Capteurs et Mesures

« ces deux appareils sont constitués d'un circuit interne, le bobinage.

lorsqu'un courant électrique le parcourt , la bobine crée un champ magnétique .

Or, le voltmètre et l'ampèremètre disposent aussi d'un aimant mais l'axe de celui-ci est différent de celui du bobinage .

t:angle entre les deux axes crée un couple magnétique sous l'effet des champs magnétiques de la bobine et de l'aimant.

le couple meut le bobinage et l'aiguille indiquant la valeur du courant ou celle de la tension électrique sur le cadran.

MESURE DE GRANDES DISTANCES la mesure permet aussi de connaître les longueurs dont certaines sont emblématiques.

Par exemple, la mesure de la distance séparant la Terre de la lune n 'a pu être réalisée de façon précise qu'à partir de 1969 et le jour où l'homme marcha sur la lune pour la première fois ! les astronautes de la mission Apollo 11 y déposèrent une plaque réfléchissante de 46 cm' composée de cent demi-cubes de silicium.

Dès lors, lorsque nous envoyons un faisceau laser sur cette plaque depuis la Terre, celui-ci est réfléchi et revient à l'endroit de l'émiss ion.

En mesurant la durée du parcours du rayon laser pour réaliser le trajet de la Terre à la lune, puis de la lune à la Terre et en connaissant la célérité de la lumière dans le vide (299 792 458 m(s), les scientifiques peuvent calculer la distance réalisée par la lumière .

Divisée par deux , celle-ci nous donne la distance Terre-lune à l'instant de la mesure avec une précision d'env iron 3 cm (cette distance évolue constamment et est de nos jours de l'ordre de 380 ooo km) .

Ce dispositif de mesur e nou s a par ailleurs permis de conf irme r le fait que la lune s'éloigne de la Terre avec le temp s.

Nous allons maintenant étudier les dispositif s techniques permettant de réaliser ces mesures : les capteurs .

Tout d'abord, nous pouvons définir le capteur comme un dispo sitif qui «transforme »l'état d'une grandeur physique en une grandeur utilisable .

le capteur est en quelque sorte l'œil du système (dans le cas d 'un détecteur de pluie d'une voiture, par exemple ), dans la mesure où c'est lui qui va préle ver l'information (présence de pluie) dans le m ilieu environnant et la retourner sous une forme compréhensible par le système (signal électrique traduisant la présence de pluie).

le capteur sert toujours à constater l'état d 'une grandeur physique et à traduire celle-ci pour qu'elle soit comprise par l'utilisateur, que ce soit un humain ou un calculateur.

MODE DE FONCTIONNEMENT Il existe deux modes de fonctionnement pour un capteur : le mode e n boucle ouverte et le mode en boucle fermée.

le mode « boucle ouverte » est celui connu par le grand publi c consistant à prendre une mesure et à en afficher directement le résultat.

C'est typiquement l'exe mple du pèse­ personne : un individu monte sur l'appareil ,le capteur mesure et renvoie le résultat à cet individu .

On peut considérer qu'un voltmètre est aussi utilisé en boucle ouverte puisque qu'il mesure une différence de potentiels et la traduit sur l'afficheur.

le mode « boucle fermée » est très utilisé dans tous les produ its sensiblement complexes même si nous n'en avons pas conscience, au premier abord.

le principe est d'utiliser le capteur comme un moyen de contrôle du mécanisme : le capteur mesure une grandeur physique qui, au lieu d'être considérée comme un résultat , est prise en compte en tant que donnée pour ajuster le fonctionnement du système.

t:information renvoyée par le capteur agit directement sur le système.

Nous pouvon s utiliser l'exemple de la régulation d'altitude du pilote automatique d'un avion.

le capteur d'altitude, qui peut être un altimètre ou la donnée d'un système GPS, décrit la situation à l'ordinateur de bord .

Imaginons que le pilote demande à voler plus haut.

le capteur va renvoyer l'altitude actuelle et l'ordinateur, grace à l a donnée du capteur et à l'altitude désirée par le pilote , va déduire que l'avion se situe trop bas et donc contrôler les commandes de l'appareil pour s'élever.

Comme le système fonctionne en boucle fermée, le capteur mesure une nouvelle fois l'altitude .

t:ordinateur va constater que l'avion s'est rapproch é de l 'altitude désirée et demander à l'appa reil de ralentir son ascension.

Finalement , l'avion parviendra au niveau demandé de façon autonome .

Un capteur se compose concrètement de trois parties distinctes : • le prélèvement de la grandeur physique , grandeur physique représentative d'un phénoméne (température, pression, t ensio n, etc .) • le traitement de cette donnée , • le renvoi du résultat.

Nous pouvons en fournir un exemple concret en utilisant la balance mécanique .

le prélèvement de la grandeur physique est réalisé , ici, par le mécanisme transmettant le poids de l'objet à peser du plateau jusqu'au ressort.

le traitement de la donnée est effectué par la déformation du ressort.

Enfin , le renvo i du résultat est accompli par le système mettant en mouvement l'aiguille d e la balance.

LE TRAITEMENT DES DONNÉES C'est la partie cruciale du capteur , puisqu 'elle doit notamment amplifier un signal de faible magnitude afin de le rendre compréhensible par son environnement.

Cependant , cette opération peut engendrer une détérioration de la mesure car l'amplificati o n va à la fois avoir lieu sur le paramètre étudié, mais aussi sur le bruit ambiant, ce qui risque de faus ser la mesure.

Pour éviter ce phénomène , un capteur est souvent équipé de filtres pour supprimer les composantes indésirables du signal.

De plus, il faut savoir qu'un capteur ne prélève jamai s une donn ée physique de façon parfaite : la mesure s'accompagne toujour s d'u ne perturbation de la grandeur physique à étudier du fait même de la prise de mesure.

Il est donc nécessaire de connaître cette erreur e t de vérifier qu'elle ne conduit pas à un résultat aberrant.

En effet, si nous prenons l'exemple d'un anémomètre dont la précision est ± 2 km/h, alors il sera inutile de l'utiliser pour mesurer un vent dont la vitesse est trop faible car l'erreur relative serait trop importante ( l'erreur relative pour un vent de 8 km/ h serait de 25 %}.

l e choix du capte ur est donc décisif dans l'obtenti on d'une mesure pertinente .

Il est aussi réalisé en fonction du type de la mesurande .

Ainsi , les besoins sont-ils différents selon le cahier des charges.

Pour illustr e r les possibilités offertes, nous pouvons détailler le fonctionnement de plusieurs capteurs : interrupteur de position , capteur à seuil de pression , capte ur magn étique, capteur inductif, capteur capacit if , capteur opio ­ électrique .

t:interrupteur de position est utilisé pour détecter une « fin de course », c'est-à-dire le moment où l'actionneur arrive à sa positio n finale .

Cet actionneur peut être un vérin , un moteur linéaire ou rotatif .

le capteur est le plus souvent constitué de deux lamelles métallique s reliée s à des potentiels électriques différents.

lorsq ue le dispositif parvient en fin de course, celui-ci vient buter contre une des lamelles et la plaque sur l'autre .

le circuit électrique se ferme et permet au courant de passer et donc de transmettre l'information «fin de course atteinte ».

le capteur à seuil de pression peut être impla nté sur l'orifice d'échappement d 'un vérin (l'orifice permettant au fluide de sortir du vérin, tand is que l'orif i ce d'admission apporte du fluide pour pousser le piston) .

lorsque le piston est en mouvement, il force le fluide à sortir du vérin et entraîne une augmentation de la pression de la chambre à l ' échappement.

À la fin du mouvement du piston, le fluide s 'écoule de lui­ même et la pression diminue .

lorsque celle-ci passe sous le seuil du capteur , l ' information « piston arrêté » est envoyée.

le capteur magnétique présente un champ magnétique obtenu par une bob ine à noyau de ferrite placée dans un circuit électrique soumis à une tensio n variable.

Pour détecte r un changement d'état, il est nécessaire d 'appliquer un champ magnétique sur la surface sens ible du capteur grâce à un aima nt perm anent par exemple .

le courant du circuit électrique oscillant se trouve alors modifié et transformé par l ' étage d 'amplification en un signal de sortie.

les capteurs inductif et capaci tif fonctionne nt sur le même princ ipe.

les capteu rs inductifs génèrent aussi un champ magnétique .

lors du passa g e d ' un objet métallique , ce champ est réduit car la pièce métallique absorbe de l'énerg ie.

Ce changemen t est détecté et transmis en sortie.

Dans le cas d 'u n capteur capacitif, c'est un champ électr ique qui est émis.

Tout objet passant devant le détecteu r va perturber ce champ et entra îner une informa tion en sortie.

les capteurs opio -électriques Principe de fonctionnement d'un capteur fonctionnent grâce à la lum ière.

le dispositif est composé d'un émetteur et d'un récepteur .

lorsque le récepteur enregistre une variation de l'intensit é lum ineuse envoyée par l'émetteur , il en déduit qu'un objet vient de passer à proximité .

Cette variation peut être due au fait qu'une pièce circule entre l'émetteur et le récepteur ou bien que la distance entre l'objet réfléc hissant la lumière de l'émetteur vers le récepteur a changé.

Il existe de nombreux autres types de capteurs , mais l e principe d'acquisition , de traitement et de renvoi de la donnée reste constant.

Nous avons vu que la mesure d 'un capteur est toujours entachée d'une erreur.

Celle-ci provient le plus souvent , dans le cas des capteurs électr iques, de la conversion du signal de l'analogique au numérique.

t:analogique caractérise une évolution cont inue d 'une grandeur offrant donc une précision infinie , mais fortement affectée par les perturbatio ns.

On peut réaliser l'analogie avec une route dont l'altitude augmente de façon continue , mais où des cahots p euvent modif ier l'évolution globale.

le numérique fournit un s ignal discret , c'est-à-dire par niveau , ayant perdu dela qualité mais qui est plus aisé à traiter.

En reprenant l 'image, nous pourrions assim iler la route avec un escalier .

t:altitude n'est pas fidèlement représentée, mais la mar ge entre deux marches permet d 'ignorer les irrégularités de la chaussée.

la conversion de l 'analogique au numérique entra îne une perte de qualité car le signal est décrit en terme de niveaux et toutes le s valeurs intermédiaires à deux nivea ux sont perdues , d 'où l'appar ition d'une erreur .

Celle-ci peut être min imisée en réduis ant le pas e ntre les différents niveaux .

la qualité du capteur est alor s a u gmentée .

Nous avons donc pu constater l'importance des mesures dans la démarche scienti fique et leur utilit é dans quelques applica tions indu strielles , tout en remar quant que les capteurs réalisant ces mesures sont de types et de qualités dive rses.

À ce jour , une voiture moderne compte près de soixante capteurs pour assurer son fonctionnement et le confort des passagers et il est à parier que ce nombre croîtra rapidemen t dans les années à venir .

Ainsi pouvons-nous assurer que le domaine de l'acquisit ion et du traitement de l'information physique est appelé à se développer de façon considérable.

ACQUISITION TRANSDUCTION TRAITEMENT DES DONNÉES AFF ICHAGE _J. »