La chaîne d'acquisition: choix d'un capteur et d'un conditionneur

1. Introduction

Les capteurs et la chaîne d'acquisition sont au coeur de beaucoup de systèmes industriels. Un capteur est un élément déterminant de la chaîne d'information et un mauvais choix de capteurs peut avoir de sérieuses conséquences économiques.

Ce dossier vise à donner un cahier des charges de l'ensemble {capteur et conditionneur}. L'ensemble des critères sont expliqués. Ce document est basé sur le cours de Pascal Challande de l'ESTACA repris par Olivier Hubert (Maître de conférence ENS Cachan) et le cours de Michel Hubin(ex chercheur CNRS).

2. La chaîne d'acquisition

2.1. Une mesure : Grandeurs physiques à mesurer

Une mesure est une représentation quantifiée d'une grandeur physique. On définit la terminologie suivante :

  • mesurande : grandeur physique soumise à un mesurage (pression, température, vitesse ...),

  • mesurage : toutes les opérations permettant l'obtention de la valeur numérique d'une grandeur physique (mesurande),

  • mesure : valeur numérique représentant au mieux la mesurande (6 MPa, 20°C, 2 m/s ...).

Par abus de langage, on confond souvent mesurage (action) et mesure (résultat de l'action).

La valeur numérique de la mesure est associée à une unité.

Les grandeurs qui nous intéressent sont celles qui interviennent dans le domaine de la mécanique physique, à savoir principalement : déplacement, allongement, vitesse, débit, accélération, force, pression, contrainte, température. Les techniques de mesurage font appel à des méthodes très variées et font intervenir différents types de phénomènes physiques. Les mesurandes qui nous intéressent sont :

  • longueur, épaisseur (m),

  • position, niveau (m),

  • déplacement (m),

  • temps (s)

  • vitesse linéaire (m/s),

  • vitesse angulaire (rad/s),

  • force (N),

  • couple (Nm),

  • vibration, accélération (m.s-2),

  • allongement relatif (%),

  • pression (MPa)

2.2. Structure fonctionnelle de la chaîne d'acquisition

La chaîne d’acquisition permet de transformer une grandeur à mesurer en un signal électrique exploitable. La chaîne d'acquisition classique comporte 4 composants.

Figure 1 : Les 4 composants constituant une chaîne d'acquisition

Les détails concernant les conditionneurs sont développés ici.

Le signal peut prendre une forme particulière pour être transmis (numérique le plus souvent). Il est parfois nécessaire de traiter ce signal pour le rendre exploitable. L'exploitation peut être un affichage, la comparaison à une consigne,....

La chaîne d'acquisition est intégrée dans des systèmes qui nécessitent le pilotage d’une grandeur. On obtient le schéma classique suivant :

Figure 2 : Schéma d'une chaîne de pilotage

Dans ce document, nous nous intéressons uniquement aux capteurs et aux conditionneurs éventuels. Néanmoins le choix d'un capteur se fait en fonction de l’environnement dans lequel il se trouve.

2.3. Les capteurs

La fonction d'un capteur est de délivrer un signal électrique de sortie S qui est fonction de la mesurande m.

Le capteur nous donne la relation S=f(m)

Exemple: La courbe ci dessous montre un capteur qui transforme un champ magnétique en courant.

Il est possible de séparer les capteurs en deux catégories :

  • les capteurs actifs qui transforment directement la mesurande en grandeur électrique,

  • les capteurs passifs qui utilisent un élément intermédiaire (corps d'épreuves) qui réagit au phénomène physique et une alimentation électrique extérieure pour obtenir un signal électrique de bas niveau.

Le capteur actif

Figure 3 : Schéma fonctionnel d'un capteur actif

Les capteurs actifs sont caractérisés par le fait qu'ils assurent une conversion d'énergie (mécanique ou thermique) en énergie électrique. Au mesurande est associé une tension ou un courant. A chaque conversion correspond un principe physique.

Quelques exemples :

Effet Hall

Une plaquette est parcourue par un courant I. Lorsqu'elle soumise à un champ magnétique, il apparaît entre ses bornes une tension électrique qui dépend du matériau, du courant et du champ magnétique donc de la position de l'aimant.
Thermoélectricité : Pincipe du thermocouple

Un circuit formé par deux matériaux de nature chimique différente dont les jonctions sont à des températures différentes est le siège d'une f.e.m..
Piésoélectricité

Un matériau piézoélectrique soumis à des contraintes ou des déformations fait apparaître des charges de signes opposés sur ses faces entraînant ainsi une tension aux bornes d'un condensateur.

Le capteur passif

Figure 4 : Schéma fonctionnel d'un capteur passif

Un capteur passif est composé :

  • d'un corps d'épreuve : Il a pour rôle de transformer le mesurande en une grandeur physique mesurable. Dans de nombreux cas, c'est la résistivité d'un matériau qui varie avec le mesurande. Exemple :

    • thermistance (variation en fonction de la température),

    • jauge de déformation (variation en fonction de la déformation),

    • capteur de position (la résistivité des corps magnéto-résistants dépend du champ magnétique auquel ils sont soumis),

  • d'un transducteur : c'est l'élément sensible. Il traduit les réactions du corps d’épreuve en grandeur électrique.

On trouve aussi des capteurs passifs construits à partir de matériaux dont la constante diélectrique varie avec le mesurande, ce qui entraîne des variations de capacité (exemple de certains verres à très basse température). La perméabilité magnétique d'un matériau ferromagnétique varie avec la déformation. Un capteur passif nécessite l'intégration dans un circuit électrique comprenant une source (de courant ou de tension) pour déterminer la valeur de l'impédance. Ce circuit est appelé circuit conditionneur. La valeur de l'impédance peut aussi être déterminée au travers de la fréquence d'un oscillateur.

3. Eléments du cahier des charges de l'ensemble {Capteur+Conditionneur}

Nous considérons l'ensemble capteur et conditionneur qui réalise l'acquisition de l'information. La communication et le traitement de l'information font l'objet d'un autre document.

L'analyse fonctionnelle du besoin pour la phase de vie utilisation est donnée ci-dessous. Pour avoir le détail de l'explication des critères, il suffit de cliquer sur le lien proposé dans les tableaux de caractérisation.

3.1. Diagramme pieuvre

  • FS1 : l'ensemble {capteru+conditionneur} permet de transformer une grandeur physique à mesurer en signel de mesure

  • FS2 : l'ensemble {capteru+conditionneur} est perturbé par des grandeurs physiques

  • FS3 : l'ensemble {capteru+conditionneur} s'intègre dans un système

3.2. Caractérisation des fonctions de service

FS1 : l'ensemble {capteur+conditionneur} permet de transformer une grandeur physique à mesurer en signel de mesure

Critères Valeurs
Etendue de mesure Mmini < m < Mmaxi
Domaine de linéarité Mlmini < ml < Mlmaxi ou % écart linéarité
Sensibilité statique et dynamique Statique
Résolution et précision X % en plein échelle
Rapidité et temps de réponse TR (5%) = t (s)

Ces critères sont détailles dans l'annexe Caractéristiques métrologiques d'un capteur.

3.3. Caractérisation des Eléments du Milieu Extérieur

Système

Critères Valeurs
Normes commanditaires normes européennes
Accord commerciaux merché en cours n°19101
Coût erreur potentielle de non précision % erreur induit x € de pertes

Ces critères sont détaillés dans l'annexe Conditions commerciales et juridiques.

Signal de mesure

Critères Valeurs
Nature Numérique/Analogique
Niveau d'amplification X
Technique de transmission Liaison radio, optonique...
Erreur de mesure X %
Bruit X
Fidélité et justesse erreur systématique X %
Finesse perturbation dispositif de mesure X %

Ces critères sont détaillés dans les annexes Les conditionneurs et Caractéristiques des mesures.

Grandeurs d'influence

Critères Valeurs
Plage de température Tmini < T < Tmaxi
Plage hygrométrique %mini < %hygrométrie < %maxi
Plage champs magnétique Bmini < B < Bmaxi
Courant d'alimentation Ia (A)
Tension d'alimentation Va (V)
Fréquence d'alimentation Fa (Hz)