traité sur les capteurs et la conception instrumentale

"Mesure ce qui est mesurable et rend mesurable ce qui ne peut être mesuré" (Galilée)

Cet ensemble de documents constitue la capitalisation de 37 années de recherche fondamentale en physique du solide à l'état de couche mince, puis de recherche appliquée en capteurs et instrumentation en particulier pour la médecine ou l'environnement, et de nombreux enseignements ou séminaires en électronique fondamentale, capteurs et instrumentation tant au Centre Régional Associé au CNAM de Rouen qu'en DEA Instrumentation et Commande ou en Maîtrise de Sciences et Techniques en Environnement à l'Université de Rouen. Je remercie ici tous les étudiants et tous mes thésards, français et étrangers, qui ont participé, de quelque manière que ce soit, au cours de ces années à l'élaboration de ce capital. Il va de soi que je suis aussi redevable à de nombreux collègues qui ont écrit bien avant moi divers ouvrages de synthèse que le lecteur retrouvera dans les bibliographies accompagnant chaque chapitre ainsi qu'à de très nombreux chercheurs qui m'ont expliqué lors de congrès internationaux l'essence de leur travail cité ici, que tous trouvent ici l'expression de ma gratitude.

"Le thème de l'instrumentation est ambitieux, s'il en est, et l'on voit regroupées, sous ce vocable, de si nombreuses techniques et technologies qu'il devient irréaliste de prétendre les connaitre toutes". Cette phrase est extraite d'un ouvrage collectif intitulé "instrumentation industrielle" et publié sous le pseudonyme de Michel CERR en 1980. Remplacez le mot instrumentation par "capteurs et instrumentation" et cette phrase reste encore plus vraie, et plus le temps passe, plus il est difficile d'embrasser l'ensemble du domaine. Alors comment allons-nous pratiquer? Quels sont de facto les principaux objectifs de ce traité?

Ils sont de plusieurs ordres :

• Tout d'abord, il s'agit de faire prendre conscience au futur spécialiste de l'instrumentation et du contrôle, aussi bien qu'au non spécialiste, qu'une chaîne instrumentale comprend d'abord un (ou des) capteur(s) générant une information brute communément appelée signal, suivi(s) d'un ensemble de dispositifs traitant ce signal à destination d'un récepteur chargé d'afficher clairement un résultat interprété.
• le second point est qu'un capteur n'est jamais parfait et qu'il convient de connaître avec la plus grande précision possible son état d'imperfection (par construction ou résultant du vieillissement ou de conditions d'emploi particulières) si l'on veut pouvoir en tenir compte dans une interprétation raisonnable et raisonnée du résultat.
• le troisième élément est qu'il existe souvent plusieurs procédés de captage possible a priori et que pour effectuer le meilleur choix il convient d'avoir une idée très précise du contexte de la mesure, mais aussi des caractéristiques des différents capteurs et pour cela posséder des bases physiques solides, c'est à dire passer beaucoup de temps à se documenter et apprendre.
• En conséquence l'objectif fondamental de ce traité est de fournir au concepteur d'une chaîne instrumentale les bases essentielles de réflexion pour orienter ses choix en vue du meilleur compromis possible entre les exigences métrologiques, technologiques, économiques, de sécurité, de fiabilité...qui sont malheureusement le plus souvent contradictoires.
• Enfin la mode étant de tout ramener au concept de système d'information nous allons donc y sacrifier, mais en élargissant ce concept bien au delà de ce que les médias (et quelques collègues plus informaticiens qu'imaginatifs) mettent généralement derrière ce vocabulaire. Aussi ce chapitre introductif va-t-il être essentiellement une présentation de ce que nous appelons système d'information étendu et, consécutivement, de l'organisation structurelle de ce traité.

• Pour certains il s’agit simplement d’un système destiné à intégrer au sein d’une structure réseau (et donc en quelque sorte à remplacer) les échanges antérieurement réalisés par voie de courrier, de téléphone ou par contact direct de personne à personne, .

• Pour d’autres interlocuteurs, ce système doit permettre en outre d’extraire et de faire circuler de nouvelles informations. L’idée essentielle étant la constitution de bases de données au sein de l’entreprise, mais aussi à l’extérieur et leur exploitation (data mining). C'est le point de vue le plus répandu actuellement en particulier chez les informaticiens. Mais c'est un point de vue très restrictif.

• Dans une entreprise à caractère industriel, c’est à dire produisant des biens de manière de plus en plus automatisée, une notion (relativement) nouvelle tend à élargir sensiblement le concept de système d’information : il s’agit de la notion d’interdépendance des divers outils de production qui vient se combiner à la même notion étendue à l’ensemble de l’entreprise.
• Pendant longtemps les chaînes de production n’étaient automatisées que d’une façon séquentielle ou parcellaire, c’est à dire que les automates fonctionnaient indépendamment les uns des autres et qu’un opérateur était toujours nécessaire pour interpréter les informations lui venant de sa hiérarchie ou du service commercial ou du secteur production en amont ou en aval de son poste.
• La notion d’intranet combiné éventuellement à un extranet, qui n’est pas systématiquement internet mais tend de plus en plus à le devenir, fait exploser ce mode de fonctionnement. Dorénavant le système d’information se doit d’être réellement global, ce qui en d’autres termes revient à dire qu’il est constitué d’un réseau interconnecté avec tous les acteurs associés à l’entreprise qu’ils soient acteurs humains (internes à l'entreprise, clients ou fournisseurs) ou machines et qu’en temps réel le secteur commercial peut être informé, aussi bien que le technicien de maintenance, d’une panne sur une ligne de fabrication et que tous les acteurs concernés peuvent en conséquence réagir immédiatement. Cela veut dire aussi qu’un tel incident peut déclencher de manière presque automatique des actions de commande de pièces de rechange chez le fournisseur, mais également que la mise à niveau d’un outil de production peut-être parfois réalisée par téléchargement depuis le fournisseur de cet outil, basé à l'autre bout de la planète, de manière complètement transparente directement sur la chaîne de production sans intervention du personnel servant ledit outil.
• Ainsi le système transparent factory que certains appellent dorénavant le "tout IP" (pour Internet Protocol) permet l’interopérabilité entre les applications d’automatisme et de contrôle industriel, les équipements de terrain et les applications informatiques classiques.

• Les conséquences d’une telle évolution sont évidemment importantes en terme de technologie : un réseau destiné à véhiculer seulement de l’information substitutive d’information papier ou orale nécessite uniquement des ordinateurs équipés de cartes réseaux, des routeurs et un protocole de codage et de transmission des données.
• Par contre si des informations de nature technologique doivent circuler en temps quasi réel sur le même réseau les contraintes seront plus sévères. En effet les informations issues des capteurs doivent être codées pour être véhiculées sur le réseau et décodées de manière différente lorsqu’elles sont perçues par un destinataire humain non technicien, par un technicien ou par un robot qui les exploite pour piloter un élément d’une chaîne de production.

L’architecte intégrateur de système d’information , en conséquence, et contrairement à ce que supposent certains informaticiens qui oublient qu'avant de vendre il faut fabriquer le produit, et que la mondialisation impose une hyper-rationalisation au niveau de la production, devra posséder de solides connaissances sur :

• la génération des données technologiques,
• les interfaces capteurs-réseau ou réseau-robot
• et les contraintes que cet aspect temps réel (ou temps contraint) implique sur le fonctionnement du réseau global, de ses nœuds, etc.
  
  Ce sont ces notions essentielles que nous souhaitons aborder ici.
  
  Le dernier point, sur lequel nous voudrions insister dans cette introduction, est sans doute un peu iconoclaste, ou comme l'on dit maintenant politiquement incorrect :

L'objectif de ce traité n'est pas exclusivement de fournir au lecteur des compétences ou des connaissances prédigérées, mais aussi de le faire réfléchir, de lui faire acquérir certains réflexes, un certain esprit critique, parfois de lui apprendre à lire entre les lignes et surtout de lui faire prendre conscience qu'avant toute démarche technique il convient d'identifier les problèmes, c'est à dire de les "quantifier" correctement avant d'établir un diagnostic.

Nous voudrions ici montrer, ou suggérer,  deux choses contradictoires : premièrement, il faut toujours être très ambitieux et demander l'impossible à la technique, et deuxièmement, il faut être conscient que la technologie dans son état actuel d'avancement ne peut tout faire, qu'il y a des contraintes incontournables, des choses que l'on ne sait pas faire aujourd'hui, mais il ne faut pas se résigner.

Je voudrais aussi préciser que dire "qu'il ne faut pas se résigner" parce qu'on ne dispose pas de certaines informations, par manque de capteurs ou d'instruments adéquats, ne signifie pas que l'on doive aller jusqu'à "inventer" de toutes pièces lesdites informations en manipulant des algorithmes ésotériques comme le font actuellement certains "traiteurs de signal" qui se targuent de retrouver les valeurs manquantes dans une série de mesures, en oubliant que leur bel algorithme ne peut pas prévoir les incidents, les accidents, les malveillances...et qu'aussi sophistiqué qu'il soit il ne fera jamais que du lissage. Et que le lissage est souvent inadmissible en terme de protection de l'environnement et conduit à des catastrophes.

• Après en guise d'introduction avoir fait une analyse économique (1) du domaine des capteurs et de l’instrumentation, nous présenterons, sur la base d'un exemple industriel typique, une chaîne d'instrumentation (2) afin d'y situer le capteur et ses interrelations avec l'ensemble du système d’acquisition (3) qui fera l’objet de la 3^ème partie,
• puis dans un quatrième temps nous aborderons les notions de métrologie (4) essentielles pour caractériser un capteur et pouvoir, le cas échéant, choisir le capteur répondant à un cahier des charges défini.
• Nous pourrons alors faire un tour d'horizon des grandes tendances (5) de la technologie en sensorique avant d'aborder quelques monographies (6) sur des thèmes majeurs dont certains ont fait l'objet de travaux de recherche sur le campus rouennais et plus spécifiquement au sein du LCIA (ex Laboratoire Capteurs Instrumentation et Analyse) de l'INSA de Rouen.
• Précisons pour les lecteurs non électroniciens que toutes les notions de physique du solide et d'électronique, indispensables à une compréhension approfondie de l'ensemble de ce traité, sont rassemblées dans le module PHYSIQUE auquel vous pouvez accéder directement en cliquant sur cette icone ou en passant par l'accueil du site ce qui vous permet d'en connaitre alors l'ensemble des rubriques.

Nous donnons ci-dessous la table des matières du traité

Notez qu' eu égard à la croissance exponentielle de chaque chapitre au cours du temps, nous sommes amenés à redécouper ceux-ci régulièrement. Il en résulte un risque certain de liens brisés non toujours identifiables automatiquement. En 2013, il y avait dans ce seul module capteurs encore plus de 6400 liens, ne soyez donc pas surpris si aujourd'hui quelques uns d'entre eux ont échappé à la vigilance du rédacteur, mais si tel est le cas signalez moi ces liens orphelins.