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Université Sidi Med Ben Abdellah Faculté des Sciences DM Fés Pr Abdelilah RJEB

Université Sidi Med Ben Abdellah Faculté des Sciences DM Fés Pr Abdelilah RJEB 2021/2022 Master Smart Industry M2SI Capteurs Industriels Plan du cours Chapitre I Caractéristiques générales des capteurs Chapitre II Chaine de mesure et conditionnement des capteurs Chapitre III Types et applications industrielles des capteurs Chapitre 1: Caractéristiques générales des capteurs I. Définitions I.1. Les capteurs Les grandeurs physiques (lumière, chaleur, niveau, pression, son,.) sont utiles à détecter et à mesurer afin de les exploiter pour des applications industrielles. Pour obtenir des informations locales et précises des grandeurs du milieu extérieur, on a besoin des sciences des capteurs. La conception d’un capteur fait appel en général à plusieurs disciplines : Métrologie, Physique, Electronique, informatique,…. le corps humain possède un certain nombre de capteurs naturels: Les yeux (Présence, rayonnement,…) Les oreilles (Sons,…) Le nez (Odeurs,…) La peau (Chaleur, touché…) La langue (sucré, salé,…) Les dents (Chaleur,..) Le développement de la nouvelle technologie industrielle a permet la conception et la mise au point de nouveaux capteurs miniaturisés pour : l’industrie, l’énergie, la médecine, la sécurité, .. Le capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physico-chimique non électrique en une grandeur électrique utilisable en instrumentation industrielle. Capteurs Capteurs pour la mesure Capteurs pour la détection On distingue deux types de capteurs La réponse du capteur n’est exploitable qu’après traitement analogique et numérique par une chaîne de mesure. La chaîne de mesure (monde électronique) permet : -Acquisition des données (analogique) Capteurs, conditionneurs, amplificateurs, filtres. -Transformation des données analogiques (CAN). -Traitement des données (calculateurs) -Transmission aux actionneurs Rôles des capteurs pour l’industrie les capteurs informent un ou plusieurs calculateurs, qui en fonction des données reçues, commandent différents actionneurs. Capteurs Calculateurs Actionneurs Informations Ordres Capteurs Calculateurs Actionneurs Exemple de carte Arduino à base de microcontroleur, qui commande différents actionneurs, en fonction des données reçues des capteurs. Schéma de carte Arduino Exemples d’e quelques capteurs Automobile Actionneur Phénomène physique Grandeur électrique I.2. Les actionneurs Les actionneurs exécutent les actions (déplacement, émission de chaleur, de lumière, de son etc.) données par la partie commande. L’actionneur réalise l’effet inverse du capteur, Il engendre un phénomène physique à partir de l’ordre reçu généralement une énergie électrique. - Lumière à partir d’un courant électrique (diode électroluminescente LED, lampe...). Les phénomènes Physiques réalisés par les actionneurs Voyants Afficheurs à LED et LCD Sons à partir d’un courant électrique (sirène, Klason...). Buzzers - Champ magnétique à partir d’un courant électrique (Relais électromagnétique). - Chaleur à partir d’un courant électrique (résistance chauffante). -Mouvement à partir d’un courant électrique (moteur électrique, ouverture et fermeture des portes..). - Mouvement rectiligne obtenu avec de l’air comprimé (vérin pneumatique)….. Ventilateur Vérins électriques II. Caractéristiques métrologiques d’un capteur II.1. Métrologie La métrologie est un domaine de la physique appliquée qui étudie les sciences des mesures et leurs applications. II.1.1 Grandeurs, mesures, incertitudes et unités 1. Grandeurs Une grandeur est un paramètre mesuré ou calculé, sert à définir un état ,un objet, une propriété. Les grandeurs physiques classées en six familles: Mécanique , Thermique, Electrique, Magnétique, Optique, Bio-Chimique. a/ Grandeurs fondamentales : On distingue 7 grandeurs fondamentales: La longueur, la masse, le temps, l'intensité du courant électrique, la température, l’intensité lumineuse la quantité de matière. b/ Grandeurs dérivées : Les autres grandeurs sont appelées grandeurs dérivées : vitesse = longeur / temps accélération = longueur / (temps x temps) travail = force x longueur Mesurande : Grandeur physique (P, T, ...). Mesurage :Toutes les opérations permettant l'obtention de la valeur d’une grandeur physique. Mesure : Valeur représentant au mieux le mesurande. 2. Mesures On distingue trois termes fondamentales pour la mesure en métrologie 3. Unités de mesure On classe les unités en trois catégories : les unités de base du SI Elles sont au nombre de sept (s, m, Kg, A, K, mole, J) les unités dérivées compatibles avec le SI (heures, cal, …) les unités hors du SI - Distance (pouce, pied, mile..) - Température (degré Fahrenheit,..) Unités anglo-saxonnes 1 pouce = 2,54cm 1 pied = 30,48 cm 1 mile = 1,609344. 103m On distingue d’autres échelles de températures : T (Celsius) = T (Kelvin) – 273,15 Degré Fahrenheit: T(°F) = 32 + 180 ((K) - 273)/100. 4. évaluation des incertitudes des mesures 1- incertitude absolue : C’est la limite supérieure de l’incertitude. Elle représente la différence maximale entre la valeur réelle d’une grandeur et sa valeur mesurée. A = (a + a) unité a et a doivent avoir la même unité. 2- Incertitude relative : C’est le rapport entre l’incertitude absolue et la valeur mesurée. Cette incertitude s’exprime aussi en % pour cela il suffit de multiplier par 100 et l’incertitude relative devient: (a/a x 100) % Une méthode de mesure est d’autant plus précise que son incertitude relative est faible. Méthode de comparaison entre une valeur théorique et valeur expérimentale d’une même grandeur physique : • La valeur mesurée directement notée Xd est appelée valeur expérimentale et l’autre notée Xi est appelée valeur théorique. • Afin de comparer Xd à Xi et voir s’ils correspondent à la même grandeur, aux incertitudes près, nous procéderons de la manière suivante : • Si Les deux déterminations donnent des valeurs Xd et Xi comparables et l’expérience confirme l’étude théorique en question. Si Les deux déterminations donnent des valeurs Xd et Xi incomparables i d i d X X X X      i d i X X X X      Caractéristiques Métrologiques d'un capteur: Étendue du mesure Résolution Sensibilité Précision Linéarité Fidélité II-2 Caractéristiques métrologiques des capteurs Sensibilité: La variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d’entrée 26 Sensibilité s/m - Sensibilité La sensibilité s’exprime par le quotient de la variation s (grandeur de sortie) à la variation m de la grandeur mesurée. La sensibilité doit être la plus grande possible. Sensibilité s/m - Linéarité Un capteur est dit linéaire si la relation de sa caractéristique (entrée/sortie) est une fonction linéaire Remarque: Plus le capteur est linéaire plus la sensibilité est constante S = A m Sensibilité s/m = A est une constante Fonctionnement uniforme du capteur - L’étendue de mesure. Différence entre les valeurs extrêmes (minimale et maximale). EM = mmax - mmin -La résolution La plus petite variation de la grandeur d’entrée que le capteur peut déceler. -La fidélité : C'est l'aptitude d'un capteur à fournir un même résultat lors de mesures répétitives d'un même mesurande. (Etude statique) -La précision : C’est l’aptitude du capteur à donner des indications proche de la valeur vraie de la grandeur mesurée. Un capteur idéal est caractérisé par : - Une réponse linéaire - Aucune influence extérieure - Aucune perturbation de la mesure par sa présence - Très sensible , précis et fiable, - Réponse instantanée Capteur m s Humidité Température Parasites électromagnétiques Vibrations II-3 Grandeurs d’influence Sont des grandeurs susceptibles de perturber la mesure. Le cas idéal: S = F(m) En réalité: S = F(m, g1, g2,...) gi sont les grandeurs d’influence Le capteur est protégé par un isolement adéquat : supports antivibratoires, blindages magnétiques, isolation thermique.. Pour compenser l'influence des grandeurs parasites, on fait appel aux Conditionneurs (filtres,..). - Classification par apport énergétique. - Classification par nature du signal de sortie. - Classification avec ou sans contact. On distingue plusieurs classifications des capteurs III. Classification et familles des capteurs - Classification par nature du signal d’entrée. Capteurs Pression, son (capteurs sonors Capteurs de niveau) (capteurs piézoélectriques) Champ magnétique (Capteurs magnétiques Capteurs à Effet Hall) Chaleur (Capteurs de température) Lumière (capteurs optiques) On distingue plusieurs types de capteurs selon la nature du signal d’entrée , exemples : III.1 Classification par nature du signal d’entrée. III.2 Classification par nature du signal de sortie. On distingue trois types de capteurs selon la nature de signal de sortie : - Capteurs logiques (TOR) - Capteurs analogiques - Capteurs numériques 1/ Capteurs logiques (TOR) Les Capteurs logiques : ne peuvent interpréter que deux valeurs : ‘oui ou non’, ‘absence ou présence du phénomène’. Ces capteurs sont aussi appelés T.O.R (Tout Ou Rien). Un signal est dit analogique si l’information (continue) peut prendre une infinité de valeurs dans un intervalle de temps donné. Exemple: Température, lumière.. 2/ Capteurs analogiques 3/ Capteurs numériques Un signal numérique (discrèt), se présente au moyen d’un nombre codé en binaire (0 ou 1). Le signal est codé au sein même du capteur par une électronique associée; ces capteurs sont également désignés par codeurs et compteurs. 00010111 5V 0V Sortie Numérique Sortie Tout Ou Rien (TOR) Sortie Analogique Seuil X Les trois types de sorties du capteur : - capteurs optiques - capteurs magnétiques III.3 Classification avec ou sans contact. Détection avec contact (le capteur doit entrer en contact physique avec un phénomène pour le détecter). - capteurs mécaniques Détection sans contact (le capteur détecte le phénomène à proximité de celui-ci). La classification par apport énergétique se distingue par la grandeur électrique de sortie du capteur. On distingue deux familles de capteurs: A- Capteurs actifs Générateurs de charge , de tension ou de courant B-Capteurs passifs (Impédances R, uploads/Industriel/ capteurs-industriels-m2si-2021-22.pdf