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INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE GEII - ÉVRY C.Hérail 2016 LES CAPTEURS De

INSTITUT UNIVERSITAIRE DE TECHNOLOGIE GEII - ÉVRY C.Hérail 2016 LES CAPTEURS De la physique à l’informatique SOMMAIRE Partie A Caractéristiques métrologique d’un système de mesure 1 A-I Terminologie 1 A-II Interactions MIM 4 A-III Instrumentation 4 A-IV Modélisation d’une instrumentation 5 A-V Systèmes de mesure 5 A-VI Effet de charge 6 Grandeurs associées 6 Effet de charge 9 A-VII Caractérisation d’une instrumentation 9 A-VIII Méthodologie de la mesure 9 A-IX Erreurs de mesure 10 Erreur absolue – Erreur systématique 10 Erreur accidentelle, fortuite ou aléatoire 11 Réduction des erreurs 11 Justesse – Fidélité 12 Répétabilité – Reproductivité 12 Présentation d’un résultat 12 Partie B Principes généraux des capteurs 13 B-I Loi de variation–Étalonnage 13 B-II Limites d’utilisation 15 B-III Sensibilité 16 B-IV Caractéristiques métrologiques 17 Erreurs systématiques–Incertitudes aléatoires 17 Traitement des erreurs aléatoires 18 Justesse – Fidélité 20 Caractéristiques statiques et dynamiques 20 B-V Grandeurs d’informations perceptibles par les capteurs 22 B-VI Effets physiques mis en œuvre 23 B-VII Grandeurs électriques de sortie 24 B-VIII Systèmes communicants 26 Capteurs intelligents (Smart Sensor) 26 Réseau de capteurs 28 Famille de bus 28 Instrumentation intelligente 30 i Partie C Conditionneurs 31 C-I Conditionneurs de capteurs passifs 31 Source de courant 31 Montage potentiométrique 31 Pont de Wheatstone 32 Compensation des résistances des fils de câblage 34 Influence de l’interconnexion capteur –ampli 35 Pont d’impédance 36 Oscillateurs 36 C-II Conditionneurs de signal 36 Amplificateur différentiel 36 Amplificateur d’instrumentation 37 Amplificateurs d’isolement 39 Convertisseurs charge-tension & courant-tension 40 Bibliographie 41 ii 1 A) CARACTÉRISTIQUES MÉTROLOGIQUES D’UN SYSTÈME DE MESURE I) TERMINOLOGIE 1°) Grandeur (Quantity) Propriété d'un phénomène, d'un corps ou d'une substance que l'on peut exprimer quantitativement sous forme d'un nombre et d'une référence.  Grandeur dans un sens général = temps, longueur, masse  Grandeur particulière = longueur d’une tige donnée, résistance électrique d’un fil donné Grandeur de même nature : qui peuvent être classées les unes par rapport aux autres dans un sens croissant (ou décroissant) Catégorie de grandeur : regroupement de grandeurs de même nature par ensemble = [travail, chaleur, énergie], [épaisseur, circonférence]  Grandeur de base (Base quantity) : grandeur d'un sous-ensemble choisies par convention dans un système de grandeurs donné de façon à ce qu'aucune grandeur du sous-ensemble ne puisse être exprimée en fonction des autres. Ex : longueur, masse, temps  Grandeur dérivée (Derived quantity) : grandeur définie dans un système de grandeurs, en fonction des grandeurs de base de ce système. Ex : vitesse, résistance 2°) Dimension (Quantity dimension) Expression de la dépendance d'une grandeur par rapport aux grandeurs de base d'un système de grandeurs sous la forme d'un produit de puissances de facteurs correspondant aux grandeurs de base, en omettant tout facteur numérique. Équation aux dimensions Ex : dim F = LMT-2 2 3°) Unité de mesure (Measurement unit) Grandeur scalaire réelle, définie et adoptée par convention, à laquelle on peut comparer toute autre grandeur de même nature pour exprimer le rapport des deux grandeurs sous la forme d'un nombre.  Unité de base (base unit) : Unité de mesure adoptée par convention pour une grandeur de base. Exemple : unité de longueur  Système SI (Système international d’unités) = m  Système CGS (Centimètre-Gramme-Seconde) = cm  Unité dérivée (Derived unit) : Unité de mesure d’une grandeur dérivée. Exemple : unité de vitesse  Système SI (Système international d’unités) = m/s  Système CGS (Centimètre-Gramme-Seconde) = cm/s  Unité hors système ‘Off-system measurement unit) : Unité de mesure qui n'appartient pas à un système d'unités donné. Ex : électronvolt, minute, jour. 2°) Mesurage (Measurement) Processus consistant à obtenir expérimentalement une ou plusieurs valeurs que l'on peut raisonnablement attribuer à une grandeur. 3°) Métrologie (Metrology) Science des mesurages et ses applications. 4°) Principe de mesure (Principle of measurement) Phénomène servant de base à un mesurage. 3 5°) Méthode de mesure (Method of measurement) Description générique de l'organisation logique des opérations mises en œuvre dans un mesurage. 6°) Procédure de mesure (Measurement Procedure) Description détaillée d'un mesurage conformément à un ou plusieurs principes de mesure et à une méthode de mesure donnée, fondée sur un modèle de mesure et incluant tout calcul destiné à obtenir un résultat de mesure. 7°) Processus de mesure (Measurement Process) Ensemble des informations, équipement et opérations relatif à un mesurage donné. 8°) Mesurande (Measurand) Grandeur que l’on veut mesurer. 9°) Grandeur d’influence (Influence quantity) Grandeur qui, lors d'un mesurage direct, n'a pas d'effet sur la grandeur effectivement mesurée, mais a un effet sur la relation entre l'indication et le résultat de mesure. 10°) Transducteur de mesure (Measuring Transducer) Dispositif, employé en mesurage, qui fait correspondre à une grandeur d'entrée une grandeur de sortie selon une loi déterminée. C’est un convertisseur de grandeurs physiques. 11°) Capteur (Sensor) Élément d'un système de mesure qui est directement soumis à l'action du phénomène, du corps ou de la substance portant la grandeur à mesurer C’est un transducteur dont la grandeur physique de sortie est mesurable. Souvent une grandeur électrique en sortie. 4 II) INTERACTIONS MIM Triangle MIM III) INSTRUMENTATION Ensemble des systèmes permettant soit l’acquisition de mesures sur un objet, soit le contrôle par rétroaction d’un procédé. Système de mesure : instrument destiné à l’acquisition des grandeurs d’un objet soumis à des tests (en temps réel ou en temps différé) Système de contrôle : instrument qui, outre l’acquisition de mesure sur un objet, a pour objectif un contrôle d’au moins unes de ses caractéristiques par rétroaction X(t) = grandeur à mesurer xm(t) = signal de mesure fourni par un transducteur de mesure y(t) = signal de sortie, image de X(t) H Chaîne de mesure directe K Chaîne de retour X(t) Objet xm(t) y(t) 5 IV) MODÉLISATION D’UNE INSTRUMENTATION Grandeur modifiante : grandeur capable d’agir sur les fonctions de transfert partielles par une altération temporaire ou permanente de la structure de l’instrument Grandeur interférente : grandeur à laquelle le système est sensible non intentionnellement V) SYSTÈMES DE MESURE L’opération ‘mesure’ est une interaction entre l’objet à mesurer (OM) et le système de mesure (SM) : le SM reçoit une information donc une certaine quantité d’énergie fournie soit de l’OM, soit d’une source auxiliaire, soit des deux à la fois. 1°) Mesure directe + + x(t) Mesurande (valeur désirée) xm(t) xi(t) Grandeur modifiante Grandeur interférente Grandeurs d’influence Hm Variation de H m due à xm(t) Hi Variation de H i due à xm(t) mHm mHi y(t) (xd(t)) Seul l’OM fournit de l’énergie : m.g.h 6 2°) Mesure par comparaison 3°) Mesure par compensation VI) GRANDEURS ASSOCIÉES - EFFET DE CHARGE 1°) Grandeur associée Dans une mesure directe, le transfert d’énergie implique que l’OM délivre au SM la grandeur x à mesurer mais aussi une deuxième grandeur associée à celle-ci : x , telle que x.x dt   soit une énergie ; x. x  est une puissance. x = variable d’effort  intensive x = x* = variable d’écoulement  extensive L’OM est comparé à un étalon de même nature. L’énergie est fournit par l’étalon L’effet de l’OM sur le SM est annulé par un processus adéquat. L’OM ne fournit pas d’énergie La valeur de I est une mesure de m 7 L’énergie consommée par le SM est soit : - limitée (ex : peson)  SM à transfert d’énergie [W] - indéfinie (ex : voltmètre) où l’énergie utilisée est proportionnelle au temps de branchement  SM à transfert de puissance [P] 8 9 2°) Effet de charge En général x dépend de x  avec une relation entre les deux différente pour l’OM et le SM. Dans tout système de mesure x  0 et perturbe l’OM  x fournit par l’OM n’a pas la même valeur si le SM est raccordé ou non. On appelle ‘effet de charge’ les modifications de la grandeur à mesurer résultant du raccordement de l’OM au SM. VII) CARACTÉRISATION D’UNE INSTRUMENTATION VIII) MÉTHODOLOGIE DE LA MESURE 3 principes de mesures : - directe - par comparaison - par compensation 3 types de grandeurs : - réelles accessibles = taille d’un homme, courant dans un composant, … - réelles inaccessibles = conductivité du cerveau, âge d’une étoile, … - non réelles inaccessibles = temps et fréquences négatifs, ECG de Cléopâtre 10 2 classes de méthodes : - méthode de mesure directe - méthode de mesure indirecte 4 phases : - Conception - Choix - Définitions - Mise en œuvre Pour chaque phase :  principe de mesure  méthode de mesure  mode opératoire  processus de mesure IX) ERREURS DE MESURE 1°) Erreur absolue (Absolute measurement error) y = y – y0 où y0 est la valeur exacte 2°) Erreur relative  r 0 y y = y 3°) Erreur systématique (Systematic measurement error) Composante de l’erreur de mesure qui, lors de plusieurs mesurages du même mesurande, reste constant ou varie de façon prévisible. Erreur d’origine connue et en général due à une mauvaise connaissance ou utilisation de la chaîne de mesure :  Erreur sur la grandeur d’une valeur de référence  Erreur sur la caractéristique du capteur  uploads/Ingenierie_Lourd/ les-capteurs-de-la-physique-a-l-x27-informatique.pdf