CHAPITRE 1 Généralités sur la chaîne d’acquisition des ...s3.e-monsite.com/2010/11/19/43968668cours1-pdf.pdf · d. Objectif du cours : Un ingénieur doit "choisir le bon capteur

CHAPITRE 1

Généralités sur la chaîne d’acquisition des données et sur

les capteurs

Gwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003

PLAN


INTRODUCTION

LA CHAINE D'ACQUISITION DES DONNEES

GENERALITES SUR LES CAPTEURS

CARACTERISTIQUES METROLOGIQUES

CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT

CONCLUSION

INTRODUCTION (1)


a. Définition d’un capteur :

Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique d'entrée, appelée mesurande [m], en une grandeur de nature électrique (en général) appelée réponse [s].

La relation entre la grandeur électrique et le mesurande doit être univoque.

Exemple : capteur de pression à jauges de contraintes mesurande : pression réponse : tension

INTRODUCTION (2)


b. Domaines d’utilisation des capteurs :

→ Tous les domaines d’activité nécessitent l’emploi de capteurs

Exemples : - automobile : domaine principal- contrôle de la production- agriculture- sécurité- médical (domaine du micro capteur)- électroménager- …

INTRODUCTION (3)


c. Conséquences :

Les conditions d’implémentations et d’environnement des capteurs peuvent varier considérablement d’une application à une autre

→ Diversité des besoins

→ Une très grande diversité des produits

INTRODUCTION (4)


d. Objectif du cours :

Un ingénieur doit "choisir le bon capteur pour une application donnée".

La caractérisation des capteurs se fait à partir de différents attributs.

Pas de normes et le "data sheet" reste un document commercial.!

LA CHAINE D’ACQUISITION DES DONNEES (1)


a. Introduction :

La traduction par un capteur d’un mesurande en grandeur n’est généralement pas appropriée à son exploitation

→ Les capteurs sont les premiers éléments d’une chaîne de mesure ou chaîne d’acquisition de données.

Ce sont les interfaces entre le "monde physique" et le "monde électrique"



b. Rôle de la chaîne :

- recueillir les informations nécessaires à la connaissance de l’état d’un système

- délivrer ces informations sous une forme appropriée à leur exploitation

Sachant que l'état d'un système est caractérisé par des grandeurs physiques ou chimiques appelées mesurandes

→ Assigner une valeur (un nombre) à un mesurande



c. Constitution de la chaîne :

Généralement, elle est constituée de 3 parties :

- acquisition des données (analogique) capteurs, conditionneurs, amplificateurs, multiplexage.

- transformation des données CAN

- traitement des donnéescalculateur



d. Exemple de structure d’une chaîne :

Capteur 1

Conditionneur

Amplificateur

Filtre

Multiplexeur

Echantillonneur-Bloqueur

Convertisseur Analogique / Numérique

Contrôle

Calculateur

Capteur i Capteur N



e. Emplacement de la chaîne :

Chaine d'acquisition des donnéesMesurandes

Affichage

Stockage

Traitement

Contrôle-Régulation

Procédé

GENERALITES SUR LES CAPTEURS (1)


a. Corps d’épreuve :

C'est un dispositif qui traduit le mesurande étudié en une autre grandeur physique non électrique appelée mesurande secondaire.

Corpsd'épreuve Capteur

Mesurandeprimaire Grandeur électrique



Exemples de corps d’épreuve

Mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement

F

x

Corps d'épreuve : ressortForce : Mesurande primaireElongation : Mesurande secondaire

Mesure d'une accélération à partir d'un capteur de force

Corps d'épreuve : masse sismiqueaccélération : Mesurande primaireForce : Mesurande secondaire

Masse sismique

Capteur de force

Accélération



b. Classification des capteurs en fonction :

- du mesurande qu'il traduise (capteur de température, de pression, ...)

- de leur rôle dans un processus industriel (contrôle de produits finis, de sécurité, ...)

- du signal qu’ils fournissent - capteur analogique (catégorie la plus importante)- capteur logique (key sensor)- capteur digitaux

- de leur principe de traduction du mesurande (capteur résistif, à effet de Hall, ...)



- de leur principe de fonctionnement

- capteurs actifs : Fonctionnent en générateur en convertissant la forme d ’énergie propre au mesurande en énergie électrique.

- capteurs passifs : Il s ’agit d ’impédances (très souvent desrésistances) dont l ’un des paramètresdéterminants est sensible au mesurande.



- capteurs actifs :

Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie

Température Thermoélectricité Tension

Flux lumineux

PyroélectricitéPhotoémissionEffet photovoltaïqueEffet photoélectromagnétique

ChargeCourantTension

TensionForcePressionAccélération

Piézoélectricité Charge

Vitesse Induction magnétique Tension

Position Effet Hall Tension



- effet thermoélectrique :

Un circuit formé de deux conducteurs de nature chimique différente, dont les jonctions sont à des températures T1 et T2, est le siège d'une force électromotrice e(T1,T2).

Application : détermination à partir de la mesure de e d'une température inconnue T1 lorsque T2 est connue.

- effet pyroélectrique :

Certain cristaux ont une polarisation spontanée qui dépend de la température.



- effet photoémissif :

Les électrons libérés sont émis hors de la cible éclairée et forment un courant électrique.

- effet photovoltaïque :

Tension aux bornes d ’une jonction PN créée par électrons et des trous libérés par un flux lumineux.



- effet photoélectromagnétique :

Libération de charges électriques dans la matière sous l'influence d'un rayonnement lumineux ou plus généralement d'une onde électromagnétique dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil caractéristique du matériau.



- effet piézo-électrique :

L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électrique (le quartz par exemple) entraîne l'apparition d'une déformation et d'une même charge électrique de signe différent sur les faces opposées.

Application : mesure de forces ou de grandeurs s'y ramenant (préssion, accélération) à partir de la tension que provoquent aux bornes du condensateur associé à l'élément piézo-éléctrique les variations de sa charge.


- effet Hall :

Un matériau parcouru par un courant I et soumis à une induction B faisant un angle avec le courant fait apparaître une tension vH

vH = KH . I . B . Sin



- effet induction électromagnétique :

La variation du flux d'induction magnétique dans un circuit électrique induit une tension électrique.

Application : la mesure de la fem d'induction permet de connaître la vitesse du déplacement qui est à son origine.




- capteurs passifs :

Métaux : Pt, Ni, CuSemi-conducteurVerre

Semi-conducteur

Alliage de Ni, Si dopé

Alliage ferromagnétiqueMatériauxMagnétorésistantChlorure de lithiumAlumine ; polymère

Liquides isolants

Température

Très basse T

Flux lumineux

Déformation

Position (aimant)

Humidité

Niveau

Caractéristique électrique sensibleMesurande

Type de matériaux utilisés

Résistivité []

Constante diélectrique []

Résistivité []

Résistivité []Perméabilité magnétique []

Constante diélectrique []

Constante diélectrique []Résistivité []

Résistivité []



- capteurs passifs :

- corps d ’épreuve : Impédance dont l’un des paramètres est sensible au mesurande.

- Les variations d'impédance ne sont mesurables qu ’en intégrant le capteur dans un circuit électrique. (à

alimenter)

→ Z = f(géométrie, dimensions, propriétés électriques [], [],[])



- variations géométrique : Capteur à élément mobile

Capteur à élément déformable

- variation des propriétés des matériaux :Correspondance univoque entre la valeur de la grandeur et celle de l ’impédance du capteur.


CARACTÉRISTIQUES METROLOGIQUES (1)

a. Introduction :

rappel : chaque application envisagée implique un cahier des charges. On choisi un capteur en fonction de ses attributs ou caractéristiques métrologiques.

Ces caractéristiques font référence à des étallonages réalisés en laboratoire

Elles sont définies définies quand le régime statique est atteind



b. Etendue de mesure :

Elle est la plage de valeurs du mesurande pour lesquelles le capteur répond aux spécifications du constructeurs.

L'unité de l'E.M. est généralement l'unité du mesurande.

Grandeur électrique

Mesurande

mmaxmmin

E.M. = mmax

– mmin

Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1

Domaine Mesurande Température

Nominal 0-10 N (E.M) 0°C à 60°C



c. Fonction de transfert :

C'est la relation fonctionnelle qui relie le mesurande en entrée et la grandeur électrique en sortie du capteur.

Elle est définie soit par un graphe, soit par une relation formelle (linéaire, exponentielle, logarithmique…).

Exemples : Grandeur électrique

Mesurande

mmaxmmin


Mesurande

mmaxmmin



d. Sensibilité :

La sensibilité S(m) d'un capteur, pour une valeur donnée du mesurande, est égale au rapport de la variation du signal électrique sur la variation du signal physique.

S m= sm m unité de S=unité grandeur électrique

unité mesurande


Mesurande

mmaxmmin

s

m

Δ

Δ

Remarque : la sensibilité d'un capteur linéaire est constante.



e. Précision :

Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner une mesure M proche de la valeur vrai m de la grandeur mesurée

L'incertitude de mesure M est telle que : m = M ± M

L'erreur relative de précision =

Erreur de précision = erreur de justesse + erreur de fidélité

MM max−M min



f. Fidélité :

Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner, pour une même valeur de la grandeur mesurée, des mesures concordant entre elles

→ Les résultats de mesures répétées d'une même valeur de mesurande restent groupés autour d'une valeur moyenne.

La fidélité est souvent caractérisée par l'écart type



g. Justesse :

Elle caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des mesures proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n'étant pas prise en compte

→ La valeur la plus probable du mesurande est très proche de la valeur vraie

Juste et fidèle → précis

Juste, non fidèle

Fidèle, non juste

ni fidèle, ni justeGwenaëlle TOULMINET – asi – 2002-2003


h. Illustrations de la fidélité et de la justesse :



i. Non-linéarité :

La non-linéarité est la déviation maximale de la réponse du capteur sur l'étendue de mesure, par rapport à la fonction de transfert linéaire.

Unité : % de l'E.M.

Mmax0

Grandeur Electrique

Mesurande

Non-linéarité

Ymax

yo

Δymax

ymax

ymax− yo

Erreur relative de linéarité =



j. Hystérésis :

Certains capteurs ne retournent pas la même valeur de sortie, pour une même valeur du mesurande, selon la façon où cette valeur est obtenue (cycle croissant ou décroissant).

L'hystéresis est la différence maximale entre ces deux valeurs de sortie.

Unité : Unité du mesurande ou % de l'E.M.


Mesurande

mmaxmmin

Hyst



k. Bruit :

Les capteurs délivrant une tension électrique génèrent, en plus de l'information sur le mesurande, du bruit.

Si ce bruit n'est pas négligeable, alors il limite les performances du capteur.

Dans ce cas, le constructeur spécifiera la densité spectrale du bruit, en supposant que le bruit est blanc.

Unité typique : HzV



l. Résolution :

La résolution est le plus petit incrément du mesurande détectable.

→Unité : celle du mesurande.

Si le capteur génère du bruit, la résolution devient dépendante du niveau de bruit. Dans ce cas, elle s'obtient par le rapport de la densité spectrale du bruit sur la sensibilité.

→Unité : unité dumesurandeHz



m. Rapidité :

Elle caractérise l'aptitude d'un dispositif à répondre aux variations temporelles du mesurande

Elle est spécifiée soit par la bande passante, soit par le temps de réponse

Les dispositifs de la chaîne doivent avoir des bandes passantes compatibles avec le signal de mesure.



n. Temps de réponse :

Le temps de réponse tr() ou d'établissement à près est défini comme la durée minimale d'attente après l'application d'un échelon à l'entrée, pour que l'écart relatif de la sortie par rapport à sa valeur finale demeure toujours inférieur à .

La grandeur d'entrée : avec U(t)=0 pour t<0 et U(t) =1 pour t 0

La grandeur de sortie y(t) tend vers Y1 quand t → ∞

pour

x t =X 1 ⋅U t

Y 1 − y t Y 1

tt r



Exemples de temps de réponse : x(t)

t

X1

y(t)/Y1

11

0

0

t

t0

y(t)/Y1

111

)(t r

)(t r

t r

t r

1 −

1 −

1

Signal d'entrée x(t)

Temps de réponse d'un dispositif du 1er ordre

Temps de réponse d'un dispositif du 2nd ordre



o. Bande passante :

Elle est définie comme étant la plage de fréquence devariation du mesurande où les caractéristiques du capteur spécifiées par le constructeur sont respectées.

Si la fréquence du mesurande est comprise entre f.basse et f.haute, l'amplitude du signal de sortie sera conforme aux spécifications du constructeur.

Hzfbasse fhaute

Amplitude

B.P.=[ f basse , f haute ]



p. Incertitude apportée par un dispositif :

Relation théorique (nominal) entre Entrée x et Sortie y : Gn et yon Gain nominal et décalage nominal de zéro

Relation réelle entre Entrée x et Sortie y : G et yo Gain réel et décalage réel de zéro

Incertitude y sur la grandeur de sortie du dispositif :y dépend de G et yo

yn=Gn×x yon

y=G×x yo

y= y− yn y=G×x y0



Les caractéristiques métrologiques permettent :- de connaître Gn,- d'estimer l'incertitude associée.

L'erreur associée à chaque dispositif est :

E= y

ymax− yon

E= yymax



- Erreur de gain :

La valeur réelle de G présente un écart maximum G par rapport à sa valeur nominale.

L'erreur de gain :

EGn entraîne sur la sortie y une incertitude maximale yGn

Et on a :

EGn=GGn

=G−Gn

Gn

yGn=G×xmax=G×ymax

Gn

EGn= yGnymax



- Erreur de gain (bande passante) :

Pour une entrée sinusoïdale de fréquence f, on définit la réponse en fréquence du gain G(f).

Les dispositifs d'une chaîne d'acquisition sont généralement de type passe-bas. (G(0) gain statique).

La variation relative du gain à la fréquence f est :

EG f =G f −G 0

G 0



Si l'on ne tient pas compte de cette variation de gain, on introduit une incertitude maximale sur l'amplitude de sortie :

EG(f)max est l'incertitude maximale sur la bande passanteFh est la fréquence maximale du signal d'entrée

Une bande passante à près est définie comme l'intervalle de fréquence où le variation relative du gain n'excède pas .

EG f max=G F h−G 0

G 0=

GG 0

= yymax



Dispositif à réponse du 1er ordre

fc : fréquence de coupure à -3 dB

Pour un signal dont fh << fc , l'incertitude relative sur le gain est :

1

0

1

ffc

Bande Passante

G(f)/G(0)

G f =G 0× 1

1 f 2

f c2

−

EG f =−1 2 [ f h

f c]

2



Dispositif à réponse du 2nd ordre

f0 : fréquence propre des oscillations non amorties coefficient d'amortissement

Pour un signal dont fh << fc , l'incertitude relative sur le gain est :

G f =G 0× 1

1 − f / f 0 2

2

4 f / f 0 2

EG f =−1 2 [ f h

f o ]2

[2 −4 −f h

2

f o2 ]

1

0

1

ffc

Bande Passante

G(f)/G(0)

EG f ≈[ f h

f o]

2

[1 −2 2 ]



- Dérives thermiques :

Les dispositifs constituant la chaîne de mesure peuvent avoir des performances sensibles à la température de fonctionnement.

Si à la température nominaleTn, on a :

A la température T, on a :

Une variation δT entraine une erreur δyT

y T n=G T n×x yo T n

y T =G T ×x yo T Xmax0

Y

Xx

Ty

)TTn(

)Tn(



- Dérive thermique du gain :

Pour une température maximal Tmax

, l'incertitude liée à la dérive thermique du gain est :

On pose :

G est le coefficient de température du gain

yG T =[G T −G T n]×x=G×x

G T =G T n×1 G×T T=T−T n



L'incertitude maximale est atteinte pour δTmax

et xmax

:

L'incertiude relative maximale due à la dérive thermique du gain

yG T =G T n×G×T max×xmax

EG T = yG T

ymax

=G×T max



- Dérive thermique du décalage à zéro :

L'incertitude maximale yz(T) due à la dérive thermique du décalage :

L'incertitude relative maximale s'écrit :

yZ T = yoT max− yo T n=dyo

d T×T max

E Z T = yZ T

ymax

= 1 ymax

×d yo

d T×T max=

dEZ

d T×T max



Le constructeur fournie :

- soit la sensibilité thermique du décalage :

(mV.°C-1)

- soit la sensibilité thermique de l'incertitude :

(%EM.°C-1)

d yo

d T

dE Z

d T



q. Incertitude due par un dispositif :

Chaque dispositif de la chaîne est source de plusieurs erreurs. L'incertitude maximale due à un dispositif est :

où Ei sont les erreurs élémentaires décrites précédemment.

L'incertitude probable est :

Les incertitudes décrites ici sont relatives, l'incertitude sur la grandeur de sortie est :

Emax=∑∣E i∣

E prob=∑ E i2

y=E× ymax


CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (1)

a. Environnement de mesure :

Ce terme regroupe l'ensemble des grandeurs physiques ou chimiques dont l'influence sur les éléments de la chaîne est susceptible d'en modifier les performances :

ex : températures, parasites, perturbations électromagnétiques, vibrations, humidité….



b. Grandeur d'influence :

Grandeurs physiques ou chimiques « parasites » auxquelles peut être sensible la réponse du capteur.

Solutions :- minimiser l'influence- Protéger le capteur- Stabiliser les grandeurs d ’influence à une valeur connue- Compenser l ’influence des grandeurs parasites.


CONDITIONS DE FONTIONNEMENT (3)c. Domaine d'utilisation :

Il peut survenir des modifications de caractéristique du capteur si il subit des contraintes trop importantes.

Domaine nominal d'emploi : conditions normales d'utilisations

Domaine de non-détérioration : dépassement du D.N.E. Les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière réversible.

Domaine de non-destruction : dépassement du domaine de non détérioration. Les caractéristiques du capteurs sont modifiées de manière irréversible. Un nouvel étalonnage est nécessaire.



Exemple : Capteur de force à jauges piezorésistives N556-1

Domaine Mesurande Température

Nominal 0-10 N (E.M) 0°C à 60°C

Non-détérioration 1,5 x E.M -20°C à 100°C

non-destruction 3 x E.M -50°C à 120°C

ForceDNE

Non déterioration

Non destruction

destruction

Température


CONCLUSION

Le capteur idéal est celui pour lequel : - on dispose d'une relation linéaire connue entre la grandeur à mesurer et le signal de sortie du capteur- les conditions d'emploi sont telles qu'aucune grandeur d'influence ne perturbe son fonctionnement- aucun bruit parasite se superpose au signal utile- ...

→ situation exceptionnelle

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