Diapositive 1

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CHAPITRE 1 Généralités sur la chaîne dacquisition
des données et sur Les capteurs
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Plan
INTRODUCTION LA CHAINE DACQUISITION DES
DONNEES GENERALITES SUR LES CAPTEURS CARACTERISTIQ
UES METROLOGIQUES CONDITIONS DE
FONCTIONNEMENT CONCLUSION
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INTRODUCTION (1)

• Définition dun 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 (na quun sens).
Exemple capteur de pression à jauges de
contraintes mesurande pression réponse tension
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INTRODUCTION (2)
b. Domaines dutilisation des capteurs
Tous les domaines dactivité nécessitent lemploi
de capteurs
Exemples - automobile domaine principal -
contrôle de la production - agriculture -
sécurité - médical (domaine du micro capteur) -
électroménager -
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INTRODUCTION (3)
c. Conséquences Les conditions
dimplémentations et denvironnement des capteurs
peuvent varier considérablement dune application
à une autre ? Diversité des besoins ? Une très
grande diversité des produits
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INTRODUCTION (4)
d. Objectif du cours Un scientifique doit
"choisir le bon capteur pour une application
donnée". La caractérisation des capteurs se fait
à partir de différents attributs (signes
distinctifs).
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LA CHAINE DACQUISITION DES DONNEES (1)

• Introduction
• La traduction par un capteur dun mesurande en
  grandeur nest généralement pas appropriée à son
  exploitation.

? Les capteurs sont les premiers éléments dune
chaîne de mesure ou chaîne dacquisition de
données.
Ce sont les interfaces entre le "monde physique"
et le "monde électrique"
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LA CHAINE DACQUISITION DES DONNEES (2)
b. Rôle de la chaîne - recueillir les
informations nécessaires à la connaissance de
létat dun 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
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LA CHAINE DACQUISITION 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 Conversion Analogique
Numérique - traitement des données calculateur
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LA CHAINE DACQUISITION DES DONNEES (4)
d. Exemple de structure dune chaîne
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LA CHAINE DACQUISITION DES DONNEES (5)
e. Emplacement de la chaîne
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GENERALITES SUR LES CAPTEURS (1)

• Corps dépreuve
• C'est un dispositif qui traduit le mesurande
  étudié en une autre grandeur physique non
  électrique appelée mesurande secondaire.

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GENERALITES SUR LES CAPTEURS (2)
Exemples de corps dépreuve
Mesure d'une force à partir d'un capteur de
déplacement
Corps d'épreuve ressort Force Mesurande
primaire Elongation Mesurande secondaire
Mesure d'une accélération à partir d'un
capteur de force
Corps d'épreuve masse sismique accélération
Mesurande primaire Force Mesurande secondaire
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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 quils 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, ...)

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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.

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GENERALITES SUR LES CAPTEURS (5)
- capteurs actifs
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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.

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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.

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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.
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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.
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GENERALITES SUR LES CAPTEURS (10)

• effet Hall
• Un matériau parcouru par un courant I et soumis
  à une
• induction B faisant un angle ? avec le courant
  fait
• apparaître une tension vH
• vH KH . I . B . Sin ?

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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.
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GENERALITES SUR LES CAPTEURS (12)
- capteurs passifs
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GENERALITES SUR LES CAPTEURS (13)
- capteurs passifs - corps d épreuve
Impédance dont lun 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
?, µ,e)
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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.

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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (1)

• Introduction
• rappel chaque application envisagée implique un
  cahier
• des charges. On choisit un capteur en fonction de
  
• ses attributs ou caractéristiques métrologiques.
• Ces caractéristiques font référence à des
  étalonnages
• réalisés en laboratoire
• Elles sont définies quand le régime statique est
  atteint

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CARACTERISTIQUES 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. mmax mmin
L'unité de l'E.M. est généralement l'unité du
mesurande.
Exemple Capteur de force à jauges
piezorésistives N556-1
Domaine Mesurande
Température Nominal
0-10 N (E.M) 0C à 60C
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CARACTERISTIQUES 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
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CARACTERISTIQUES 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.
Remarque la sensibilité d'un capteur linéaire
est constante.
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CARACTERISTIQUES 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 dM est telle que m M
dM
L'erreur relative de précision
Erreur de précision erreur de justesse erreur
de fidélité
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CARACTERISTIQUES 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
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CARACTERISTIQUES 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
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (8)
h. Illustrations de la fidélité et de la justesse

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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (9)

• 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.

Unité de l'E.M.
Erreur relative de linéarité
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CARACTERISTIQUES 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.
Unité Unité du mesurande ou de l'E.M.
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CARACTERISTIQUES 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
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CARACTERISTIQUES 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
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CARACTERISTIQUES 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.
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (14)
n. Temps de réponse Le temps de réponse tr(e)
ou d'établissement à e 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 e.
La grandeur d'entrée
avec
U(t)0 pour tlt0 et U(t) 1 pour t 0
La grandeur de sortie y(t) tend vers Y1 quand t ?
8
pour
40
CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (15)
Exemples de temps de réponse
Signal d'entrée x(t)
Temps de réponse d'un dispositif du 1er ordre
Temps de réponse d'un dispositif du 2nd ordre
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CARACTERISTIQUES 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.
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (17)
p. Incertitude apportée par un dispositif
Relation théorique (nominal) entre Entrée x et
Sortie y Gn et yon Gain nominal et
décalage nominal de zéro
Relation réelle entre Entrée x et Sortie y G
et yo Gain réel et décalage réel de zéro
Incertitude dy sur la grandeur de sortie du
dispositif dy dépend de dG et dyo
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (18)
Les caractéristiques métrologiques permettent
- de connaître Gn, -d'estimer l'incertitude
associée. L'erreur associée à chaque dispositif
est
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (19)

• Erreur de gain
• La valeur réelle de G présente un écart maximum
  dG
• par rapport à sa valeur nominale.
• L'erreur de gain
• EGn entraîne sur la sortie y une incertitude
  maximale dyGn
• Et on a

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CARACTERISTIQUES 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

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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (21)
Si l'on ne tient pas compte de cette variation de
gain, on introduit une incertitude maximale sur
l'amplitude de sortie
EG(f)max est l'incertitude maximale sur la bande
passante Fh est la fréquence maximale du signal
d'entrée
Une bande passante à e près est définie comme
l'intervalle de fréquence où le variation
relative du gain n'excède pas e.
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (22)
Dispositif à réponse du 1er ordre
fc fréquence de coupure à -3 dB
Pour un signal dont fh ltlt fc , l'incertitude
relative sur le gain est
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (23)
Dispositif à réponse du 2nd ordre
f0 fréquence propre des oscillations non
amorties
? coefficient d'amortissement
Pour un signal dont fh ltlt fc, l'incertitude
relative sur le gain est
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CARACTERISTIQUES 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

A la température T, on a
Une variation dT entraine une erreur dyT
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (25)
- Dérive thermique du gain Pour une
température maximal Tmax, l'incertitude liée
à la dérive thermique du gain est
On pose
aG est le coefficient de température du gain
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (26)
L'incertitude maximale est atteinte pour dTmax et
xmax
L'incertiude relative maximale due à la dérive
thermique du gain
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (27)
- Dérive thermique du décalage à zéro
L'incertitude maximale dyz(T) due à la dérive
thermique du décalage
L'incertitude relative maximale s'écrit
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CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (28)
Le constructeur fournie - soit la sensibilité
thermique du décalage
- soit la sensibilité thermique de l'incertitude
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CARACTERISTIQUES 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
où Ei sont les erreurs élémentaires décrites
précédemment. L'incertitude probable est
Les incertitudes décrites ici sont relatives,
l'incertitude sur la grandeur de sortie est
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CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (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.
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CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (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.
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CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (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.
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CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT (4)
Exemple Capteur de force à jauges
piezorésistives N556-1 Domaine
Mesurande
Température Nominal 0-10 N
(E.M) 0C à
60C Non-détérioration 1,5 x E.M
-20C à 100C non-destruction
3 x E.M
-50C à 120
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CONCLUSIONS
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