Capteurs généralités 3 novembre 2016 Table des matières 1 Le rôle des capteurs 2 2 L importance des capteurs 2 3 les limites d un capteur 2 4 domaines de fonctionnement d un capteur 3 4.1 étendue de mesure............................................ 3 4.2 domaine de non-déterioration...................................... 3 4.3 domaine de non-destruction....................................... 3 5 discrétion (transparency) 4 6 caractéristique statique 4 7 seuil et saturation 4 8 sensibilité en régime statique 5 9 linéarité 5 10 seuil de mobilité 5 11 résolution 5 12 caractéristique dynamique 6 13 temps de montée (rise time) 6 14 temps de réponse (settling time) 7 15 justesse, fidélité et précision 8 16 Réponse aux exercices 8 1
1 Le rôle des capteurs À quoi servent les capteurs? Les capteurs informent un système sur un paramètre du monde réel. Dans un système naturel, les capteurs sont les yeux, les oreilles ou la peau d un organisme. Dans un système artificiel, de la même façon, on rencontrera des capteurs de lumières, d image, de son, de pression, de force, de présence, etc. Le terme anglais «sensor» est éclairant : le capteur est le véritable organe de perception d une chaine de mesure. 2 L importance des capteurs L importance des capteurs dans les systèmes industriels n a cessé de croitre avec leurs complexité. Une voiture automobile classique compte ainsi plus d une centaine de capteurs : pour le bon fonctionnement du moteur : le régime moteur, l admission, l injection, qui informent en direct le calculateur. pour la sécurité du véhicule : capteurs de vitesse, de puissance, de niveau, capteurs de présence d obstacles, capteurs de pression des pneumatiques pour le confort des passagers : capteur de température L étude des capteurs est un domaine en constante croissance, et en constante amélioration. De nouveaux capteurs apparaissent sur le marché qui améliorent les systèmes existants, ou parfois c est le capteur qui ouvrent des possibilités nouvelles et peuvent même créer un marché nouveau : Les tablettes tactiles en sont un parfait exemple. Exemples de quelques inovations sur le marché des capteurs : électronique de conditionnement du signal directement cablée dans le boitier du capteur ; convertisseur analogique-numérique directement cablé dans le boitier du capteur ; compensation des dérives thermiques ; autocalibration ; transmetteur sans fil directement cablé dans le boitier du capteur. La bonne compréhension du fonctionnement d un capteur nécessite des connaissances de la physique sous jacente et de la technologie utilisée. On notera m : valeur du mesurande ; x : valeur de la mesure. 3 les limites d un capteur Pour comprendre les limites d un capteur réel, imaginons un capteur parfait. Quelles sont ses qualités? 1. Il est infiniment petit ; 2. il ne consomme aucune énergie ; 2
3. le capteur capte, quelque soit la valeur du mesurande ; 4. la mesure est toujours strictement proportionnelle au mesurande ; 5. la mesure pourra prendre toutes les valeurs possibles ; 6. à une variation du mesurande, la mesure varie instantanément de la même façon. quelquesoit la vitesse de variation du mesurande ; 7. la valeur de n importe quel autre paramètre que le mesurande n a strictement aucune influence sur la mesure. Autrement dit : le capteur fonctionne parfaitement dans tous les environnements possibles et imaginables aussi hostiles soient ils ; 8. il ne subit aucune alteration de ces performances avec le temps. On comprend mieux les limites des capteurs réels : 1. Un capteur réel n est pas infiniment petit : sa simple présence peut d ailleurs faire varier le mesurande. Exemple d un gros thermomètre dans un verre d eau ; Un capteur devra être discret. 2. il faut parfois l alimenter ; 3. un capteur réel fonctionne toujours sur une étendue de mesure : l intervalle du mesurande à l intérieur duquel l erreur de l instrument reste dans les limites données par le constructeur ; 4. la mesure n est jamais parfaitement proportionnelle au mesurande : un capteur réel possède une certaine linéarité ; 5. la mesure, de toute façon ne pourra jamais valoir toute les valeurs possibles, conséquence de l étendue de mesure ; 6. le signal est toujours retardé par rapport au mesurande : le capteur présente un certain temps de réponse. Il y a des capteurs rapides et des capteurs lents ; 7. les autres paramètres de l environnements peuvent influencer le signal : l humidité, les vibrations, les champs magnétiques, la lumière ambiante, etc. Un conditionneur peut compenser certaines grandeurs d influence. La documentation du constructeur précise l environement pour lequel le capteur fonctionne correctement. 8. avec le temps, il ne mesure plus de la même façon. 4 domaines de fonctionnement d un capteur 4.1 étendue de mesure Je cite la norme NF X 07-001 de 1994 : Ensemble des valeurs du mesurande pour lesquelles l erreur de mesure est supposée comprise entre des limites spécifiées. Vous remarquerez que le terme est donc mal choisi, on devrait dire étendue de mesurande! 4.2 domaine de non-déterioration Il est défini par les valeurs limites que peuvent atteindre et conserver le mesurande et les grandeurs d influence sans que les caractéristiques du capteur ne soient altérées après retour des valeurs dans le domaine nominal. 4.3 domaine de non-destruction Il est défini par les valeurs limites que peuvent atteindre le mesurande et les grandeurs d influence sans qu il y ait altération permanente des caractéristiques du capteur. 3
5 discrétion (transparency) Elle qualifie l incidence de l instrument de mesure sur le phénomène mesuré. Elle est grande lorsque l appareil perturbe très peu la grandeur à mesurer. Exemples : Une balance est un instrument discret pour la mesure des masses ; un gros thermomètre pour mesurer la température d un verre d eau n est pas discret ; le même thermomètre pour mesurer la température d un lac est très discret. 6 caractéristique statique On obtient la caractéristique statique en relevant la mesure x pour chaque valeur du mesurande m. Il faut, pour chaque point, attendre que la mesure x ne varie plus,d où le nom de caractéristique statique : Que le capteur soit lent ou rapide ne nous préoccupe pas ici! Un capteur parfait donnerait une droite passant par l origine. La réalité sera souvent différente. 7 seuil et saturation Dans cet exemple, pour un mesurande nul, il y a du signal! Ensuite, le mesurande a beau augmenter au début, le signal ne variera presque pas, il faut passer un seuil avant que la mesure augmente linéairement avec le mesurande. Si le mesurande est trop important, la mesure n augmente plus comme elle le devrait : il y a saturation de la mesure. Si on utilise le capteur uniquement sur sa plage de linéarité, et il faudra l étalonner d une valeur fixe (afin que la courbe en pointillé passe par l origine). 4
Si on utilise le capteur sur toute son étendue de mesure et il faudra l étalonner d une valeur dépendant du signal (courbe d étalonnage). 8 sensibilité en régime statique La sensibilité S est la pente locale de la caractéristique : S = x au point m i considéré m mi Exercice 1 : On considère une sonde de température Pt100 dont on donne caractéristique statique fournie par le constructeur. 1. Quel est le mesurande? Quel est la mesure? 2. Calculer la sensibilité de la sonde à 0 3. La sensibilité de la sonde est-elle constante, croissante ou décroissante avec la température? 9 linéarité La linéarité est l erreur relative maximale, en pourcentage, entre la caractéristique statique et sa droite de regression linéaire. 10 seuil de mobilité Variation la plus grande du mesurande qui ne provoque pas de variation détectable de la mesure, la variation du mesurande étant lente et monotone. 11 résolution La résolution d un dispositif afficheur est la plus petite différence d indication qui peut être perçue de manière significative. Pour un afficheur numérique, cette différence d indication correspond au changement d une unité du chiffre le moins significatif. Exercice 2 : Quelle est la résolution de ces afficheurs de température? 5
12 caractéristique dynamique La caractéristique dynamique est la réponse temporelle de la sortie (la mesure) par rapport à une variation de l entrée (le mesurande). Elle permet d apprecier si un capteur est rapide ou lent. Le signal d entrée peut être une impulsion, un échelon, ou une rampe. L échelon est le plus utilisé. Exemple : 13 temps de montée (rise time) Le temps de montée est la durée que met la sortie pour atteindre sa valeur d équilibre à ±x % près. Le temps de montée à 5 % est la durée que met le signal de sortie pour atteindre l équilibre à 5 % près. Le temps de montée de 10 % à 90 % est la durée que met la sortie pour évoluer de 10 % à 90 % de sa valeur d équilibre. 6
Exercice 3 : Calculer le temps de montée de 10 % à 90 % de ce signal. 14 temps de réponse (settling time) Le temps de réponse est la durée que met la sortie pour atteindre sa valeur d équilibre à ±x % près, sans plus jamais quitter cet intervalle de tolérance. 7
15 justesse, fidélité et précision 16 Réponse aux exercices Exercice 1 : calcul de la sensibilité d une sonde de température 1. Le mesurande est la température, en degrés Celsius. La mesure est la résistance électrique de la sonde, en ohms. 2. S(0 ) 0, 38 Ω/ ; 3. L inflexion douce de la courbe est le signe d une légère baisse de la sensibilité avec la température. Ainsi, pour S(900 ) 0, 31 Ω/. Exercice 2 : La résolution des afficheurs de température est de 0,1. Exercice 3 : Le temps de montée de 10 % à 90 % vaut environ 12 ms. 8