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CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS CHAPITRE II CARACTERIST

CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS 20 | P a g e II.1. DEFINITIONS II.1.1 Mesurande C’est la grandeur physique que l’on souhaite connaître (déplacement, température, pression, rayonnement, force… etc.). II.1.2. Capteur Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique d'entrée, appelée mesurande [m], en une grandeur généralement de nature électrique (Charge, Tension, Courant ou Impédance) appelée réponse [s]. Avec : s =F (m) Le capteur nous permettre de délivrer une image exploitable (signal électrique par exemple). Remarque a. On parle aussi de transducteur: Lorsque la grandeur physique d’entrée (le mesurande) étant transformée en une autre grandeur physique de sortie ou en un signal électrique. Figure II.1: Principe d’un capteur. b. Généralement, on obtient une grandeur de sortie du type électrique. Elle peut être soit : une charge (Q), une tension (V), un courant (I), une impédance (R, L, C). c. Domaines d’utilisation des capteurs: Tous les domaines d’activité nécessitent l’emploi de capteurs: Automobile (domaine principal), contrôle de la production, agriculture, sécurité, médical (domaine du micro-capteur) et électroménager……… Capteur Mesurande (m) Grandeur électrique (s) m(t) t1 t2 tn t s(t) t1 t2 tn t Grandeurs d’influence CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS 21 | P a g e II.1.3. Corps d’épreuve et Capteurs composites Pour des raisons de coût ou de facilité d’exploitation, on peut être amené à utiliser un capteur, non pas sensible au mesurande mais à l’un de ses effets. Le corps d’épreuve est le dispositif qui assure une première traduction de la grandeur physique en une autre grandeur physique non électrique (appelée mesurande secondaire plus facile à mesurer), qui sera traduit par la suite en une grandeur électrique à l’aide d’un capteur adéquat (actif ou passif). L’ensemble formé par le corps d’épreuve et le capteur adéquat (actif ou passif) constitue un capteur composite. Figure II.2: Structure d’un capteur composite Remarque Les corps d’épreuve sont très utilisés pour la mesure de grandeurs mécaniques: Ces dernières imposent au corps d’épreuve des déformations ou des déplacements auxquels un capteur approprié (actif ou passif) est sensible. Exemple 1 Une traction F exercée sur une barre (de longueur L, de section A et de module d’Young Y) entraîne une déformation ΔL/L qui est mesurable par la variation ΔR/R de la résistance d’une jauge collée sur la barre. * Connaissant, l’équation du corps d’épreuve qui lie la traction (le mesurande primaire ΔF) à la déformation (mesurande secondaire ΔL): ) ).( 1 ( A F Y L L   (II.1) Corps d’épreuve Capteur actif ou passif Mesurande Mesurande Grandeur Primaire secondaire électrique Capteur composite CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS 22 | P a g e * Connaissant d’autre part l’équation du capteur liant sa grandeur d’entrée, ici la déformation (ΔL/L), à sa réponse électrique (ΔR/R) soit: ) .( L L K R R    (II.2) Avec K : étant le facteur de jauge. Par conséquent, on peut déduire la relation entre la traction (F) et la variation de résistance (ΔR): ) ).( ( A F Y K R R   (II.3) Exemple 2  Une pression est mesurable au moyen d’une membrane (corps d’épreuve), dont la déformation est traduite électriquement par une jauge de contrainte. La membrane d’un microphone électrodynamique est un corps d’épreuve car c’est de son mouvement, conséquence de la pression acoustique à laquelle est soumise, que résulte le signal électrique.  Dans un accéléromètre, la masse sismique est le corps d’épreuve qui convertit l’accélération, mesurande primaire, en une force d’inertie (mesurande secondaire) auquel est sensible un capteur piézoélectrique.  La relation qu’établit le corps d’épreuve entre le mesurande primaire et le mesurande secondaire est très souvent linéaire : c’est le cas en particulier pour les déplacements et déformations résultant de contraintes mécaniques, à condition que ne soit pas dépassée la limite d’élasticité du corps d’épreuve. Les performances de l’association corps d’épreuve- capteur doivent être déterminées par un étalonnage global de l’ensemble qu’ils constituent afin qu’il soit tenu compte des modifications éventuelles que leur montage et leur liaison apportent à leurs caractéristiques individuelles « à vide ». II.1.4. Constitution d’une chaîne de mesure Pour obtenir une image d’une grandeur physique, on fait appel à une chaîne de mesure qui peut faire intervenir plusieurs phénomènes différents. La structure de base d'une chaîne de mesure comprend au minimum trois étages: II.1.4.1. Un capteur Un dispositif (simple ou composite) très sensible aux variations de la grandeur physique à mesurer et qui délivre une autre grandeur physique ou électrique à partir de ces variations. Généralement, il est constitué de deux éléments : CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS 23 | P a g e  Corps d’épreuve: élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur à mesurer (appelée aussi mesurande). Dont le but est de transformer la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique non électrique dite mesurande secondaire.  Elément de transduction : élément sensible lié au corps d'épreuve. Il traduit les réactions du corps d'épreuve en une grandeur électrique constituant le signal de sortie.  Boîtier : élément mécanique de protection, de maintien et de fixation du capteur. II.1.4.2. Un conditionneur de signaux Un circuit électronique dont le rôle principal est l’alimentation électrique du capteur, la mise en forme et l'amplification du signal délivre par le capteur si nécessaire. Le circuit de conditionnement permet de donner au signal délivré par le capteur un niveau compatible avec l'unité de visualisation ou d'utilisation. Cet étage peut parfois intégrer un filtre qui réduit les perturbations présentes sur le signal. il peut comprendre pour des application numériques un circuit de conversion du signal CAN. II.1.4.3. Une unité de visualisation et/ou d'utilisation Cette unité permet de lire la valeur de la grandeur et/ou de l'exploiter dans le cas d'un asservissement par exemple. Cette structure de base se rencontre dans toutes les chaînes de mesure quelle que soit leur complexité et leur nature. De nos jours, compte tenu des possibilités offertes par l'électronique et l'informatique, les capteurs délivrent un signal électrique et la quasi-totalité des chaînes de mesure sont des chaînes électroniques. Exemple : Par exemple, la mesure d’un débit peut se faire en plusieurs étapes :  Transformation du débit en une pression différentielle,  Transformation de la pression différentielle en une déformation mécanique d’une membrane,  Transformation de la déformation mécanique en une grandeur électrique (à l’aide d’un piézoélectrique) via un circuit électronique associé. L’ensemble de ces étapes constitue une chaîne de mesure. Figure II.3: Constitution d’une chaîne de mesure classique. Alimentation Mesurande Mesurande Grandeur Signal primaire Secondaire électrique électrique Capteur composite (Boîtier) Corps d’épreuve Capteur intermédiaire Circuit de Conditionn -ement CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS 24 | P a g e De manière classique, la sortie de la chaîne de mesure est du type électrique (Charge, Courant, Tension). Si la chaîne de mesure fait intervenir plusieurs transducteurs, on appelle corps d’épreuve celui en contact direct avec le mesurande. Le dernier transducteur est associé à un conditionneur qui fournit la grandeur électrique de sortie de manière exploitable. Le choix du circuit de conditionnement est une étape importante dans le cadre de la chaîne de mesure car:  il est associé au capteur,  il détermine la nature finale du signal électrique,  il va influencer les performances de la mesure. II.1.5. Différents types de grandeurs physiques On peut classer les grandeurs physiques en six familles, chaque capteur sera obligatoirement associer à l’une de ces familles: II.1.5.1. Mécaniques: Déplacement, force, masse, débit …. II.1.5.2. Thermiques: Température, capacité thermique, flux thermique... . II.1.5.3. Electriques: Courant, tension, charge, impédance, diélectrique …. II.1.5.4. Magnétiques: Champ magnétique, perméabilité, moment magnétique …. II.1.5.5. Radiatifs: Lumière visible, rayons X, micro-ondes ...(Capteurs : Photodiodes, photorésistance, Phototransistor ). II.1.5.6. (Bio-) Chimiques: Humidité, Gaz, Sucre, Hormone …. II.1.6. Grandeurs d’influence Les grandeurs d'influence sont des grandeurs physiques étrangères (parasites) auxquelles la réponse du capteur peut être sensible. Selon la nature et l’importance des grandeurs d’influence le capteur peut subir des perturbations. C'est donc une cause d'erreurs agissant sur le signal de sortie. Exemples - La température - La pression environnante - Les vibrations mécaniques ou acoustiques - La position du capteur et sa fixation - L'alimentation électrique du capteur. - L'humidité, la projection d'eau, l'immersion - Les ambiances corrosives - Les perturbations électromagnétiques - Les rayonnements nucléaires - Les accélérations et la pesanteur CHAPITRE II CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES DES CAPTEURS 25 | P a g e II.2. PRECISION SUR LES EFFETS UTILISES Les effets physiques les plus rencontrés en instrumentation sont : II.2.1. Thermoélectricité C’est le principe de tout thermocouple. C’est un circuit constitué de deux conducteurs de nature chimique différente et dont les jonctions sont mises à des températures différentes T1 et T2. Il apparaît aux bornes de ce circuit une tension (force électromotrice : f.e.m) liée à la différence de température (T=T1-T2). Figure II.4: Effet thermoélectricité – thermocouple. II.2.2. Pyroélectricité Certains cristaux présentent une polarisation électrique proportionnelle à leur température. Ainsi, en absorbant un flux de rayonnement, le cristal pyroélectrique va s’échauffer et par la suite sa polarisation va se modifier. Par uploads/Sante/ ch-ii-caracteristiques-metrologiques-des-capteurs.pdf