur électrique Mesurande Mesurande mmin mmax mmin mmax

29 CARACTÉRISTIQUES 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 m = s m m unité de S = unité grandeur électrique unité mesurande Remarque : la sensibilité d'un capteur linéaire est constante. s Grandeur électrique mmin m mmax Mesurande

30 CARACTÉRISTIQUES 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 L'erreur relative de précision = M M max M min Erreur de précision = erreur de justesse + erreur de fidélité

31 CARACTÉRISTIQUES 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

32 CARACTÉRISTIQUES 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

33 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (8) h. Illustrations de la fidélité et de la justesse : Juste et fidèle précis Fidèle, non juste Juste, non fidèle ni fidèle, ni juste

34 CARACTÉRISTIQUES 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. Grandeur Electrique Ymax Unité : % de l'e.m. Non-linéarité y max y o 0 Mmax Mesurande Erreur relative de linéarité = y max y max y o

35 CARACTÉRISTIQUES 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. Grandeur électrique Unité : Unité du mesurande ou % de l'e.m. Hyst Mesurande mmin mmax

36 CARACTÉRISTIQUES 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

37 CARACTÉRISTIQUES 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 : unité du mesurande Hz

38 CARACTÉRISTIQUES 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.

39 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (14) n. Temps de réponse : Le temps de réponse t r (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 avec 1 U t U(t)=0 pour t<0 et U(t) =1 pour t 0 La grandeur de sortie y(t) tend vers Y 1 quand t Y 1 y t pour t t Y r 1

40 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (15) Exemples de temps de réponse : x(t) X1 Signal d'entrée x(t) Temps de réponse d'un dispositif du 1 er ordre 0 y(t)/y t r t r ( ) y(t)/y1 t t Temps de réponse d'un dispositif du 2 nd ordre t r t r ( ) t

41 CARACTÉRISTIQUES 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. Amplitude B.P.=[ f basse, f haute ] fbasse fhaute Hz

42 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (17) p. Incertitude apportée par un dispositif : Relation théorique (nominal) entre Entrée x et Sortie y : G n et y on Gain nominal et décalage y n =G n x y on nominal de zéro Relation réelle entre Entrée x et Sortie y : y=g x y G et y o Gain réel et décalage réel de o zéro Incertitude δy sur la grandeur de sortie du dispositif : y = y y n y= G x y 0 δy dépend de δg et δy o

43 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (18) Les caractéristiques métrologiques permettent : - de connaître Gn, - d'estimer l'incertitude associée. L'erreur associée à chaque dispositif est : E = y y max y on E = y y max

44 CARACTÉRISTIQUES 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 : E Gn = G G n = G G n G n E Gn entraîne sur la sortie y une incertitude maximale δy Gn Et on a : y Gn = G x max = G y max G n E Gn = y Gn y max

45 CARACTÉRISTIQUES 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 : E G f = G f G 0 G 0

46 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (21) Si l'on ne tient pas compte de cette variation de gain, on introduit une incertitude maximale sur l'amplitude de sortie : E G f max = G F h G 0 G 0 = G G 0 = y y max E G(f)max est l'incertitude maximale sur la bande passante F h 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.

47 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (22) Dispositif à réponse du 1 er ordre G(f)/G(0) G f =G f 2 f c f c : fréquence de coupure à -3 db Pour un signal dont f h << f c, l'incertitude relative sur le gain est : 0 E G f = 1 2 [ f h f c]2 Bande Passante fc f

48 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (23) Dispositif à réponse du 2 nd ordre G f =G f / f f / f G(f)/G(0) Bande Passante f 0 : fréquence propre des oscillations non amorties ζ coefficient d'amortissement 0 fc f Pour un signal dont f h << f c, l'incertitude relative sur le gain est : E G f = 1 2 [ f h f o]2 [ 2 4 f 2 ] h 2 f o E G f [ f h f o]2 [1 2 2 ]

49 CARACTÉRISTIQUES 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 : y T n =G T n x y o T n Y y T ( Tn T) (Tn) A la température T, on a : y T =G T x y o T 0 x Xmax X Une variation δt entraine une erreur δy T

50 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (25) - Dérive thermique du gain : Pour une température maximal T max, l'incertitude liée à la dérive thermique du gain est : y G T =[G T G T n ] x= G x On pose : G T =G T n 1 G T T =T T n α G est le coefficient de température du gain

51 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (26) L'incertitude maximale est atteinte pour δt max et x max : y G T =G T n G T max x max L'incertiude relative maximale due à la dérive thermique du gain E G T = y G T y max = G T max

52 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (27) - Dérive thermique du décalage à zéro : L'incertitude maximale δy z(t) due à la dérive thermique du décalage : y Z T = y o T max y o T n = dy o dt T max L'incertitude relative maximale s'écrit : E Z T = y Z T y max = 1 y max dy o dt T max= de Z dt T max

53 CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (28) Le constructeur fournie : - soit la sensibilité thermique du décalage : dy o dt (mv. C -1 ) - soit la sensibilité thermique de l'incertitude : de Z dt (%EM. C -1 )

54 CARACTÉRISTIQUES 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 : E max = E i où E i sont les erreurs élémentaires décrites précédemment. L'incertitude probable est : E prob = E i 2 Les incertitudes décrites ici sont relatives, l'incertitude sur la grandeur de sortie est : y = E y max

55 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (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.

56 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (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.

57 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (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.

58 CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (4) Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1 Domaine Mesurande Température Nominal 0-10 N (E.M) 0 C à 60 C Non-détérioration 1,5 x E.M -20 C à 100 C non-destruction 3 x E.M -50 C à 120 C Température destruction Non destruction Non déterioration DNE Force

59 CONCLUSION 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