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Chapitre I : Capteur et notions fondamentales Cours capteur et techniques de me

Chapitre I : Capteur et notions fondamentales Cours capteur et techniques de mesure Master 1 Maintenance industrielles Enseignant chargé de cours Mr S.ATROUNE 1 Position du problème On désire mesurer une grandeur physique pour la traiter et l’exploiter en vue de commander des systèmes automatisés. Pour cela on transforme la grandeur à mesurer, en un signal facilement exploitable : une tension ou un courant électrique. I.1 Définition I.1.1 Métrologie La métrologie au sens étymologique du terme, se traduit par la Science de la mesure. Dans le langage courant des « métrologues », on entend souvent dire mesurer c'est comparer ! Les résultats des mesures servent à prendre des décisions : - Acceptation d'un produit (mesure des caractéristiques, des performances, conformité à une exigence), - Réglage d'un instrument de mesure, validation d'un procédé, - Réglage d'un paramètre dans le cadre d'un contrôle d'un procédé de fabrication, - Validation d'une hypothèse, - Définition des conditions de sécurité d'un produit ou d'un système. I.1.2 Mesurande Grandeur physique objet de la mesure (température, pression, vitesse, déplacement …) est désignée comme le mesurande, elle est représentée par la lettre minuscule « m ». L'ensemble des opérations expérimentales qui concourent à la connaissance de la valeur numérique du mesurande constitue son mesurage. Lorsque le mesurage utilise des moyens électroniques de traitement du signal, il est nécessaire de produire à partir du mesurande une grandeur électrique qui en soit une représentation aussi exacte que possible : ceci signifie que la grandeur électrique et ses variations apportent toute l'information nécessaire à la connaissance du mesurande. I.1.3 Le capteur Le capteur, est un organe de prélèvement d’information qui élabore à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente. (Très souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande. Chapitre I : Capteur et notions fondamentales Cours capteur et techniques de mesure Master 1 Maintenance industrielles Enseignant chargé de cours Mr S.ATROUNE 2 Température Humidité Pression …. s =f(m), s est la grandeur de sortie ou réponse du capteur, m est la grandeur d'entrée ou excitation. La mesure de s doit permettre de connaître la valeur de m. La relation s=f(m), résulte dans sa forme théorique des lois physiques, qui régissent le fonctionnement du capteur. Pour tout capteur, la relation s=f(m) sous sa forme numériquement exploitable, est explicitée par l’étalonnage, pour un ensemble de valeurs de « m » connues avec précision, on mesure les valeurs correspondantes de « s ». Ce qui permet de tracer la courbe d'étalonnage, cette dernière, à toute valeur mesurée de s, permet d'associer la valeur de m qui la détermine. Pour des raisons de facilité d'exploitation, on s'efforce de réaliser le capteur, ou du moins de l'utiliser, en sorte qu'il établisse une relation linéaire entre les variations Δs de la grandeur de sortie et celles Δm de la grandeur d'entrée : Δs = K · Δm k est la sensibilité du capteur. Un des problèmes importants dans la conception et l'utilisation d'un capteur, est la constance de sa sensibilité K qui doit dépendre aussi peu que possible : a)- De la valeur de m (linéarités) et de sa fréquence de variation ; b)- Du temps (vieillissement) ; c)-De l'action d'autres grandeurs physiques de son environnement qui ne sont pas l'objet de la mesure et que l’on désigne comme grandeurs d'influence (bruits). Chapitre I : Capteur et notions fondamentales Cours capteur et techniques de mesure Master 1 Maintenance industrielles Enseignant chargé de cours Mr S.ATROUNE 3 I. 2 Capteur actif, capteur passif et corps d’épreuve (capteur composite) En tant qu’élément de circuit électrique, le capteur se présente, vu de sa sortie, soit comme un générateur, « s » étant une charge, une tension ou un courant électrique, il s'agit alors d'un capteur actif. Soit comme une impédance, « s » étant alors une résistance, une inductance ou une capacité : le capteur est alors dit passif. Le signal électrique, est la partie variable du courant ou de la tension qui porte l'information liée au mesurande, l’amplitude et la fréquence du signal, doivent être liées sans ambigüité à l’amplitude et à la fréquence du mesurande. Un capteur actif qui est une source, délivre immédiatement un signal électrique. Il n’en est pas de même d’un capteur passif dont les variations d’impédance ne sont mesurables que par les modifications du courant ou de tension, qu’elles entrainent dans le circuit par ailleurs alimenté par une source extérieure. Le circuit électrique nécessairement associés à un capteur passif constitue son conditionneur et c’est l’ensemble du capteur et du conditionneur qui est la source du signal électrique. I .2.1 Capteur actifs Fonctionnant en générateur, un capteur actif est généralement fondé dans son principe, sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique la forme d’énergie propre au mesurande : énergie thermique, mécanique ou rayonnement. Les plus important parmi ces effets sont regroupés sur le tableau (Ils fonctionnent en générateurs en convertissant la forme d’énergie propre au mesurande en énergie électrique). Mesurande Effet physique utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Flux lumineux Pyroélectricité Photoémission Effet photovoltaïque Effet photo électromagnétique Charge Courant Tension Tension Force Pression Accélération Piézoélectricité Charge Vitesse Induction électromagnétique Tension Position (aimant) Effet Hall Tension Chapitre I : Capteur et notions fondamentales Cours capteur et techniques de mesure Master 1 Maintenance industrielles Enseignant chargé de cours Mr S.ATROUNE 4 I.2.2 Capteur passifs Il s’agit d’impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. Le mesurande est évalué grâce à la mesure de la résistance. Les capteurs passifs ont besoin d’une source d'excitation pour fournir un signal électrique de mesure, I.2.3 Corps d’épreuve, capteur composite Le corps d'épreuve, a pour fonction de transformer la grandeur à mesurer (mesurande) en une grandeur physique secondaire (mesurande secondaire non électrique) plus facile à mesurer. Ces capteurs sont très utilisés pour la mesure de grandeurs mécaniques. L’ensemble corps d’épreuve + capteur (actif ou passif) est appelé capteur composite. Mesurande Caractéristique électrique sensible Types de matériaux utilisés Température Très basse température Résistivité Constante diélectrique Métaux : platine, nickel, cuivre. Semi-conducteurs. Verres. Flux lumineux Résistivité Semi-conducteurs. Déformation Résistivité Perméabilité magnétique Alliages de nickel, silicium dopé. Alliage ferromagnétique. Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto-résistants : bismuth, antimoniure d’indium. Humidité Résistivité Constante diélectrique Chlorure de lithium. Alumine ; polymères. Chapitre I : Capteur et notions fondamentales Cours capteur et techniques de mesure Master 1 Maintenance industrielles Enseignant chargé de cours Mr S.ATROUNE 5 Exemple : Mesure d'une force mécanique On utilise comme corps d'épreuve un élément élastique, respectant la loi linéaire (raideur constante). uploads/Industriel/ chapite-i-capteurs-et-notions-fondamentales 1 .pdf