Caractéristiques des capteurs
Principe
Dans de nombreux domaines (industrie, recherche scientifique, services, loisirs...), on a besoin de contrôler des paramètres physiques (température, force, position, vitesse, luminosité...). Le capteur est l'élément indispensable à la détection de ces grandeurs physiques. Un capteur est un organe de prélèvement d'informations qui élabore à partir d'une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (souvent électrique). Cette grandeur représentative de la grandeur prélevée est utilisable à des fins de mesure ou de commande.
La transformation de la grandeur physique à mesurer, également appelé mesurande, en une grandeur utilisable par une commande est réalisée grâce à un ensemble d'éléments, c'est la chaîne d'acquisition. La chaîne d'acquisition joue un rôle déterminant dans la qualité d'un asservissement. Elle est très souvent modélisée par un simple gain, en supposant que l'image renvoyée est proportionnelle à la grandeur mesurée.
Fonction | Description |
|---|---|
Transformer le mesurande en une grandeur mesurable | Cette fonction est généralement assurée par un capteur, constitué d'un corps d'épreuve et un élément de transduction. Le corps d'épreuve est un élément mécanique qui réagit sélectivement à la grandeur mesurée. Il a pour rôle de transformer la grandeur à mesurer en une autre grandeur physique dite mesurable. L'élément de transduction traduit les réactions du corps d'épreuve en une grandeur électrique constituant un signal de sortie. Si l'élaboration de la mesure s'effectue en deux étapes, on parle de capteurs composites et on distingue un mesurande primaire et un mesurande secondaire. |
Conditionner le signal | Le conditionnement consiste en général à : • alimenter électriquement le capteur ; • mettre en forme et amplifier le signal de sortie ; • filtrer, corriger, convertir le signal (analogique/numérique, tension/fréquence, ...) Communiquer Cette fonction peut être assurée par des bus de communication en lien avec la partie commande. |
Communiquer | Cette fonction peut être assurée par des bus de communication en lien avec la partie commande. |
Exemple : Mesure d'une force à partir d'un capteur de déplacement
| Corps d'épreuve : ressort Force : mesurande primaire Élongation : mesurande secondaire Le ressort traduit la force (mesurande primaire) en élongation (mesurande secondaire). Un capteur de déplacement traduit cette élongation en signal électrique (voir cordeuse de raquettes). |
Pour bien aborder la découverte d'un système, il convient donc, après avoir identifié un capteur, de se poser les questions suivantes :
Intervient-t-il dans la commande du système ?
Ou bien, s'agit-il seulement d'un capteur d'instrumentation ?
Structure d'un capteur : Tout capteur est composé de deux parties :
l'une directement sous l'influence de la grandeur à détecter ou à interpréter : corps d'épreuve.
l'autre relative à la mise en forme et à la transmission de l'information vers la fonction traitement : élément sensible.
Différentes technologies sont en concurrence en fonction de la grandeur à mesurer et des performances souhaitées. Le tableau non exhaustif, ci-dessous montre différents principes physiques de capteurs ainsi que la nature du signal de mesure qui en résulte.
Classification par types d'informations délivrées
Signal Tout Ou Rien | Signal analogique : | Signal numérique : |
|---|---|---|
Ce sont les capteurs les plus répandus en automatisation courante : Capteur à contacts mécaniques, détecteurs de proximité, détecteur à distance ... Ils délivrent un signal binaire (0 ou 1) dit tout ou rien. On parle de détecteurs. | Une information analogique peut prendre de manière continue, toutes les valeurs possibles dans un intervalle donné. Un signal analogique peut être représenté par une courbe continue. Les grandeurs physiques (température, vitesse, position, ...) sont des informations analogiques. On parle de capteurs. | Les capteurs numériques transmettent des valeurs numériques précisant des positions, des pressions,..., pouvant être lus soit en parallèle sur plusieurs conducteurs ; soit en série sur un seul conducteur. On parle alors de codeurs. |
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On classe les détecteurs, les capteurs et les codeurs en fonction de la nature de l'information qu'ils acquièrent, et de la technologie utilisée pour l'acquisition de l'information.
Conditionnement du signal
Les signaux provenant des capteurs sont le plus souvent des grandeurs analogiques continues qu'il est difficile de stocker ou de transmettre sans dégradation. Les dernières années ont été marquées par le passage sans doute irréversible à la numérisation des signaux.
Échantillonnage : Pour échantillonner un signal continu \(x(t)\) en le transformer en une suite discrète d'échantillon\( x_d(t)\), on prélève périodiquement à des intervalles de temps \(Te\) la valeur du signal à l'aide d'un échantillonneur.
L'image de la grandeur est d'autant plus précise que l'échantillonnage est rapide : il est évidemment impossible de représenter correctement les hautes fréquences contenues dans un signal avec un échantillonnage lent.
La limite de Shannon spécifie que, pour un signal quelconque, la fréquence d'échantillonnage \(fe\) doit être au moins supérieure à deux fois la fréquence maximale présente dans le signal \(F_{max}\), de façon à représenter correctement les hautes fréquences.
Exemple : Échantillonnage avant ou après filtrage
Quantification
Le signal échantillonné et bloqué en « marches d'escalier » entre 0 et E (pleine échelle) peut maintenant être converti en une suite de valeurs binaires :
le nombre de valeurs binaires n'est pas infini, il faut classer les échantillons analogiques en différents niveaux ;
la fonction de quantification attribue le même niveau à tous les signaux situés dans une plage de tension donnée ;
l'amplitude de cette plage s'appelle le quantum q.
Le nombre de niveaux de quantification est lié au nombre de bits N du CAN (Convertisseur Analogique Numérique).
Après la quantification vient le codage, qui associe une valeur binaire à chaque niveau de quantification.
Performances des capteurs
Caractéristique du capteur :
La sensibilité | L'étendue de la mesure | Résolution |
|---|---|---|
Pour une valeur donnée de la grandeur mesurée, la sensibilité s'exprime par le quotient de la variation de la grandeur de sortie par la variation correspondante de la grandeur mesurée. La sensibilité correspond généralement au gain statique qui modélise le capteur. | Valeur absolue de la différence entre les valeurs extrêmes pouvant être prises par la grandeur à mesurer, pour lesquelles les indications d'un capteur, obtenues à l'intérieur du domaine nominal d'emploi, ne doivent pas être entachées d'une erreur supérieure à l'erreur maximale tolérée. | Plus petite variation de mesurande que le capteur est susceptible de déceler. |
Types d'erreurs de mesures :
La précision | Fidélité | Justesse |
|---|---|---|
Aptitude d'un capteur à être juste et fidèle.
| Aptitude à mesurer la même valeur (pas nécessairement la bonne) pour des mesures successives d'une même grandeur.
| Aptitude à mesurer, en moyenne, la bonne valeur.
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