Fiche de révision : Introduction aux capteurs et à la métrologie

📋 Plan du Cours

1. Rôle et classification des capteurs
2. Grandeurs, dimensions et unités
3. Fonctionnement général du capteur
4. Types et intégration des capteurs
5. Caractéristiques métrologiques fondamentales
6. Erreurs et étalonnage
7. Qualité et dynamique de mesure
8. Choix selon l’environnement
9. Capteurs de température et déformation
10. Panorama des capteurs
11. Outils et projet Arduino

📖 1. Rôle et classification des capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Capteur : Dispositif qui reçoit un stimulus physique et le convertit en un signal électrique, quelle qu’en soit la forme.

📝 Points essentiels

📌 Les capteurs peuvent être classés selon la nature du mesurande ou selon leur marché, notamment grand public ou professionnel et industriel.

• Les domaines mobilisés sont:
  • la mécanique
  • l’électromagnétisme
  • la thermique
  • l’électrocinétique
  • l’électronique
  • le traitement du signal

💡 Astuce mémo

Stimulus physique → signal électrique

📖 2. Grandeurs, dimensions et unités

🔑 Notions clés & Définitions

• Grandeur physique : Attribut d’un phénomène, d’un corps ou d’une substance susceptible d’être distingué qualitativement et déterminé quantitativement.
• Dimension : Renseigne sur la nature physique d’une grandeur, par exemple une distance et une altitude ont la dimension d’une longueur.
• Unité dérivée : Une unité dérivée s’exprime en fonction des unités de base, comme le pascal vérifiant $1\,\mathrm{Pa}=1\,\mathrm{N\,m^{-2}}=1\,\mathrm{kg\,m^{-1}\,s^{-2}}$.

📝 Points essentiels

• La physique utilise sept grandeurs physiques fondamentales.

📌 On ne peut additionner, soustraire ou comparer deux grandeurs physiques que si elles ont la même dimension.

💡 Astuce mémo

Même dimension = calcul et comparaison possibles

📖 3. Fonctionnement général du capteur

🔑 Notions clés & Définitions

• Mesurande : Grandeur d’entrée ou excitation m dont la mesure indirecte est recherchée à partir de la sortie s du capteur.

📝 Points essentiels

📐 Formule — La fonction de transfert d’un capteur relie le signal de sortie s au mesurande m par $s=F(m)$.

• 🔄 Les étapes de l’étalonnage sont:
  1. appliquer des valeurs de mesurande connues
  2. mesurer les sorties correspondantes
  3. tracer la courbe d’étalonnage
  4. exploiter la courbe

📐 Formule — Dans le domaine linéaire, les variations de sortie et d’entrée sont liées par $\Delta s=S\,\Delta m$, où S est la sensibilité.

💡 Astuce mémo

Mesurande → conversion → signal

📖 4. Types et intégration des capteurs

🔑 Notions clés & Définitions

• Corps d’épreuve : Traduit le mesurande en une grandeur physique non électrique appelée mesurande secondaire, ensuite convertie en grandeur électrique par un capteur adapté.
• Capteur intelligent : Combine un élément sensible, un conditionnement, une conversion analogique-numérique, un traitement local et une communication par protocole avancé comme I²C ou SPI.
• Capteur intégré : Regroupe le corps d’épreuve, le capteur et l’électronique de contrôle sur un même substrat, souvent en silicium, afin de réduire le coût, d’améliorer la fiabilité et d’obtenir une grande compacité.

📝 Points essentiels

📌 Un capteur actif se comporte comme un générateur de charge, de tension ou de courant, tandis qu’un capteur passif se comporte comme une résistance, une inductance ou une capacité.

📌 Un capteur passif doit être intégré à un circuit d’excitation pour générer un signal électrique exploitable.

💡 Astuce mémo

Actif = générateur ; passif = impédance

📖 5. Caractéristiques métrologiques fondamentales

🔑 Notions clés & Définitions

• Étendue de mesure : Zone comprise entre la limite inférieure et la limite supérieure de mesure dans laquelle les spécifications nominales sont garanties.
• Résolution : Plus petite variation du mesurande observable par l’instrument.
• Calibre : Valeur du mesurande correspondant à la limite supérieure de l’étendue de mesure.
• Classe de précision : Représente la limite supérieure de l’erreur absolue intrinsèque exprimée en centièmes de la plus grande indication, appelée calibre.

📝 Points essentiels

📐 Formule — Pour un appareil numérique, la résolution vaut $\text{Résolution}=\frac{\text{étendue de mesure}}{\text{nombre de points de mesure}}$ et correspond au LSB de l’ADC.

📖 6. Erreurs et étalonnage

★ À maîtriser

📐 Formule — L’erreur de mesure est la différence entre la valeur mesurée et la valeur vraie, selon $e=m_{mes}-m_{vrai}$.

📌 L’erreur systématique est un écart constant souvent lié au zéro, au gain ou à la non-linéarité, tandis que l’erreur aléatoire est imprévisible et nécessite un traitement statistique.

• L’étalonnage direct utilise des références dont la valeur est connue avec une précision très supérieure, tandis que l’étalonnage indirect compare simultanément l’instrument étudié à un instrument de référence stable.

📌 L’étalonnage doit intégrer les grandeurs d’influence et recaler systématiquement les erreurs systématiques lorsqu’elles sont connues.

Compléments

• Les stratégies matérielles comprennent: le blindage, le filtrage, la réduction de la longueur des câbles, l’amplification proche du capteur, l’isolation, la limitation des vibrations, courants d’air et influences thermiques

💡 Astuce mémo

Systématique = biais corrigeable ; aléatoire = dispersion

📖 7. Qualité et dynamique de mesure

🔑 Notions clés & Définitions

• Temps de réponse : Le temps de réponse est le temps nécessaire à un capteur pour atteindre 63 %, ou parfois 90 %, d’une variation brusque du mesurande.
• Réversibilité : Aptitude d’un capteur à fournir la même indication lorsqu’une même valeur du mesurande est atteinte en variation croissante ou décroissante.

📝 Points essentiels

📌 La justesse caractérise la proximité de la valeur moyenne avec la valeur vraie, tandis que la fidélité caractérise la faible dispersion des mesures.

📐 Formule — La précision d’une chaîne de mesurage regroupe la fidélité et la justesse selon $\text{Précision}=\text{fidélité}+\text{justesse}$.

📌 La répétabilité concerne la même mesure réalisée avec la même procédure, le même appareillage, la même personne, au même lieu et rapidement, tandis que la reproductibilité compare des conditions différentes.

• Pour une distribution normale, la probabilité d’observer une valeur dans l’intervalle μ ± σ est de 68 %, et dans l’intervalle μ ± 2σ de 95 %.

💡 Astuce mémo

Justesse = valeur vraie ; fidélité = faible dispersion

📖 8. Choix selon l’environnement

🔑 Notions clés & Définitions

• Indice IP : Caractérise le degré de protection de l’enveloppe d’un matériel électrique contre la pénétration de l’eau et des poussières.
• ATEX : Désigne une atmosphère susceptible de devenir explosive en raison de conditions locales et opérationnelles.
• Indice IK : Caractérise le degré de protection de l’enveloppe contre les impacts mécaniques nuisibles.

📝 Points essentiels

• Le choix d’un instrument doit tenir compte des conditions de fonctionnement du processus et du milieu ambiant, notamment d’une ambiance saline, de la corrosion ou d’un contact alimentaire.

📖 9. Capteurs de température et déformation

🔑 Notions clés & Définitions

• Jauge extensométrique résistive : Motif métallique, souvent en constantan ou en silicium, collé sur une surface et dont la résistance varie avec la déformation.

★ À maîtriser

📌 Une thermistance est un semi-conducteur dont la résistance varie fortement avec la température, tandis qu’une RTD exploite la variation plus linéaire de la résistance d’un métal.

• Une Pt100 est une RTD en platine dont la résistance vaut 100 Ω à 0 °C et augmente avec la température.

📐 Formule — Pour une RTD en platine, la relation donnée est $\frac{R_T}{R_0}=1+A\,T+B\,T^2$.

📐 Formule — La jauge extensométrique relie la variation relative de résistance à la déformation par $\frac{\Delta R}{R}=K\frac{\Delta L}{L}$, avec un facteur de jauge K typiquement compris entre 2,0 et 2,1 pour le constantan.

Compléments

• Les thermistances NTC standards ont typiquement une gamme de température comprise entre −100 °C et +250 °C, avec une précision pouvant atteindre ±0,1 °C sur des plages étroites.

• Les RTD en platine ont typiquement une plage de température comprise entre −200 °C et +600 °C et une précision pouvant atteindre ±0,15 °C en classe A.

📖 10. Panorama des capteurs

★ À maîtriser

📌 Un accéléromètre mesure l’accélération linéaire, un gyroscope mesure la vitesse de rotation angulaire et un magnétomètre mesure le champ magnétique terrestre.

Compléments

• Les capteurs MEMS sont miniaturisés et intégrés dans des appareils tels que les smartphones, les drones et les robots.

• Les applications combinées comprennent:

  • l’estimation de l’orientation
  • la stabilisation
  • la navigation inertielle
  • la géolocalisation sans GPS

• Les cellules de charge peuvent fonctionner en traction, en compression ou en flexion et sont généralement déjà étalonnées et montées en pont.

💡 Astuce mémo

Accéléromètre = translation ; gyroscope = rotation

📖 11. Outils et projet Arduino

★ À maîtriser

• Le projet vise à créer avec Arduino un capteur autonome capable de collecter, traiter et transmettre des données.

Compléments

• L’évaluation comprend une soutenance par groupe de deux à trois étudiants en fin de semestre et une participation active aux TP.

• Les outils nécessaires sont: l’IDE Arduino officiel, Excel fonctionnel, une application sur smartphone pour deux étudiants, un ordinateur personnel

📊 Tableaux de synthèse

Justesse, fidélité et précision

Principaux capteurs de température