TPE SUR LES MESURES

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

Lorsqu'un courant électrique le p a rcourt, la bobine crée un champ magnétique .

Or, le voltmètre et l'ampèremè tre disposent aussi d 'un aimant mais l'axe de celui-ci est différent de celui du bobina ge.

L'angle entr e les d eu x axes crée un couple magn étiqu e sou s l'effet des champs mag nétiques d e la bobin e et de l'aimant.

Le couple m eut le bobina ge et l'aiguille indiqu ant la valeur du courant ou celle de la tension électrique sur le cadran.

MESURE DE GRANDE S DISTANCE S La mesur e permet aussi de connaître les longueur s dont certaines sont emblématiques.

Pa r exemple, la mesure de la distance séparant la Terre de la Lune n'a pu être réalisée de façon préci se qu'à partir de 1969 et le jour où l'homme m archa sur la Lune pour la première fois ! Les astronautes de la mission Apollo 11 y dé posèrent une plaque réfléchi ssante de 46 cm' composée de cent demi -cubes de silicium.

Dès lors, lorsque nous envoyons un faisceau laser sur cette plaque depui s la Terre , celui-ci est réfléchi et revien t à l'endroit d e l'émission.

En mesurant la durée du parcour s 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 scientifiqu es peuvent calculer la distance réali sée par la lumi ère.

Div isée par deux , celle-ci nous donne la distance Terre-Lune à l'instant de la mesure avec une préci sion d'environ 3 cm (cette distance évolue constamment e t est d e nos jour s de l'ordre de 380 000 km) .

Ce dispositif de mesure nous a par ailleurs permis de confirmer le fait que la Lune s 'éloigne d e la Terr e avec le temps.

Nous allons maintenant étudi er les dispositif s t echniqu es permettant de réalise r ces mesures : les capteurs.

Tout d'abord , nous pouvons définir le capteur comme un dispos itif qui «tran sform e » l'éta t d 'une grandeur physique en une grand eur utilisable.

Le capteur est en quelqu e sorte l'œil du système (dans le cas d'un détecte ur d e pluie d 'une voiture, par exemple), dans la mesure où c'est lui qui va prélever l'information (présence de pluie ) dans le milieu environnant et la retourner sou s une forme compréhensible par le système (signal électrique tradui sant la présence de pluie ).

Le capteur sert toujour s 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 hum ain ou un calculateur .

MODE DE FONCTIONNEMEN T Il existe deux mode s de fonctionnement pour un capteur :le mode en boucle ouverte et le mode e n boucl e fermée.

Le mode " boucl e ouverte» est celui connu par le g rand public consistant à prendre une mesure et à en afficher directement le résul tat.

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

On peut considérer qu'un voltmètre est auss i utilisé en boucle ouverte puisque qu'il mesure une différence d e potentiels et la traduit sur l'affich eur.

Le mode « boucl e ferm ée » est très utilisé dans tous les produit s sensiblement complexes m êm e s i nous n 'en avons pas conscience , au premier abord.

Le principe est d 'utiliser le capteur comme un moy e n d e contrôle du mécani sme : le capteur mesure une grandeur physique qui, au lie u d 'être considérée comme un résultat, est prise en compte en tant que donn ée pour ajuster le fonctionnem ent du systè m e.

L'information renvoyée par le capteur agit directement sur le sy stè m e.

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

Le capteur d'altitude, qui peut être un altimèt re ou la donnée d 'un système GPS , décrit la situation à l'ordinat eur de bord .

Imaginons que le pilote dem a nde à voler plus haut.

Le capteur va re nvoyer l'altitude actuelle et l'ordinateur , grâce à la donn ée du capteur e t à l'altitude désir ée par le pilote , va déduire que l'avion se situe trop bas e t don c contrôler les commandes de l'appareil pour s'élever.

Comm e le systè m e fonctionn e e n boucl e fermée, le capt eur mesure une nouvell e fois l'altitude .

L'ordinateur va constater que l'avi o n s'est rapproch é de l'altitude désirée et dem ander à l 'appareil d e ra lentir son ascension.

Finalem ent, l'avion parviendra a u niveau d em a ndé de façon autonome .

Un capteur se compose concrètement de trois parties distinctes : • le prélèvem ent de la g randeu r physique, grandeur physique représentativ e d'un phénomène (température, pression, ten sion , etc.) • le traitement de cette donnée , • le renvoi du résultat.

Nous pouvon s en fournir un exemple concret en utilisant la balance mécanique .

Le prélèvement de la g randeur physique est réalisé, ici, par le mécanisme tran s mettan t le poids de l'objet à peser du plateau jusqu'au resso rt.

Le trait em e nt de la donn ée est effectu é par la déformation du resso rt.

Enfin , Le renvoi du résultat est acco mpli par le système m ettant en mouvement l'aiguille de la balance.

L E TRAITEMENT DES DON NÉES C'est la partie cruciale du capteur, puisqu 'elle doit notamment amplifier un signal d e faible magnitude afin de le rendre compréhensible par son e n vironnement.

Cependant , cette opération peut engendrer une d été rioration d e la mesure car l'amplific ation va à la fois avoir lie u sur le paramètr e étudié, mais aussi sur le bruit ambiant , ce qui risque d e fausser la mesure.

Pour éviter ce phénom ène, un capteur est souve nt équi pé de filtres pour supprim er les composantes indé sirables du signal.

D e plus, il faut savo ir qu'un capteur ne prélève ja m ais une donnée physiqu e de f açon parfaite :la mesure s'accompag n e toujour s d'une perturbation de la grandeur physique à étudier du fait m ême de la prise de mesure .

Il est donc néce ssaire de connaître cette erreur et de vérifier qu'elle ne conduit pas à un résultat aberrant.

En effet, si nous prenons l'exe mple d 'un anémomèt re dont la précision est ± 2 km/ h , alors il sera inutile de l'utiliser pour mesurer un vent dont la vitesse est trop f aible car l'erreur relative serait trop importante ( l'erreur relative pour un vent de 8 km/ h serait de 25 •Jo).

L e choix du capteur est donc décisif dans l'obtention d 'une mesure pertinente .

Il est auss i réali sé en foncti o n du type de la mesurande .

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

Pour illu strer les possibilités offertes, nous pouvons d étailler le f o nctionnement de plusie urs capteurs : interrup teur de position, capteur à seuil de pression , capteur mag nétique, capteur inductif , capteur capacitif, capteur opta­ é l ectrique .

L'interrupteur de position est utilisé pour détecter une " fin de course», c'est-à-dire le moment où l'actionneur arrive à sa position final e.

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

Le capteur est le plus souvent constitué de deux lamelles m étallique s reliées à des potentiels électriques différents .

Lorsqu e le dispositif parvient e n fin de course, celui-ci vient buter contre une des lamell es et la plaque sur l'autre .

L e c ircuit électrique se f erme et p ermet au courant de passer et donc d e transmettre l'inform ation « fin de course atteinte».

Le capteur à seuil de pression p e ut être implanté sur l'orifice d'échappement d 'un vérin (l'orifice permettant au fluide de sortir du vérin , tandi s que l'orifi ce d'admission apporte du fluid e pour pousser le piston).

Lorsqu e le piston est en mouvement , il force le fluide à sortir du vérin et entraîne une augmentation d e la pression d e la chambr e à l'échappement.

À l a fin du mouvement du piston, le fluide s'écou le de lui­ m ême et la pression diminue.

Lorsque celle-ci passe sou s le seuil du capteur, l'information « piston arrê t é » est e nvoyée.

Le capteur mag n étiqu e présente un champ magnétique obtenu par une bobin e à noyau de ferrite plac ée dans un circuit électrique soumis à une tension variable.

Pour détecte r un changement d'état, il est nécessa ire d'appliquer un champ magnétiqu e sur la surface sensible du capteur grâce à un aimant permanent par exem ple.

Le courant du circuit électrique oscillant se trou ve alors modifi é et tra n sform é par l'étage d'amplification en un signal de sortie.

Les capteurs inductif e t capacitif fonctionn ent sur le m êm e princip e.

Les capteurs inductif s génère nt aussi un champ magnétique.

L o rs du passage d 'un objet métalliqu e, ce champ est r é duit car la pièce métallique absorbe d e l'éne rgie.

Ce changement est détecté et transmis en sortie.

D ans le cas d'un capteur capacitif, c'est un champ é lectriq ue qui est émis.

Tout objet passant devant le détecteur va perturber ce champ et entraîn er une information en sortie.

Les capteurs opta-électriques Principe de fonctionnement d'un capteur fonctionnent grâce à la lumière .

Le disposi tif est composé d 'un émetteur et d'un récepteur .

Lorsque le récepteur enregi stre une variation de l 'inten sité lumin e use envoyée par l'émett eur, il en déduit qu'un objet vient d e p asse r à proximité .

Cette variation peut être due au fait qu'une pièce circule entre l'émetteur et le récepteur ou bie n que la distanc e entre l'objet r éfléchissant la lumi ère de l'émetteur vers le récepteur a changé.

Il existe de nombreu x autres types de capteurs, mais le principe d'acquisition , de traitement et de r envoi de la donnée reste constant.

Nou s 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 électriques, de la conve r sion du signal de l'analo gique au num érique .

L'analogique caractérise une évolution continue d'une g rande ur offrant donc une préci sion infini e, mais fortement affectée par les perturbations.

On peut réaliser l'analogie avec une route dont l'altitude augmente d e façon continue , mais où des cahots peuvent modifier l'évo lution globale .

Le numérique fournit un signal discr e t, c'est-à-dire par niveau , ayant p erdu de la qualité mais qui est plus aisé à traiter.

En reprenant l'image, nous pourrions assimiler la route avec un esca lie r.

L'altitude n 'est pas fidèlement représent ée, mais la mar ge entre deux marche s permet d 'ignore r les irrégularités de la chaussée.

La conversion de l'analo gique au num érique entraîne une perte de qualité car le s ignal est décrit en terme de niveaux et toutes les valeurs intermédiair es à deux niveaux sont perdue s, d 'où l'apparition d'une erreur.

Celle-ci peut être minimi sée en réduisa nt le pas entre les différents niveaux.

La qualité du capteur est alors augmentée.

Nous avons donc pu consta ter l'importance des mesures dans la d ém a rche scientifique et leur utilité dans quelque s applications industrielles , tout en r emarquant que les capteur s réalisant ces mesures sont de types e t de qualités diver ses.

À ce jour.

une voiture modern e compt e près de soixante capteur s pour assurer son fonctionnement et le confort des passage rs e t il est à parier que ce nombr e croîtra rapidement dans les années à venir.

Ainsi pouvon s-nous assurer que le domaine de l'acquisition et du traiteme nt de l'information physique est appelé à se développer de façon cons idérable .

ACQUISITION TRANSDUCTION TRAITEMENT DES DONNÉES AFFICHAGE z 0 i= üi • transformation du s ignal physique en signal électrique étalonnage , élaboration de la mesure. »