Capteurs et Métrologie
De la mesure à la donnée fiable : maîtriser les capteurs et quantifier les incertitudes.
Objectifs du Chapitre
I. Chaîne de Mesure
Schéma fonctionnel
Caractéristiques d'un capteur
| Caractéristique | Définition |
|---|---|
| Étendue de mesure | Plage de valeurs mesurables (ex: 0-100°C) |
| Sensibilité S | S = ΔS/Δm (variation de sortie / variation du mesurande) |
| Résolution | Plus petite variation détectable |
| Linéarité | Écart maximal par rapport à une droite idéale |
| Temps de réponse | Temps pour atteindre 63% (τ) ou 95% (3τ) de la valeur finale |
| Hystérésis | Différence entre mesure montante et descendante |
II. Types de Capteurs
2.1 Capteurs de température
Thermocouple
Effet Seebeck : jonction de 2 métaux différents → tension ∝ ΔT.
Types : K, J, T, E, N, S, R, B
PT100 / PT1000
RTD : résistance platine. R = R₀(1 + αT). Très précis, stable.
α ≈ 3,85 × 10⁻³ °C⁻¹
Thermistance CTN
Résistance décroît avec T (coefficient négatif). Très sensible mais non linéaire.
Pyromètre
Mesure sans contact par rayonnement IR. Hautes températures.
2.2 Capteurs de pression
Piézorésistif
Jauge de contrainte : R varie avec la déformation. Pont de Wheatstone.
Capacitif
Membrane déformable → variation de capacité. Précis, stable.
Piézoélectrique
Quartz génère une tension sous pression. Dynamique (variations rapides).
2.3 Autres capteurs
Débitmètres
Électromagnétique (liquides conducteurs), ultrasonore (temps de transit, Doppler), Coriolis (massique), à vortex.
Capteurs de niveau
Ultrasonore, radar, capacitif, pression hydrostatique, flotteur.
Capteurs optiques
Photodiode, phototransistor, CCD/CMOS, fibre optique. Détection, mesure, imagerie.
III. Conditionnement du Signal
Pont de Wheatstone
Mesure de faibles variations de résistance (jauges de contrainte, RTD).
Équilibré quand R₁/R₂ = R₄/R₃ → Vout = 0
Amplification
AOP non-inverseur
Ampli d'instrumentation
Haute impédance d'entrée, RRMC élevé. Idéal pour ponts de mesure.
Conversion AN
Résolution
q = quantum (LSB), n = nombre de bits
Fréquence d'échantillonnage
Théorème de Shannon
IV. Métrologie
4.1 Vocabulaire
Justesse
Absence de biais systématique. Valeur moyenne proche de la valeur vraie.
Fidélité
Dispersion faible des mesures répétées. Répétabilité + reproductibilité.
Exactitude
= Justesse + Fidélité. Mesures proches de la vraie valeur et entre elles.
Traçabilité
Chaîne ininterrompue de comparaisons jusqu'aux étalons nationaux/internationaux.
4.2 Incertitudes
Composition des incertitudes
Combinaison quadratique des incertitudes-types (si sources indépendantes).
4.3 Étalonnage
- Utiliser un étalon de référence traçable
- Mesurer plusieurs points dans l'étendue de mesure
- Calculer l'erreur à chaque point (mesure - référence)
- Déterminer l'incertitude d'étalonnage
- Établir le certificat d'étalonnage
V. Pièges à Éviter
❌ Confondre résolution et précision
Un affichage à 3 décimales ne garantit pas une précision de 0,001.
❌ Oublier le temps de réponse
Attendre la stabilisation avant de lire (3τ minimum pour 95%).
❌ Négliger les effets parasites
Température ambiante, humidité, vibrations, interférences EM affectent la mesure.
❌ Étalonnage périmé
Respecter les périodicités d'étalonnage. Un capteur dérive dans le temps.
