chapitre 1 généralités sur la chaîne dacquisition des données et sur les capteurs

CHAPITRE 1

Généralités sur la chaîne

d’acquisition des données et sur

Les capteurs

Plan

INTRODUCTION

LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES

GENERALITES SUR LES CAPTEURS

CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES

CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT

CONCLUSION

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 (n’a qu’un sens).

Exemple : capteur de pression à jauges de contraintesmesurande : pressionréponse : tension

INTRODUCTION (1)

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- …

INTRODUCTION (2)

c. Conséquences :

Les conditions d’implémentations et d’environnement des capteurs peuvent varier considérablement d’uneapplication à une autre

→ Diversité des besoins

→ Une très grande diversité des produits

INTRODUCTION (3)

d. Objectif du cours :

Un scientifique doit "choisir le bon capteur pour uneapplication donnée".

La caractérisation des capteurs se fait à partir dedifférents attributs (signes distinctifs).

INTRODUCTION (4)

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"

LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (1)

b. Rôle de la chaîne :

- recueillir les informations nécessaires à la connaissancede l’état d’un système- délivrer ces informations sous une forme appropriée àleur 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


c. Constitution de la chaîne :

Généralement, elle est constituée de 3 parties :

- acquisition des données (analogique)capteurs, conditionneurs, amplificateurs, multiplexage.

- transformation des donnéesConversion Analogique Numérique

- traitement des donnéescalculateur



d. Exemple de structure d’une chaîne :


e. Emplacement de la chaîne :

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.


Exemples de corps d’épreuve

Mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement

Corps d'épreuve : ressortForce : Mesurande primaireElongation : Mesurande secondaire

Mesure d'une accélération à partir d'un capteur de force

Corps d'épreuve : masse sismiqueaccélération : Mesurande primaireForce : Mesurande secondaire


b. Classification des capteurs en fonction :

• du mesurande qu'il traduise (capteur de température, depression, ...)• de leur rôle dans un processus industriel (contrôle deproduits 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, ...)


- 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.


- capteurs actifs :


-effet thermoélectrique :

Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températuresT1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(T1,T2).

Application : détermination à partir de la mesure de ed'une température inconnue T1 lorsque T2 est connue.

-effet pyroélectrique :

Certain cristaux ont une polarisation spontanée quidépend de la température.


- 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 parélectrons et des trous libérés par un flux lumineux.


- effet photoélectromagnétique :

Libération de charges électriques dans la matièresous l'influence d'un rayonnement lumineux ouplus généralement d'une onde électromagnétiquedont la longueur d'onde est inférieure à unseuil caractéristique du matériau.


- effet piézo-électrique :

L'application d'une contrainte mécanique à certainsmatériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple)entraîne l'apparition d'une déformation et d'une mêmecharge électrique de signe différent sur les faces

opposées.

Application : mesure de forces ou de grandeurs s'yramenant (préssion, accélération) à partir de la tensionque provoquent aux bornes du condensateur associé àl'élément piézo-éléctrique les variations de sa charge.


-effet Hall :

Un matériau parcouru par un courant I et soumis à uneinduction B faisant un angle θ avec le courant faitapparaître une tension vH

vH = KH . I . B . Sin θ


- effet induction électromagnétique :

La variation du flux d'induction magnétique dans uncircuit électrique induit une tension électrique.

Application : la mesure de la fem d'induction permetde connaître la vitesse du déplacement qui est à sonorigine.


- capteurs passifs :


- capteurs passifs :

- 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])


- variations géométrique :

Capteur à élément mobileCapteur à élément déformable

- variation des propriétés des matériaux :

Correspondance univoque entre la valeur de lagrandeur et celle de l ’impédance du capteur.

CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES (1)

a. Introduction :

rappel : chaque application envisagée implique un cahierdes charges. On choisit un capteur en fonction de ses attributs ou caractéristiques métrologiques.

Ces caractéristiques font référence à des étalonnagesréalisés en laboratoire

Elles sont définies quand le régime statique est atteint


b. Etendue de mesure :

Elle est la plage de valeurs du mesurande pour lesquellesle capteur répond aux spécifications du constructeurs.

L'unité de l'E.M. estgénéralement l'unitédu mesurande.

E.M. = mmax – mmin

Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1

Domaine Mesurande Température

Nominal 0-10 N (E.M) 0°C à 60°C


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 :


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.

( )m

sS m

m

Remarque : la sensibilitéd'un capteur linéaire estconstante.


e. Précision :

Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner unemesure M proche de la valeur vrai m de la grandeurmesurée

L'incertitude de mesure δM est telle que : m = M ± δM

L'erreur relative de précisionmax min

M

M M

Erreur de précision = erreur de justesse + erreur de fidélité


f. Fidélité :

Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner, pour une même valeur de la grandeur mesurée, des mesuresconcordant 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


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


h. Illustrations de la fidélité et de la justesse :


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.

Unité : % de l'E.M.

Erreur relative de linéarité max

max 0

y

y y


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 mesurandeou % de l'E.M.


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


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 :


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.


n. Temps de réponse :

Le temps de réponse tr(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 : 1( ) . ( )x t X U t avec

U(t)=0 pour t<0 et U(t) =1 pour t ≥ 0

La grandeur de sortie y(t) tend vers Y1 quand t → ∞

1

1

( )Y y t

Y

pour ( )rt t


Exemples de temps de réponse :

Signal d'entrée x(t)

Temps de réponse d'undispositif du 1er ordre

Temps de réponse d'undispositif du 2nd ordre


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.


p. Incertitude apportée par un dispositif :

Relation théorique (nominal) entre Entrée x et Sortie y :Gn et yon Gain nominal et décalagenominal de zéro

Relation réelle entre Entrée x et Sortie y :G et yo Gain réel et décalage réel dezéro

Incertitude δy sur la grandeur de sortie du dispositif :δy dépend de δG et δyo


Les caractéristiques métrologiques permettent :- de connaître Gn,

-d'estimer l'incertitude associée.

L'erreur associée à chaque dispositif est :


-Erreur de gain :

La valeur réelle de G présente un écart maximum δGpar rapport à sa valeur nominale.

L'erreur de gain :

EGn entraîne sur la sortie y une incertitude maximale δyGn

Et on a :


-Erreur de gain (bande passante) :

Pour une entrée sinusoïdale de fréquence f, on définit laréponse en fréquence du gain G(f).

Les dispositifs d'une chaîne d'acquisition sontgénéralement de type passe-bas. (G(0) gain statique).

La variation relative du gain à la fréquence f est :


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 ε près est définie comme l'intervalle de fréquence où le variation relative du gain n'excède pas ε.


Dispositif à réponse du 1er ordre

fc : fréquence de coupure à -3 dB

Pour un signal dont fh << fc , l'incertitude relative sur le gain est :


Dispositif à réponse du 2nd ordre

f0 : fréquence propre des oscillations non amorties

ζ coefficient d'amortissement

Pour un signal dont fh << fc, l'incertitude relative sur le gain est :


- 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 δT entraine une erreur δyT

- Dérive thermique du gain :

Pour une température maximal Tmax, l'incertitude liée àla dérive thermique du gain est :


On pose:

αG est le coefficient de température du gain


L'incertitude maximale est atteinte pour δTmax et xmax

L'incertiude relative maximale due à la dérive thermique du gain


- Dérive thermique du décalage à zéro :

L'incertitude maximale δyz(T) due à la dérive thermique du décalage :

L'incertitude relative maximale s'écrit :


Le constructeur fournie :

- soit la sensibilité thermique du décalage :

- soit la sensibilité thermique de l'incertitude :


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 :

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….


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.


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.


Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1

Domaine Mesurande Température

Nominal 0-10 N (E.M) 0°C à 60°CNon-détérioration 1,5 x E.M -20°C à 100°Cnon-destruction 3 x E.M -50°C à 120°

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

chapitre 1 généralités sur la chaîne dacquisition des données et sur les capteurs

Documents