Introduction

Principes fondamentaux

Définitions:

Mesurande: grandeur physique à mesurer (température, pression, déplacement, etc.);

Mesure: c’est l’évaluation d’une grandeur par comparaison avec une autre grandeur de même nature prise pour unité;

Mesurage: ensemble d’opérations ayant pour but de déterminer une valeur d’une grandeur;

Capteur: instrument de mesure qui permet de présenter des caractéristiques électriques (tension, courant, charge, impédance) sous l’action d’un mesurande non électrique.

Cette caractéristique est la grandeur de sortie ou réponse du capteur.

Le mesurande en constitue l’entrée ou excitation.

Caractéristiques générales:

La connaissance de la sortie, s, permet de déterminer le mesurande m, qu’on peut écrire:

s = f(m)

La valeur théorique de la mesure s dépend des lois physiques qui régissent le fonctionnement du capteur;

Sa valeur numérique dépend de la construction du capteur, des matériaux qui le constituent et éventuellement de son environnement et de son mode d’utilisation.

La relation s = f(m) est essentiellement explicitée par étalonnage;

L’étalonnage est une suite de mesures, faites pour des valeurs précises de m et qui permet de tracer la courbe s = f(m), dite courbe d’étalonnage.

s/m = k = constante

k est la sensibilité du capteur.

En dehors d’une certaine plage du mesurande, la sensibilité k dépend généralement de certains phénomènes tels que:

• la valeur du mesurande (linéarité) et de sa fréquence de variation (bande passante);

• du temps (vieillissement);

• de quelques grandeurs d’influence, ne faisant pas partie de la mesure mais contribuent à la variation de la sensibilité.

Le capteur peut délivrer à sa sortie une grandeur qui peut être une tension, un courant ou une charge électrique.

Dans ce cas le capteur se présente comme un générateur: il s’agit d’un capteur actif.

Le capteur peut délivrer à sa sortie une grandeur qui peut être une impédance, une résistance, une inductance ou une capacité : il s’agit d’un capteur passif.

Le capteur actif délivre une grandeur électrique directement exploitable.

Le capteur passif doit être associé à un circuit électrique pour convertir la variation d’impédance, ou autre, en variation de tension, de courant ou de charge.

Capteurs actifs:

Les capteurs actifs fonctionnent en générateurs, ils sont caractérisés par le pouvoir de convertir en énergie électrique la forme de l’énergie du mesurande (énergie mécanique, thermique, de rayonnement, etc.)

Quelques effets :

effet thermoélectrique

Il permet de délivrer une f.e.m proportionnelle à l’écart de température entre deux métaux de natures différentes et qui sont portés à des températures différentes T1 et T2 connues.

effet pyroélectrique

Il permet de présenter une charge électrique sur les faces d’un matériau porté à une certaine température.

Un flux de rayonnement lumineux absorbé par un cristal pyroélectrique élève sa température, ce qui entraîne une apparition d’une polarisation électrique mesurable.

effet piézoélectrique

Certains matériaux dits piézoélectriques tel que le quartz, ont la propriété de délivrer des charges électriques égales et de signes contraires sur les faces opposées, lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique (force, pression, accélération, etc.)

effet d’induction électromagnétique

Lorsqu’un conducteur se déplace dans un champ d’induction fixe, il est le siège d’une f.e.m proportionnelle au flux coupé par unité de temps, donc à sa vitesse de déplacement.

effet photoélectrique

C’est la libération de charges électriques dans la matière sous l’influence d’un rayonnement lumineux ou électromagnétique dont la longueur d’onde est inférieure à une valeur seuil dépendant du matériau.

effet Hall

Un matériau semi-conducteur parcouru par un courant électrique et soumis à une induction B faisant un angle  par rapport au courant, est le siège d’une tension Hall d’expression:

V_H = K_H.I.B.sin 

Capteurs passifs: variation de l’impédance en fonction du mesurande

l’impédance du capteur dépend:

• de sa géométrie et ses dimensions;

• des propriétés électriques des matériaux le constituant (résistivité , perméabilité , constante diélectrique ).

l’action du mesurande peut influencer:

• soit les caractéristiques géométriques ou dimensionnelles;

• soit les propriétés électriques des matériaux;

• soit, plus rarement, les deux simultanément.

les paramètres géométriques ou dimensionnels de l’impédance peuvent varier si le capteur comporte un élément:

    mobile: chaque position de cet élément correspond à une valeur de l’impédance et la mesure de celle-ci permet de connaître la position;

    déformable: elle résulte des forces appliquées directement ou indirectement au capteur (pression, accélération etc.)

Les grandeurs électriques des matériaux peuvent être influencées par des grandeurs physiques diverses :

    - température;

    - éclairement;

    - humidité;

    - etc.

Quelques exemples

Les variations de l’impédance d’un capteur ne peuvent être mesurées qu’en présence d’un circuit électrique qui représente son conditionneur.

Le conditionneur peut être:

• de type potentiométrique : association en série d’une source, du capteur et d’une impédance qui peut être ou non du même type ;

• un pont d’impédance dont l’équilibre donne l’impédance du capteur et dont le déséquilibre donne la mesure des variations de cette impédance;

• un circuit oscillant : la variation de l’impédance fixe la fréquence d’oscillation;

• un amplificateur opérationnel dont la gain varie avec l’impédance du capteur;

Le choix du conditionneur est déterminant dans la mesure où un ensemble de performances en dépend: sensibilité, linéarité, insensibilité à certaines grandeurs d’influence, etc.

Corps d’épreuve – capteur composite

Un corps d’épreuve est un capteur qui n’est pas sensible au mesurande, mais à l’un de ses effets.

Il permet de délivrer une grandeur physique non électrique appelée mesurande secondaire, un capteur adéquat convertit ce dernier en grandeur électrique.

L’ensemble formé par le corps d’épreuve et un capteur actif ou passif constitue un capteur composite.

Grandeurs d’influence

Hormis le mesurande à caractériser, le capteur peut être soumis à d’autre grandeurs physiques susceptibles d’influencer la grandeur électrique de sortie, qu’il n’est pas possible de distinguer de l’action du mesurande.

Ces grandeurs « parasites » auxquelles la réponse du capteur peut être sensible sont des grandeurs d’influence.

La réponse, s = f(m), d’un capteur devient:

s = f(m, g₁, g₂, ….., g_n)

Pour avoir une réponse représentative du seul mesurande m, il faut:

• soit minimiser l’importance des grandeurs d’influence au niveau du capteur en le protégeant par isolement adéquat;

• soit stabiliser ces grandeurs d’influence à des valeurs fixes et connues et procéder à un étalonnage du capteur dans ces conditions de fonctionnement;

• soit utiliser un montage de compensation des parasites;

Chaîne de mesure

→ La chaîne de mesure est l’environnement matériel qui permet de déterminer avec précision la valeur du mesurande;

→ Elle comprend un ensemble de dispositifs, et en premier lieu le capteur;

→ La chaîne de mesure permet de convertir le signal électrique délivré par le capteur en une forme qui rend la lecture directe de la valeur cherchée du mesurande:

• déviation d’un appareil à cadre mobile ;

• enregistrement analogique graphique ou oscillographique ;

• affichage ou impression d’un nombre.

→ La chaîne de mesure doit être préalablement étalonnée afin d’attribuer à chaque indication en sortie la valeur correspondante du mesurande agissant à l’entrée;

→ La chaîne de mesure peut regrouper:

• un circuit de linéarisation du signal délivré par le capteur;

• un amplificateur d’instrumentation ou d’isolement pour réduire les tensions parasites;

• un multiplexeur, un amplificateur d’instrumentation programmable, un échantillonneur - bloqueur, un convertisseur analogique – numérique;

• un convertisseur tension – courant ou tension – fréquence, pour une transmission à distance;

• un modulateur de fréquence dans le cas de télémesure par voie hertzienne.

→ L’association d’un ordinateur à la chaîne de mesure peut réduire considérablement la complexité de celle-ci. On peut lui soumettre la tâche de:

• gérer l’acquisition des données;

• traiter le signal requis;

→ Parmi les tâches qu’il peut effectuer:

• sélectionner une voie d’entrée par envoi d’adresse au MUX;

• fixer le gain de l’amplificateur programmable;

• échantillonner et bloquer le signal;

• déclencher la conversion A/N;

• lire la donnée numérique en fin de conversion;

→ Par ailleurs, il assure la gestion des périphériques associés (clavier, souris, écran, disques, imprimante, etc.)

exemple

Capteur intégré

Un capteur intégré est un composant réalisé par la technique de la micro électronique et qui regroupe sur un même substrat de silicium le capteur proprement dit, le corps d’épreuve éventuel, des circuits électroniques de conditionnement du signal.

Caractéristiques métrologiques

Le capteur est, en principe, le seul élément source d’information relatives au mesurande.

La chaîne de mesure, quant à elle, ne doit, en aucun cas, influencer l’information issue du capteur, en n’ajoutant ni incertitude, ni limitations supérieures à celles apportées par le capteur.

Les erreurs de mesure

→ Les seules valeurs connues avec exactitude sont les grandeurs « étalons », car leurs valeurs sont fixée par convention.

→ La valeur vraie d’une mesure n’est pas connue, ce n’est qu’avec un certain écart, appelé « erreur de mesure » que cette valeur est évaluée.

→ Cette erreur peut être due à un ensemble de causes:

- mauvaise qualité du capteur;

- mauvaise qualité de la chaîne de mesure;

- mauvaise qualité des appareils de mesure;

- mauvaises manipulations;

- etc.

Les erreurs de mesure - Erreurs systématiques:

→ L’erreur systématique est un décalage constant entre la valeur vraie et la valeur mesurée.

→ Les erreurs systématiques sont due généralement à une mauvaise connaissance ou une mauvaise utilisation :

• d’une expérimentation;

• d’une manipulation;

• d’une installation;

• ou à une défaillance d’un appareil de mesure.

→ L’erreur systématique est donc l’écart entre la valeur mesurée et la valeur la plus probable dans le cas de la même mesure effectuée par des méthodes et instruments différents.

→ Parmi les causes d’erreurs systématiques on trouve:

• le mauvais réglage de la valeur de référence (ou de zéro) d’un appareil de mesure;

• altération des caractéristiques du capteur,

  • par vieillissement;

  • par fatigue de ses éléments mécaniques;

  • par altération chimique;

  • etc.

ce qui entraîne une modification de sa courbe d’étalonnage initiale ( cas des thermocouples et des thermistances).

→ Pour réduire ce type d’erreur, un étalonnage périodique s’impose.

• Non respect du mode ou conditions d’utilisation.

→ Lorsque les mesures sont effectuées avant que le régime permanent ne soit établi, celles-ci sont accompagnées d’erreurs.

→ Lorsque le capteur influence la grandeur à mesurer, tel qu’un capteur de débit d’un fluide qui modifie la vitesse de celui-ci par déviation ou autre.

Les erreurs de mesure - Erreurs accidentelles:

Ces erreurs sont aléatoires et leurs conséquences peuvent être inconnues, par contre leurs causes peuvent être connues.

→ Parmi ces causes, on trouve:

- les changements intrinsèques des instruments (échauffement, vibrations, bruits, hystérésis, etc);

- instabilité de la tension d’alimentation;

- les grandeurs d’influence;

→ Pour réduire ces erreurs, on doit prévoir:

- une protection de la chaîne de mesure vis-à-vis des parasites, tels que les rayonnements, les vibrations, l’instabilité de la tension d’alimentation, la dérive des amplificateurs, etc.

- un choix de méthodes judicieuses pour effectuer les mesures.

Étalonnage des capteurs:

→ L’étalonnage d’un capteur consiste à établir la relation qui existe entre la grandeur à mesurer et la grandeur électrique de sortie.

→ Cette relation peut être graphique : c’est la courbe d’étalonnage;

→ ou algébrique : c’est l’équation caractéristique du capteur.

→ L’étalonnage d’un capteur peut être :

- simple ou multiple;

- absolu ou relatif;

→ L’étalonnage simple consiste à fixer tous les paramètres d’influence et ne faire varier que la seule grandeur à mesurer;

→ L’étalonnage multiple tient compte de toutes les grandeurs d’influence, il s’agit d’un ensemble d’étalonnages successifs qui détermine la dépendance de la grandeur principale vis-à-vis des grandeurs d’influence.

→ L’étalonnage absolu ou direct consiste à fournir les valeurs de la grandeur à mesurer par des étalons ou par des éléments de référence de très grande précision.

→ L’étalonnage relatif ou indirect est l’utilisation d’un capteur dont on connaît la courbe d’étalonnage et dont la stabilité est assez grande.

Le capteur à étalonner et le capteur étalonné sont soumis tous les deux aux mêmes contraintes et dans les mêmes conditions.

C’est alors par comparaison qu’on établit la courbe d’étalonnage du capteur.

→ Un capteur de qualité présente une courbe d’étalonnage reproductible: c’est la répétabilité.

→ L’interchangeabilité est la qualité que présente une série de capteur de même type pour être inter-changés en fournissant des résultats identiques.

Limites d’utilisation d’un capteur:

Il est à signaler que lorsque les valeurs des grandeurs à mesurer dépassent certains seuils, les capteurs risquent de perdre temporairement ou définitivement leurs caractéristiques métrologiques.

Domaine nominal d’emploi:

C’est le domaine d’utilisation prescrit par le constructeur, il correspond au fonctionnement normal du capteur;

Domaine de non détérioration:

Lorsque les conditions nominales sont dépassées, sans être supérieures à celles du domaine de non détérioration, les caractéristiques métrologiques du capteur risquent d’être modifiées, mais de façon réversible, dès que l’on retrouve les conditions nominales, le capteur retrouve ses caractéristiques normales.

Domaine de non destruction:

Lorsque les conditions du domaine de non détérioration sont dépassées tout en restant inférieures à celles du domaine de non destruction, les caractéristiques du capteurs sont modifiées de façon irréversible.

Pour une utilisation correcte du capteur, un nouvel étalonnage est nécessaire.

Étendue de mesure:

Elle correspond à la différence entre les valeurs extrêmes d’utilisation (Val sup – Val inf).

Cette plage est souvent confondue avec le domaine nominal d’emploi, mais elle peut être réduite ou plus étendue selon les critères d’utilisation retenues.

Sensibilité:

La sensibilité d’un capteur est définie comme étant le rapport de la variation s de la grandeur de sortie à la variation e de la grandeur d’entrée du capteur autour d’un point de mesure m :

k = (s/e)_m

Capteurs de température

La mesure de la température peut se faire selon des procédés divers:

- mesure par résistance;

- mesure par thermocouple;

- mesure par diode;

- mesure par transistor;

- etc;

Mesure de la température par résistance:

Principe:

D’une façon générale, la valeur d’une résistance est fonction de la température:

R(T) = R₀.f(T-T₀)

R₀ est la valeur à T₀ et f est une caractéristique du matériau avec lequel est constitué le matériau.

Pour des variations T autour de T₀, on peut choisir une forme linéaire de la résistance:

R(T) = R₀(1 + _R(T-T₀)) = R₀(1 + _R.T)

Où _R est le coefficient de température de la résistance.

Méthode de mesure:

L’utilisation d’un capteur résistif de température est souvent accompagné de l’un des conditionneurs résistifs suivants:

- circuit potentiométrique à alimentation simple ;

Rd est la résistance d’entrée de l’appareil de mesure.

- circuit potentiométrique à alimentation symétrique ;

- pont de Whetstone

Connaissant Vm, on peut en déduire la valeur de Rc.

Dans le cas d’un appareil de mesure à grande résistance d’entrée (voltmètre, amplificateur, oscilloscope), on a:

Rd >> R1, R2, R3, Rc

L’expression précédente devient:

Type de résistances utilisées :

Parmi les résistances utilisées pour la mesure de la température, on trouve les résistances métalliques, les thermistances (mélanges d’oxydes semi-conducteurs), les résistances de silicium, etc.

Mesure de la température par thermocouple:

Un thermocouple est l’association de deux conducteurs A et B différents disposés de la façon suivante:

En portant les jonctions (1) et (2) à des températures différentes T₁ et T₂, on relève un f.e.m e qui dépend à la fois de la nature des conducteurs et de l’écart de température entre les deux jonctions (T₁ – T₂):

e = ₁₂(T₁ – T₂)

En général, l’une des deux jonctions est portée à la température dite de référence T_ref.

Avantages:

- mesure ponctuelle de la température;

- temps de réponse très court;

- le fonctionnement ne nécessite pas de circulation de courant, ce qui supprime toute incertitude liée à l’auto-échauffement;

Inconvénients:

- connaissance de la température de référence T_ref;

- toute erreur sur T_ref induit une erreur sur la température à mesurer;

Les différents type de thermocouples:

E : Chromel / Constantan;

J : Fer / Constantan;

T : Cuivre / Constantan;

K : Chromel / Alumel;

R : Platine-Rhodium (13%) / Platine;

S : Platine-Rhodium (10%) / Platine;

B : Platine-Rhodium (13%) / Platine-Rhodium (6%).

Mesure de la température par diodes et transistors:

Le capteur est une diode ou un transistor monté en diode (base et collecteur reliés).

L’alimentation est directe et à courant constant, la tension à ses bornes est fonction de la température.

La sensibilité d’une diode ou d’un transistor est :

s = dv/dT

Elle est de l’ordre de 2,5 mV/°C.

Exemple de conditionnement:

Autres types de capteurs de température:

- mesure de la température par bruit de fond

Une résistance R portée à une température T, produit une f.e.m, par agitation thermique, celle-ci est donnée par:

K : constante de Boltzmann

K=1,38.10^-23JK^-1;

T : température absolue en kelvin;

B : bande passante de l’installation de mesure;

Cette résistance se comporte donc comme un générateur de Thevenin:

- mesure de la température par quartz :

La quartz est un matériau piézoélectrique qui oscille à fréquence stable sous une d.d.p ou inversement.

Cette fréquence dépend de la température selon la loi:

f(T)= f₀.(1 + aT + bT² + cT³)

Quelques applications:

- mesure de la température sur des corps en mouvement : pyrométrie

La pyrométrie est la mesure de température des corps par rayonnement thermique.

Le dispositif utilise des capteurs photoélectriques ou photorésistances.

Sur un endroit interne du corps en mouvement, le capteur doit nécessairement être relié à un système de transmission sans fil, soit par couplage inductif, soit par liaison radiofréquence.

Source : Les capteurs en instrumentation industrielle, George Ash.