Lernzettel: Introduction aux capteurs et à la métrologie

📋 Plan du Cours

1. Capteurs et mesurande
2. Chaîne d'acquisition des données
3. Corps d'épreuve et classification
4. Capteurs actifs et passifs
5. Conditions de fonctionnement
6. Caractéristiques métrologiques

📖 1. Capteurs et mesurande

🔑 Notions clés & Définitions

• Mesurande : Le mesurande est la grandeur physique, chimique ou physiologique à mesurer, notée [m].
• Réponse du capteur : La réponse du capteur est la grandeur de nature électrique de sortie, notée [s], issue de la transformation du mesurande.
• Capteur : Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur d’entrée (mesurande) en une grandeur électrique (réponse ou mesure) pour laquelle la relation est univoque.
• Univocité mesurande-réponse : L’univocité impose que, pour un mesurande donné, la grandeur électrique correspondante soit unique et exploitable.

📝 Points essentiels

• Un capteur n’est pas directement exploitable en tant que traduction “brute” : il fournit une réponse électrique à intégrer dans une chaîne de mesure.
• Exemple pression : la pression est le mesurande et la sortie est une tension (capteur de pression à jauges de contraintes).
• La chaîne de mesure vise à assigner une valeur numérique à un mesurande à partir de sa réponse électrique.

💡 Astuce mémo

Mesurande = m (monde physique), Réponse = s (signal électrique).

📖 2. Chaîne d'acquisition des données

🔑 Notions clés & Définitions

• Chaîne d’acquisition : La chaîne d’acquisition des données regroupe les éléments qui transforment un mesurande mesuré en informations exploitables.
• Acquisition analogique : L’acquisition analogique correspond à la partie de chaîne qui récupère et conditionne un signal électrique sous forme analogique.
• CAN : Le CAN est le convertisseur analogique-numérique qui transforme le signal analogique en données numériques.
• Traitement des données : Le traitement des données correspond aux calculs effectués sur les données numériques par un calculateur.

📝 Points essentiels

• La chaîne est généralement constituée de 3 parties : acquisition analogique, transformation via CAN, puis traitement par calculateur.
• Les dispositifs de la chaîne incluent notamment capteurs, conditionneurs, amplificateurs, filtres et multiplexage avant numérisation.
• L’emplacement de la chaîne relie le mesurande au traitement pour des fonctions comme contrôle, régulation, affichage et stockage.

💡 Astuce mémo

Acquisition analogique → CAN → Calculateur : trois briques qui enchaînent.

📖 3. Corps d'épreuve et classification

🔑 Notions clés & Définitions

• Corps d’épreuve : Le corps d’épreuve est un dispositif qui traduit un mesurande en une autre grandeur physique non électrique (mesurande secondaire).
• Mesurande primaire : Le mesurande primaire est la grandeur étudiée initialement par le système de mesure avant traduction mécanique/physique.
• Mesurande secondaire : Le mesurande secondaire est la grandeur non électrique produite par le corps d’épreuve avant conversion électrique par le capteur.
• Capteurs actifs : Les capteurs actifs fonctionnent en générateur en convertissant directement une forme d’énergie propre au mesurande en énergie électrique.
• Capteurs passifs : Les capteurs passifs reposent sur des impédances (souvent des résistances) dont un paramètre dépend du mesurande.

📝 Points essentiels

• Un exemple force → déplacement : un corps d’épreuve transforme la force en élongation (mesurande secondaire).
• Un exemple accélération à partir d’un corps d’épreuve : une accélération est liée à la masse sismique, avec une force comme mesurande secondaire via un capteur de force.
• La classification des capteurs se fait aussi selon : la mesurande, le rôle industriel, le type de signal (analogique/logique/numérique), et le principe de traduction (capteur résistif, à effet de Hall, etc.).
• Exemples de principes de capteurs actifs : thermoélectricité (tension), pyroélectricité (charge), piézoélectricité (charge), induction magnétique (tension), effet photovoltaïque (tension).
• Exemples de capteurs passifs : variations de résistivité, de constante diélectrique, ou de perméabilité liées au mesurande (température, humidité, niveau, flux lumineux, déformation).

💡 Astuce mémo

Actif = “générateur” ; Passif = “impédance sensible”.

📖 4. Capteurs actifs et passifs

🔑 Notions clés & Définitions

• Thermoélectricité : La thermoélectricité convertit une différence de température entre deux jonctions en une force électromotrice e(T1,T2).
• Pyroélectricité : La pyroélectricité exploite une polarisation spontanée d’un cristal dépendant de la température pour produire un signal.
• Piézoélectricité : La piézoélectricité produit une charge électrique sur des faces opposées lorsqu’un matériau subit une contrainte mécanique.
• Impédance du capteur passif : L’impédance du capteur passif contient un paramètre sensible au mesurande et ne se mesure qu’en l’intégrant dans un circuit alimenté.

📝 Points essentiels

• Thermoélectricité : un circuit à deux conducteurs de nature chimique différente génère e(T1,T2) et permet d’estimer une température inconnue T1 si T2 est connue.
• Pyroélectricité : des cristaux à polarisation spontanée dépendante de la température sont utilisés pour des capteurs de vision nocturne.
• Piézoélectricité : contrainte mécanique (ex. force, pression, accélération) → déformation → apparition de charges opposées et tension aux bornes du condensateur associé.
• Capteurs passifs : Z dépend aussi de la géométrie et des propriétés électriques (r, e, μ), et il existe un principe de correspondance univoque entre valeur du mesurande et impédance.
• Pour les variations du mesurande : éléments mobiles ou déformables peuvent apparaître lorsque le changement est géométrique, plutôt que matériel.

💡 Astuce mémo

Actif : effet physique → signal ; Passif : impédance changeante → circuit.

📖 5. Conditions de fonctionnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Environnement de mesure : L’environnement de mesure regroupe toutes les grandeurs physiques/chimiques susceptibles d’altérer les performances de la chaîne.
• Grandeur d’influence : Une grandeur d’influence est une variable parasite capable de modifier la réponse du capteur.
• Domaine nominal d’emploi : Le domaine nominal d’emploi (D.N.E) correspond aux conditions normales d’utilisation du capteur.
• Domaine de non-détérioration : Le domaine de non-détérioration est la plage de dépassement du D.N.E où les caractéristiques restent modifiées de manière réversible.
• Domaine de non-destruction : Le domaine de non-destruction est la plage au-delà de la non-détérioration où les caractéristiques sont modifiées de façon irréversible.

📝 Points essentiels

• Exemples d’environnement : température, parasites, perturbations électromagnétiques, vibrations, humidité.
• Solutions face aux grandeurs parasites : blindage, stabilisation à une valeur connue, ou compensation de l’influence.
• Dépasser le D.N.E mène au domaine de non-détérioration : modifications réversibles des caractéristiques.
• Dépasser le domaine de non-détérioration mène au domaine de non-destruction : modifications irréversibles.
• Exemple capteur de force jauges piezorésistives N556-1 : non-détérioration -20°C à 100°C (avec un EM 0–10 N) et non-destruction -50°C à 120°C ; l’EM associé aux non-détérioration est 1,5×(E.M).

💡 Astuce mémo

D.N.E → réversible (non-détérioration) ; encore plus → irréversible (non-destruction).

📖 6. Caractéristiques métrologiques

🔑 Notions clés & Définitions

• Étendue de mesure : L’étendue de mesure est la plage du mesurande pour laquelle le capteur respecte les spécifications du constructeur.
• Fonction de transfert : La fonction de transfert relie le mesurande d’entrée à la grandeur électrique de sortie du capteur.
• Sensibilité : La sensibilité S(m) est le rapport de la variation du signal électrique à la variation de la grandeur physique.
• Précision : La précision décrit la capacité du capteur à fournir une mesure proche de la valeur vraie, via une incertitude dM.
• Fidélité : La fidélité décrit le regroupement des mesures répétées autour d’une valeur moyenne pour une même valeur de mesurande.

📝 Points essentiels

• Étendue : E.M. = mmax − mmin et son unité est généralement celle du mesurande.
• Pour la sensibilité : $S(m)=\dfrac{\Delta s}{\Delta m}$, et elle est constante pour un capteur linéaire.
• Le lien de précision s’écrit sous la forme $m = M \pm dM$, avec décomposition en erreur de justesse + erreur de fidélité.
• Non-linéarité : exprimée comme une déviation maximale par rapport à la ligne de référence et notée en % de l’E.M.
• Hystérésis : différence maximale entre deux sorties obtenues pour le même mesurande selon la direction de variation.
• Bruit et résolution : le bruit limite les performances et la résolution devient dépendante du bruit (résolution via densité spectrale et sensibilité).

💡 Astuce mémo

Mesurer = (E.M. + fonction de transfert) ; Qualité = (sensibilité, précision/justesse/fidélité) ; Comportement dynamique = (temps de réponse, bande passante).

📊 Tableaux de synthèse

Actifs vs passifs

Type	Principe	Sortie mesurable
Actif	Générateur convertissant l’énergie du mesurande	Signal électrique directement produit (tension/charge/courant)
Passif	Impédance dont un paramètre dépend du mesurande	Variation d’impédance à lire via un circuit alimenté

⚠️ Pièges & confusions fréquents

1. Confondre mesurande primaire (grandeur étudiée) et mesurande secondaire (grandeur non électrique produite par le corps d’épreuve).
2. Penser que le capteur fournit directement une valeur exploitable sans la chaîne (conditionnement, conversion CAN, traitement).
3. Croire que la sensibilité est une mesure de précision : la sensibilité est un rapport de variations, tandis que précision/justesse/fidélité décrivent l’écart à la valeur vraie et le regroupement des mesures.
4. Oublier que la fidélité concerne la dispersion de répétitions pour une même valeur, alors que la justesse concerne la proximité à la valeur vraie sans tenir compte de cette dispersion.
5. Utiliser une formule de résolution sans tenir compte de l’effet du bruit : dans le cours, la résolution peut dépendre du niveau de bruit.
6. Mélanger hystérésis et non-linéarité : l’hystérésis dépend du sens du cycle (croissant/décroissant), la non-linéarité dépend de l’écart à une loi linéaire sur l’étendue.
7. Penser que dépassement D.N.E et domaine de non-détérioration ont le même effet : l’un conduit à des modifications réversibles, l’autre à des modifications irréversibles.

✅ Checklist Examen

1. Définir un capteur et préciser la relation univoque entre mesurande [m] et réponse électrique [s].
2. Donner l’objectif d’une chaîne d’acquisition : obtenir une valeur numérique d’un mesurande à partir d’une réponse électrique.
3. Lister les 3 parties typiques de la chaîne : acquisition analogique, CAN, traitement par calculateur.
4. Identifier les rôles des éléments d’acquisition analogique : conditionneur, amplificateur, filtre, multiplexage.
5. Définir le corps d’épreuve et distinguer mesurande primaire vs mesurande secondaire.
6. Donner un exemple d’utilisation d’un corps d’épreuve (force→élongation ou accélération→masse sismique→force).
7. Classer les capteurs selon le signal fourni (analogique/logique/numérique) et selon le rôle industriel (contrôle/sécurité).
8. Distinguer capteurs actifs et passifs via le principe de fonctionnement (générateur vs impédance).
9. Citer 3 effets de capteurs actifs et le type de sortie associé (tension/charge/courant) mentionnés au cours.
10. Expliquer pourquoi les variations d’impédance des capteurs passifs ne sont mesurables qu’en les intégrant à un circuit alimenté.
11. Lister au moins 3 éléments d’environnement de mesure susceptibles de modifier la performance (température, CEM, vibrations, humidité, etc.).
12. Définir D.N.E, domaine de non-détérioration et domaine de non-destruction, avec réversible vs irréversible.
13. Définir l’étendue de mesure E.M. et sa formule E.M. = mmax − mmin.
14. Définir la fonction de transfert et la sensibilité $S(m)=\Delta s/\Delta m$ (avec unité et constance si capteur linéaire).