SPCL Terminale/Capteurs et Metrologie

Capteurs et Metrologie

SPCL TerminaleInstrumentationECE classique

Duree : 50 min · Difficulte : ⭐⭐⭐⭐

Objectifs du cours

  • Expliquer le principe de fonctionnement d un capteur (transduction)
  • Identifier les differents types de capteurs (temperature, pression, debit, niveau, optiques)
  • Decrire la chaine de conditionnement du signal (amplification, filtrage, CAN)
  • Realiser un etalonnage et calculer les incertitudes de mesure
  • Connaitre les concepts de tracabilite et de metrologie legale
  • Comprendre les capteurs intelligents et l Internet des Objets (IoT)

I. Introduction : Qu est-ce qu un capteur ?

Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique(temperature, pression, luminosite, etc.) en un signal electrique exploitable par un systeme de mesure ou de controle.

Schema de principe d un capteur

Grandeur

physique

(mesurande)

CAPTEUR

Transduction

Signal

electrique

(V, I, R, f)

Vocabulaire essentiel

  • Mesurande : grandeur physique que l on cherche a mesurer
  • Transducteur : element qui convertit une forme d energie en une autre
  • Corps d épreuve : partie sensible du capteur en contact avec le mesurande
  • Grandeur de sortie : signal electrique delivre (tension, courant, resistance, frequence)

II. Caracteristiques metrologiques des capteurs

Pour choisir un capteur adapte, il faut connaitre ses caracteristiques metrologiques.

CaracteristiqueDefinitionUnite / Exemple
Etendue de mesurePlage de valeurs mesurables (min - max)0 - 100°C, 0 - 10 bar
Sensibilite SVariation de sortie par unite de mesurande : S = ΔV/Δm10 mV/°C, 0.5 V/bar
ResolutionPlus petite variation detectable0.1°C, 0.01 bar
LineariteEcart maximal par rapport a une droite ideale± 0.5% de l etendue
JustesseEcart entre la moyenne des mesures et la valeur vraie± 0.1°C
Fidelite (repetabilite)Dispersion des mesures repetees± 0.05°C
Temps de reponseTemps pour atteindre 63% ou 90% de la valeur finaleτ = 2 s, t₉₀ = 5 s
HysteresisDifference de reponse selon le sens de variation± 0.2% EM
Derive (drift)Variation dans le temps (vieillissement)0.1°C/an

Precision vs Exactitude

Un capteur precis (fidele) donne des mesures regroupees. Un capteur exact (juste) donne des mesures proches de la vraie valeur. L ideal est d avoir les deux !

III. Capteurs de temperature

La temperature est la grandeur la plus frequemment mesuree en laboratoire et en industrie. Plusieurs technologies coexistent selon les besoins.

1. Thermocouple

Deux fils metalliques de natures differentes soudes a leurs extremites. La difference de temperature entre les deux soudures genere une force electromotrice (effet Seebeck).

E = S × (T₁ - T₂)

E : f.e.m. (mV) | S : coefficient Seebeck (μV/°C) | T₁, T₂ : temperatures des jonctions

TypeMetauxPlageSensibilite
KChromel / Alumel-200 a +1200°C41 μV/°C
JFer / Constantan-40 a +750°C52 μV/°C
TCuivre / Constantan-200 a +350°C43 μV/°C
SPt-Rh 10% / Pt0 a +1600°C10 μV/°C

Avantages : large plage, robuste, pas d auto-echauffement |Inconvenients : faible signal, soudure froide a compenser

2. Sonde a resistance platine PT100 (RTD)

La resistance electrique du platine varie lineairement avec la temperature.PT100 : R = 100 Ω a 0°C.

R(T) = R₀ × [1 + α × (T - T₀)]

R₀ = 100 Ω | α = 3.85 × 10⁻³ °C⁻¹ (platine) | T en °C

Plage typique

-200 a +850°C

Sensibilite

0.385 Ω/°C

Avantages : tres stable, precis, lineaire |Inconvenients : cout élève, auto-echauffement, lent

3. Thermistance CTN (Coefficient Temperature Negatif)

Semi-conducteur dont la resistance diminue fortement quand la temperature augmente. Comportement non lineaire.

R(T) = R₀ × exp[B × (1/T - 1/T₀)]

R₀ : resistance a T₀ (25°C = 298 K) | B : constante (2000-5000 K) | T en Kelvin

Avantages : tres sensible, petit, pas cher |Inconvenients : non lineaire, plage limitee (-40 a +150°C), auto-echauffement

Comparaison des reponses R = f(T)

PT100
Lineaire ↗
CTN
Exponentiel ↘
TC
Faible (mV)

IV. Capteurs de pression, debit et niveau

1. Capteurs de pression

La pression deforme une membrane ou un element elastique. Cette deformation est mesuree par des jauges de contrainte (variation de resistance) ou des elements piezoelectriques.

Capteur piezo-resistif

Jauges de contrainte sur membrane silicium. Variation de R proportionnelle a la pression.

Capteur piezoelectrique

Cristal (quartz) generant une charge electrique sous contrainte. Ideal pour pressions dynamiques.

Capteur capacitif

Membrane deformable = armature d un condensateur. Variation de C avec la pression.

Tube de Bourdon

Tube metallique courbe qui se deforme sous pression. Manometre mecanique classique.

Jauge de contrainte : ΔR/R = K × ε où K ≈ 2 (facteur de jauge), ε = deformation relative

2. Capteurs de debit

Le debit volumique Q (m³/s) ou massique Qm (kg/s) peut etre mesure par plusieurs méthodes :

TypePrincipeApplications
Organe deprimogeneMesure de ΔP a travers un diaphragme ou venturiGaz, liquides, industrie
Debitmetre a ultrasonsTemps de transit ou effet DopplerNon intrusif, liquides
Debitmetre electromagnetiquef.e.m. induite dans un fluide conducteur (Faraday)Liquides conducteurs
Debitmetre a effet CoriolisTube vibrant, dephasage proportionnel au debit massiqueTres precis, liquides/gaz
RotametreFlotteur dans un tube coniqueVisuel, labo, gaz

3. Capteurs de niveau

Detection de niveau de liquide dans une cuve ou un reservoir :

  • Sonde de pression hydrostatique : P = ρ × g × h (pression fonction de la hauteur)
  • Capteur a ultrasons : mesure du temps de vol d une onde reflechie par la surface
  • Capteur capacitif : la capacite varie selon le niveau du dielectrique (liquide)
  • Radar / micro-ondes : principe similaire aux ultrasons mais avec des ondes EM
  • Flotteur magnetique : aimant dans un flotteur, detecte par un contact Reed

V. Capteurs optiques

Les capteurs optiques convertissent un flux lumineux en signal electrique. Ils sont essentiels en spectrophotometrie, controle qualite et automatisation.

1. Photodiode

Jonction PN polarisee en inverse. Les photons incidents creent des paires electron-trou, generant un courant proportionnel a l eclairement.

I = S × Φ

I : photocourant (A) | S : sensibilite (A/W) | Φ : flux lumineux (W)

Sensibilite typique : 0.3 a 0.6 A/W | Temps de reponse : ns a μs | Spectrophotometre UV-Vis

2. Photoresistance (LDR)

Semi-conducteur (CdS, CdSe) dont la resistance diminue sous l effet de la lumiere. Simple mais lent.

Dans le noir

R > 1 MΩ

Eclaire

R < 1 kΩ

Applications : eclairage automatique, detecteurs crepusculaires (reponse lente ~10-100 ms)

3. Phototransistor

Transistor dont la base est sensible a la lumiere. Effet d amplification par rapport a la photodiode (gain β ≈ 100-1000), mais plus lent.

4. Capteurs a fibre optique

La fibre optique peut elle-meme etre le capteur (capteur intrinseque) ou simplement transporter la lumiere (capteur extrinseque).

  • Reseau de Bragg : variation de la longueur d onde reflechie avec T ou deformation
  • Interferometrie : tres haute sensibilite (Fabry-Perot, Mach-Zehnder)
  • Attenuation / courbure : detection de pression, deplacement

Avantages : immunite EM, utilisation en zones ATEX, multiplexage possible

5. Capteurs d image (CCD / CMOS)

Matrices de photodetecteurs pour l imagerie. Utilises en microscopie, spectrometrie (detecteur lineaire), controle vision industrielle.

CCD

Haute qualite, faible bruit, cher, consommation élèvee

CMOS

Moins cher, rapide, basse conso, bruit plus élève

VI. Conditionnement du signal

Le signal brut du capteur doit etre conditionne avant exploitation : amplifie, filtre, et converti en numerique.

Chaine de conditionnement complete

Capteur

Ampli

Filtre

E/B

CAN

μP

1. Amplification

Le signal des capteurs est souvent faible (mV pour un thermocouple, μA pour une photodiode). Un amplificateur operationnel (AOP) permet d augmenter l amplitude.

V_out = G × V_in

G = gain (sans unite) | Amplificateur d instrumentation : G = 1 + (2R₁/Rg)

L amplificateur d instrumentation (INA) est ideal : fort CMRR, haute impedance d entree, faible derive.

2. Filtrage

Elimination du bruit haute frequence (parasites, 50 Hz secteur) par un filtre passe-bas.

f_c = 1 / (2π × R × C)

f_c : frequence de coupure | Filtre RC passe-bas du 1er ordre

Le filtre anti-repliement avant le CAN est obligatoire (critere de Shannon : f_e ≥ 2 × f_max).

3. Conversion Analogique-Numerique (CAN)

Le convertisseur analogique-numerique transforme une tension continue en valeur binaire.

Resolution = V_ref / 2ⁿ

n : nombre de bits | Ex : CAN 12 bits, V_ref = 5V → Resolution = 5/4096 = 1.22 mV

ResolutionNombre de niveauxLSB (pour 5V)
8 bits25619.5 mV
10 bits10244.88 mV
12 bits40961.22 mV
16 bits6553676 μV
24 bits16 777 2160.3 μV

VII. Metrologie : etalonnage et incertitudes

La metrologie est la science de la mesure. Elle garantit que les resultats sont fiables, comparables et tracables aux etalons internationaux.

1. Etalonnage (calibration)

L etalonnage consiste a comparer les mesures du capteur avec un etalon de referencede qualite superieure (tracable au SI).

Procedure d etalonnage type :

  1. Appliquer plusieurs valeurs connues (etalons) sur toute l etendue de mesure
  2. Rélèver les valeurs indiquees par le capteur
  3. Tracer la courbe d etalonnage : mesure = f(etalon)
  4. Determiner l equation de la droite de regression
  5. Calculer les ecarts et incertitudes

Courbe d etalonnage : y = a × x + b

a : sensibilite | b : decalage (offset) | Regression lineaire par moindres carres

2. Calcul des incertitudes (GUM)

Le GUM (Guide pour l expression de l incertitude de mesure) definit la méthode de calcul.

Types d incertitudes :

  • Type A : evaluation statistique (repetabilite) → u_A = s / √n
  • Type B : autres sources (certificat, specifications) → u_B = a / √3 (uniforme)

Incertitude composee

u_c = √(u_A² + u_B1² + u_B2² + ...)

Incertitude elargie

U = k × u_c

k = 2 pour un niveau de confiance de 95%

Exemple de calcul

Temperature mesuree : T = 25.3°C avec u_A = 0.05°C (repetabilite) et u_B = 0.10°C (capteur).
u_c = √(0.05² + 0.10²) = 0.11°C
U = 2 × 0.11 = 0.22°C
Resultat : T = (25.3 ± 0.2)°C (k=2)

3. Tracabilite et chaine de raccordement

La tracabilite est la chaine ininterrompue de comparaisons reliant la mesure aux etalons nationaux puis au SI.

Pyramide de tracabilite

SI (BIPM)

LNE (France)

Labos accredites

Etalons de travail

Capteurs en production

LNE : Laboratoire National de metrologie et d Essais (France)

BIPM : Bureau International des Poids et Mesures (Sevres)

Accreditation COFRAC : garantit la competence des laboratoires d etalonnage

VIII. Chaine de mesure complete

Une chaine de mesure integre tous les elements, du capteur a l affichage du resultat.

Schema bloc d une chaine de mesure

Mesurande

T, P, Φ...

Capteur

Transduction

Conditionneur

Ampli + Filtre

CAN

12-24 bits

Traitement

μP / DSP

Interface

Affichage

Communication

Bus / Reseau

Transmetteurs analogiques

  • 4-20 mA : standard industriel, immunite au bruit, detection de coupure (0 mA)
  • 0-10 V : simple mais sensible aux chutes de tension

Bus de communication

  • HART : numerique superpose au 4-20 mA
  • Modbus : RS485, simple, tres repandu
  • Profibus / Profinet : automates Siemens

IX. Capteurs intelligents et Internet des Objets (IoT)

Un capteur intelligent integre dans un meme boitier le capteur, le conditionnement, le CAN, un microprocesseur et une interface de communication. Il delivre directement une mesure traitee et corrigee.

Architecture d un capteur intelligent

Element sensible

+

ASIC / μC

+

Memoire EEPROM

+

Interface com

Avantages

  • • Auto-calibration et correction des derives
  • • Traitement local (filtrage, moyennage)
  • • Diagnostic et autotest
  • • Communication numerique bidirectionnelle
  • • Reduction du cablage (bus)

Technologies IoT

  • LoRaWAN : longue portee (km), faible debit, batterie
  • Sigfox : reseau mondial, messages courts
  • NB-IoT / LTE-M : reseau cellulaire, fiable
  • Zigbee / Thread : reseau maille local
  • Wi-Fi / BLE : courte portee, haut debit

Application : Industrie 4.0

Les capteurs IoT permettent la maintenance predictive : en analysant en continu les vibrations, temperatures et courants d une machine, on detecte une usure avant la panne. Les donnees sont envoyees vers le cloud pour analyse par IA.

Chiffres cles a retenir

PT100

100 Ω a 0°C

4-20 mA

Signal industriel

k = 2

Confiance 95%

12 bits

CAN standard

Formules essentielles

Sensibilite

S = ΔV_sortie / Δmesurande

PT100

R(T) = 100 × [1 + 3.85×10⁻³ × T]

CTN

R(T) = R₀ × exp[B × (1/T - 1/T₀)]

Thermocouple

E = S × ΔT

Resolution CAN

LSB = V_ref / 2ⁿ

Incertitude composee

u_c = √(Σu_i²)

Incertitude elargie

U = k × u_c (k=2 pour 95%)

Filtre passe-bas

f_c = 1 / (2π × R × C)

Resume du cours

  • Capteur = transducteur convertissant une grandeur physique en signal electrique
  • Temperature : thermocouple (large plage), PT100 (precis), CTN (sensible)
  • Pression : jauges de contrainte, piezo, capacitif
  • Optique : photodiode, LDR, fibre optique, CCD/CMOS
  • Conditionnement : amplification → filtrage → CAN
  • Metrologie : etalonnage + incertitudes (GUM) + tracabilite
  • Formules : u_c = √(Σu_i²), U = k × u_c, LSB = V_ref/2ⁿ
  • Capteurs intelligents : integrent traitement + communication (IoT)

Points ECE frequents

  • • Etalonnage d une sonde PT100 ou d un thermocouple
  • • Calcul d incertitudes (Type A et B)
  • • Caracterisation d un capteur (sensibilite, linearite)
  • • Mise en oeuvre d une chaine de mesure avec CAN
  • • Interpretation d un certificat d etalonnage
Scientia