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9 pages à l'impression
version initiale 2002
dernière mise à jour
22 mars 2013
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METROLOGIE des CAPTEURS

troisième partie (3/3): caractéristiques dynamiques et compléments

1er et 2ème ordres
maintenance, erreurs...
rédiger un bon rapport
une sélection sans prétention
une collection d'icônes pour visiter tout le site
caractéristiques dynamiques

Considérons les caractéristiques métrologiques d'un capteur et supposons qu'à un instant to nous appliquions au capteur une certaine grandeur xo constante et parfaitement connue (ce qu'on a coutume d’appeler un échelon). L'expérience montre, voir figure, que la réponse du capteur n'est pas instantanée. Ce n'est qu'à l'instant to+T que l'on pourra considérer que la réponse du capteur est physiquement stable et que le régime statique est atteint, et alors seulement on pourra définir les caractéristiques métrologiques telles que la sensibilité, la précision etc.

Les conditions de régime statique sont celles de l'étalonnage, par contre lorsqu'un capteur est intégré dans une chaîne de mesure ou de régulation  qui est donc pratiquement toujours en évolution, il s'agit du régime dynamique.

Alors la relation qui lie la sortie à l'entrée du capteur n'est plus aussi simple    (ce n'est plus x mesuré = sortie constante/sensibilité ), c'est le produit de convolution de l'entrée x(t) par la réponse indicielle.

s(t) = h(t) * x(t)

Un capteur du second ordre sera défini par  une courbe de réponse de la forme précisée dans la figure  ci-dessous.

Et une transmittance  avec x sensibilité, m amortissement et f0 fréquence propre du capteur.


On rencontrera aussi des capteurs du premier ordre dont la fonction de transfert  sera du type K/(1+p), définis par leur sensibilité K et leur constante de temps , tandis que pour ceux du second ordre il convient de connaître en plus la fréquence propre f0  et le facteur d'amortissement m.

Précisons que les capteurs du premier ordre présentent l'inconvénient, puisqu'ils n'ont pas un facteur d'intégration dans leur transmittance, d'avoir une erreur statique non nulle. On leur préférera donc les capteurs d'ordre supérieur. La plupart des capteurs sont heureusement d'ordre 2 ou au delà, à l'exclusion de la majeure partie des capteurs de température.

Il sera donc nécessaire d'en tenir compte dans la conception des systèmes car le retard pur introduit dans la réponse du capteur est très gênant surtout lorsque les processus examinés sont à variation rapide.

Notions complémentaires

1. Reproductibilité

Il convient de ne pas confondre la reproductibilité et la répétabilité. La reproductibilité est l'étroitesse  de l'accord entre les résultats des mesures d'une même grandeur dans le cas où les mesures individuelles sont effectuées au moyen de différents instruments, suivant diverses méthodes, par des opérateurs distincts en des temps et des lieux différents.

La répétabilité concerne la même mesure, effectuée selon la même procédure, avec le même appareillage, par la même personne, en un même lieu et en un temps court vis à vis de la durée d'une mesure.

note: pourquoi la notion de reproductibilité est-elle plus significative que celle de répétabilité ? La raison fondamentale c'est que les essais de reproductibilité permettent de s'affranchir d'un (ou plusieurs) risque(s) d'erreur inhérent(s) aux essais de répétabilité:
  • En effet l'obligation d'opérer avec des instruments différents élimine le risque d'utilisation d'un unique instrument déréglé.
  • De même il est peu probable que plusieurs opérateurs fassent la même erreur expérimentale.
  • La multiplicité des lieux et des périodes d'expérimentation permet d'éviter (ou d'identifier) une anomalie temporaire ou locale, mais a priori inconnue de l'expérimentateur, et ayant une influence sur le résultat.
  • La non reproductibilité d'un résultat oblige en effet à se poser la question de sa cause, et implique donc une enquète minutieuse.
A l'inverse la reproductibilité entraine la garantie de qualité du capteur tandis que la bonne répétabilité ne signifie pas que le capteur est satisfaisant mais que l'ensemble du processus est répétitif (y compris les éventuelles erreurs de l'opérateur). Comme les anomalies de type grandeur d'influence ont généralement peu de chance d'évoluer sensiblement sur une courte période, il y a fort à parier qu'une non répétabilité est significative d'une qualité douteuse du capteur.

Mais ici encore une enquète doit être diligentée pour éliminer toute cause externe susceptible d'expliquer cette non répétabilité. Ainsi, à titre d'exemple, au laboratoire où j'exerçais, un enregistrement de paramètres effectué dans des conditions parfaitement répétitives (du moins le croyait-on) a donné des résultats erratiques et ce n'est qu'un examen approfondi de la manipulation qui permit de révéler qu'une cellule photoélectrique subissait à certains moments de la journée l'influence d'un minuscule faisceau de lumière solaire réfléchi par une vitre inclinée (faisant partie d'une fenêtre ouverte de manière aléatoire) d'un bâtiment situé à plus de 200m du laboratoire.

2. Interchangeabilité

C'est la qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à se substituer à un autre capteur sans altérer les performances d'une chaîne de mesure ou d'une boucle de régulation.  Notons que cette notion ne concerne pas seulement les caractéristiques métrologiques du capteur mais aussi ses caractéristiques « géométriques » (dimensions, mode de fixation, connectique...).

3. Interopérabilité

C’est une notion relativement récente liée à la multiplication des capteurs et des instruments qui doivent travailler ensemble et échanger des données ou les partager en utilisant des moyens de transmission communs. Cette approche est réalisée par le biais d’une description des instruments de terrain, au moyen de modèles génériques indépendants de tout protocole de communication particulier.

4. Maintenabilité

Avec l’apparition des capteurs dits intelligents et leur association aux structures dites "bus de terrain", décrits par ailleurs, la notion de maintenabilité est apparue comme indispensable. Il s’agit en pratique d’assurer la disponibilité du capteur en diminuant le temps de localisation des pannes, et plus particulièrement de faciliter les interventions de maintenance avant que de véritables dysfonctionnements n’aient pu s’installer :  remplacer les opérations subies de maintenance par des opérations de maintenance programmées (ou préventives).

5. Résolution

Cette notion concerne l’ensemble du système. C’est la plus petite variation de la grandeur d’entrée que le système sera en mesure d’identifier.

6. Dérives

Outre l’effet des grandeurs d’influence on doit aussi apprécier le vieillissement d’un capteur (comme de tout composant d’ailleurs) en exprimant la lente variation de son signal de sortie en fonction du temps exprimé en heures, mois ou années.

7. Fiabilité

On caractérise la probabilité qu’un système continue à fonctionner à l’intérieur de ses spécifications après une période de temps définie par ce que les anglo-saxons nomme la reliabilité. A ne pas confondre avec le MTBF (Mean Ttime Between Failure) qui caractérise la durée moyenne de bon fonctionnement entre deux pannes.

8. Erreurs

On peut identifier en pratique trois types d’erreurs intervenant dans un système et dont on doit pouvoir évaluer l’importance :

les erreurs systématiques
les erreurs conditionnelles
les erreurs stochastiques
Ces erreurs proviennent parfois du capteur lui-même, mais le plus souvent elles sont le fait du système de conditionnement du capteur et parfois même de plusieurs éléments de l’ensemble de la chaîne d’acquisition. Et, malheureusement, l’expérience montre que, dans ce dernier cas, elles ne se compensent généralement pas.

  • 8.1.erreurs systématiques
    • Une erreur systématique présente un caractère permanent et dépend typiquement du système, elle sera par exemple due à l’offset d’un ampli op, ou une erreur d’échelle (gain erroné, ou anomalie d’alimentation en tension ou courant du capteur).
  • 8.2. erreurs conditionnelles
    • Elles sont dues à une influence extérieure (interférence électromagnétique par exemple) et résultent donc de l’environnement et des conditions opératoires du système. Pour les réduire on choisira des composants peu sensibles et on protégera le système par un blindage adéquat, éventuellement en introduisant un doublement des capteurs pour éliminer par soustraction ces influences.
  • 8.3. erreurs stochastiques
    • Ces erreurs résultent de processus fondamentaux se produisant dans les composants tels les bruits, l’échauffement du matériau, la pression dans un volume de gaz...Pour les réduire on cherchera par exemple à réduire l'échauffement des composants, du à l’effet Joule, en tentant de réduire au mieux le courant ou en facilitant l’évacuation des calories par une ventilation adaptée. Enfin on utilisera des techniques statistiques appropriées (choix de la fréquence d’acquisition, moyennage..)

     Voir ci-dessous un ensemble d’erreurs typiques pouvant chacune relever de l’une des 3 catégories ci-dessus.[ref]


    (a) décalage de zéro z et erreur de pente y ; (b) zone morte x et saturation w ;
    (c) erreur de quantification v ; (d) erreur d’hystérésis u ; (e) erreur stochastique t.

    9. Compatibilité Electro-Magnétique

    Selon la directive européenne 2004/108/CE c'est l'aptitude d'un équipement à fonctionner dans son environnement électromégnétique de façon satisfaisante sans provoquer de perturbations électromagnétiques intolérables pour d'autres équipements dans ce même environnement. Une perturbation électromagnétique est tout phénomène électromagnétique susceptible de créer un dysfonctionnement d'un équipement. Ce peut être un bruit électromagnétique, un signal non désiré ou une modification du milieu de propagation lui-même.

    Les sources de perturbations peuvent être naturelles telle la foudre ou les décharges électrostatiques liées à des ionisations naturelles de l'air (rayons cosmiques, UV solaires. Les émetteurs radio, télévision et radiotéléphone sont des sources importantes avec des champs pouvant atteindre 61V/m au voisinage des émetteurs. On notera aussi les transitoires d'énergie à l'instant de fermeture d'un interrupteur au niveau d'une ligne THT (on parle alors en GW!).

    Pour éviter ce type d'inconvénient on soignera la qualité du cablage (soudure, plan de masse, liaisons courtes, fils blindés ou torsadés) évitera la proximité entre courants forts et courants faibles, et on placera des filtrages adéquats en particulier sur les alimentations. Enfin on adoptera des boitiers convenablement blindés.

    Les perturbations électromagnétiques existant soit dans les conducteurs soit sous forme de rayonnement 2 types de tests spécifiques à ces 2 catégories seront réalisés pour contrôler la qualité ou la sensibilité d'un équipement: des tests dits d'immunité et des tests d'émission.

    Essais d'évaluation
    Afin de choisir, pour une application donnée, le capteur convenable on est tenu d'effectuer des essais d'évaluation. L’évaluation d’un capteur consiste à constater, en utilisant des méthodes d’essais appropriées, les caractéristiques et les performances du capteur objet de l’essai. On peut caractériser ces essais par les quatre mots clés suivants : mesurer, configurer, valider, communiquer.
    Ils comportent plusieurs phases:

     - d'abord, des essais dans les conditions de référence afin de valider les caractéristiques métrologiques annoncées par le constructeur. On prendra garde au cours de ces essais aux points suivants : conditions d’environnement du laboratoire (température ambiante, humidité relative, pression atmosphérique), aux conditions de raccordement du capteur (conformes aux spécifications du constructeur, à des normes)


    fig. montage d'essai d'un capteur de pression (documentation ENDEVCO)

    - ensuite des essais spécifiques en vue de mettre en évidence  les grandeurs d'influence (dans le cadre de votre application), mais aussi la sécurité de fonctionnement, la conformité aux normes CEM, la réponse du capteur à des situations anormales (variation d’alimentation, surtension, microcoupures, transitoires)


    fig. exemple de banc de test en température (documentation ENDEVCO)

    - fonction communication : si le capteur comporte un module de communication intégré et normalisé il convient de vérifier que celui-ci a fait l’objet d’essais d’évaluation, sinon il faut les faire.

     - un contrôle individuel destiné à préciser les caractéristiques externes telles que les dimensions, mode de fixation (caractéristiques des pas de vis..), étanchéité, connexions électriques (le connecteur est-il d'un modèle courant?), impédances....

     - enfin un rapport écrit , numéroté, paginé, daté et signé, précisant le nom et l’adresse du centre d’évaluation, l’identification non ambiguë de l’objet soumis à évaluation, les coordonnées du responsable ayant commandé l'étude, les caractéristiques fournies par le constructeur, toutes les conditions  et méthodologies d'essai, les résultats (assortis de tolérances quant aux résultats quantifiés) et conclusions de tous ces essais, un avertissement selon lequel ce rapport ne peut être reproduit (en particulier partiellement) sans l’autorisation écrite du laboratoire ou de son représentant mandaté et dont chaque exemplaire mentionnera la liste des destinataires initiaux et dont le rédacteur conservera bien évidemment un original (papier et version électronique).

    Quelques adresses utiles

    1. Organismes professionnels

    Lorsqu'on doit procéder à un choix de capteurs et/ou à un essai d'évaluation, il est souvent utile de consulter les organismes officiels qui pourront vous guider dans le choix des capteurs, des fabricants ou distributeurs, des procédures d'étalonnage, des laboratoires équipés pour cela. La liste ci-dessous qui n’est évidemment pas exhaustive et qui évolue très vite au cours du temps (en particulier les adresses, téléphones, mails et sites web), permettra cette information.

    CIAME: comité interprofessionnel pour l’automatisation et la mesure (en voie d'extinction)
    Parc technologique ALATA BP 02      60550 Verneuil en Halatte
    tél 03 44 24 21 02   fax 03 44 24 20 90

    Cet organisme a publié divers documents tels les catalogues des fabrications françaises, mis à jour tous les trois ou quatre ans, des ouvrages concernant les essais d'évaluation, les comptes rendus des conférences internationales qu'elle organise.

    Son action principale est actuellement la promotion de l’instrumentation intelligente avec 2 groupes de travail, l’un sur l’interopérabilité et l’autre sur les capteurs intelligents et la sûreté de fonctionnement.

    APIST: association pour la promotion de l'instrumentation scientifique et technique, même adresse que le CIAME dont elle fut le fondateur regroupait une trentaine de membres dont une dizaine d’universités. Elle organisa séminaires, colloques et journées de formation mettant en contact utilisateurs, fabricants et chercheurs.(en voie d'extinction)

    LNE: laboratoire national d'essais
    créé en 1901 au sein du Conservatoire des Arts et Métiers, s'étend progressivement en divers points de France
    1 rue Gaston Boissier 75016 Paris.
    tel: 01 45 32 29 89
    Il offre de nombreuses prestations d'étalonnage et d'évaluation, mais aussi une aide technique pour les normes et réglementations françaises et étrangères.Il intervient aussi dans la certification ISO 9000 ou le marquage CE.

    LCIE laboratoire central des industries électriques
     créé en 1882 et fusionné avec le groupe Véritas en 2001 dispose de 4 centres d'essais en France
    33 av général Leclerc BP 08  F-92260 Fontenay aux roses
     tél 01 40 95 60 60   fax 01 40 95 61 61
    métrologie, essais, certification, marquage CE

    CEV: Centre d'essais en vol
    91220 Brétigny sur Orge. tel: 01 60 84 95 70
    essais officiels de matériels embarquables, centre agréé par le BNM pour l'étalonnage et l'évaluation, dispose d'équipements à très hautes performances.

    CMC2 club microcapteurs chimiques
    Ecole Centrale de Lyon  BP 163  F-69131 Ecully cedex
     tel 04 72 18 62 37  fax 04 78 33 15 77
    promotion du développement de capteurs chimiques et biochimiques miniaturisables. Il regroupe une vingtaine de centres de recherche industriels et plus de 30 labos universitaires

    SIMTEC syndicat d’instrumentation de mesure du test de l’énergie et de la CAO, affilié à la FIEE Fédération des industries electriques et électroniques, est un pôle professionnel de plus de 130 adhérents organisant de nombreuses "journées de la mesure" dans diverses villes françaises.
    11-17 rue Hamelin 75783 Paris
     tél 01 53 70 97 09  fax 01 53 70 96 94

    AMA: Fachverband für Sensorik e.V.
    Postfach 2352 D-31506 Wunstorf
    tél  (49) 50 33 26 08 fax (49) 50 33 15 61
    organisme équivalent au ciame en RFA, mais plus dynamique et organisateur du plus gros rassemblement mondial bisannuel sur les capteurs (en général à Nuremberg ex : SENSOR & TEST 2008), mais aussi de nombreuses manifestations thématiques

    CETIM: centre technique des industries mécaniques
    BP 67 60304 Senlis cedex.   tel: 03 44 67 36 82 ou 03 44 67 32 06 fax 03 44 67 31 80
    édite une véritable bibliothèque virtuelle réalisée à partir d'une enquète internationale permanente facilitant grandement les choix. Base de données bibliographiques Méca CD (185000 références dans 42 domaines). Le CETIM possède des antennes dans pratiquement chaque région de France.

    De la même manière SDI Verlag & Consulting
    Hedwigstr. 5, D-80636 München         tél (49) 89 123 2039   fax (49) 89 123 5215
    édite un Handbook (Handbuch) qui s'appelle SDI Sensor Data Info et qui recense en trois langues qui fait quoi dans le domaine et dans 36 pays différents pour environ 100 euros. Cette base de données comporte plus de 10000 entrées.

    ESC European Sensor Committee
    le siège est à Strasbourg, mais le secrétariat à Wunstorf  (dans les locaux de l'AMA, même adresse)
    tél (49) 50 33 20 16   fax (49) 50 33 15 61

    IMEKO International Measurement Confederation
    POB 457  H-1371 Budapest 5 tél +36 (1) 3 53 15 62, fax +36 (1) 3 53 15 62
    Cette organisation internationale a son siège en Hongrie, mais des délégations dans la plupart des pays avancés. A titre indicatif citons sa représentation belge qui prend le nom de BEMEKO (belgian measurement confederation)
    BEMEKO / IBRA-BIRA
    Desguinlei 214, B-2018 Antwerpen    tél (32) 3 216 09 96 fax (32) 3 216 09 89

    La Documentation Française: Edition du secrétariat général du gouvernement
    29 quai Voltaire 75340 Paris cedex 07.   tel: 01 42 26 50 10
    périodiques, ouvrages de la ciame, bibliothèque spécialisée.

    EUROPRACTICE Coordination Office
    6 Hinton Way, UK-Wilburton, Ely CB6 3SE, tél +44 (1353) 74 13 31 fax +44 (1353) 74 06 65, autre organisme européen à consulter

    et bien entendu le portail spécialisé http://www.sens2b-capteurs.com/ L'annuaire international des fournisseurs de capteurs

    2. revues spécialisées

    Une autre source d'information est constituée par les revues spécialisées:

    revues scientifiques

    au niveau recherche on lira évidemment le must du domaine SENSORS and ACTUATORS, mensuel de haut niveau édité par Elsevier Sequoia SA à  (PO Box 564 CH-1001 Lausanne) 
        tél (41) 21 320 73 81     fax (41) 21 323 54 44

    on lira aussi
     le Journal of Scientific Instruments (USA)
    ainsi que Environmental SENSORS édité par IOP Publishing Ltd, Bristol, UK

    Technique et Management édité par De Sikkel Media, Nuverheidstraat 8, B- 2390 Oostmalle.

    Le Journal de Physique, le Nouvel Automatisme et l'Onde Electrique sont  les seules revues scientifiques françaises à aborder l'instrumentation et quelquefois les capteurs.

    pour les germanophones SENSOR TECHNIK
    Design & Elektronik Aboservice,
    D-74168 Neckarsulm      tél (49) 712 959 242    fax (49) 7132 959 244

    revues documentaires

    en français

    Composants Instrumentation Electroniques
    revue publicitaire gratuite, éditée par le groupe Elsevier et dont l'adresse est la même que celle d'Electronic Product News, autre mensuel gratuit mais européen et en anglais
    C/o Elsevier LIBRICO N.V./PEPCO BP 214 B-1210 Brussels 21 et sur le net : www.epn-online.com

    Notez que depuis quelques années cette mode des revues documentaires publicitaires s'est fortement développée et que le groupe Elsevier fournit aussi par E.mail de nombreuses informations sur ses publications. Précisons enfin que d'autres groupes de presse développent de telles revues gratuites, en particulier le groupe cmp electronics (www.cmp-europe.com) et le groupe Cahners (www.cahners.com) comportant parfois non seulement des pages publicitaires, mais aussi des articles de synthèse ou des informations concernant des nouveautés technologiques dont il ne faut évidemment pas se priver. A partir de l'année 2004, la plupart de ces revues publicitaires gratuites ont développé une version électronique, diffusée via Internet, ce qui revient évidemment moins cher et occupe moins de place sur les rayons de votre bibliothèque.

    3. expositions et congrès

    Enfin vous pouvez fréquenter les expositions qui se tiennent annuellement ou bisannuellement, citons à titre d'exemple

    INSTRURAMA, en mai, B-Bruxelles
    ASIC 2005, en juin, D-Nuremberg
    SENSOR & TEST 2010, en mai, D-Nuremberg
    EUROCAPT en février, F-Paris
    Expo de Physique , octobre, F-Paris

    ACHEMA, en juin, D- Francfort/Main

    et bien sûr ElectroTech à Birmingham, Componic à Paris et Electronica à Munich qui sont les trois plus grands rendez-vous européens annuels pour les composants électroniques (et un peu pour les capteurs).

    La plupart de ces manifestations sont doublées d'un congrès international de très haut niveau qui permet de se documenter sur les avancées de la recherche

    4. Internet

    Enfin nous rajouterons qu’il existe une autre source d’information mondiale et très évolutive, c’est évidemment Internet. Les adresses ci-dessous sont données sans garantie car les sites Internet apparaissent, disparaissent, se transforment et se déplacent à un rythme absolument effarant. Notons aussi que les informations diffusées sur Internet ne sont pas toujours très fiables, même lorsqu'il s'agit d'un site référencé par un (ou des) organismes officiels. En outre certains sites sont créés pour une durée temporaire, mais restent en ligne bien après la durée de validité de leur contenu et, dans le même ordre d'idées, certains sites ne bénéficient pas de mises à jour fréquentes, leur créateur les ayant plus ou moins abandonnés, et sont donc parfois très obsolètes. Il convient donc d'être très vigilant dans l'exploitation d'informations trouvées sur Internet.

    sur le web on consultera par ex :
    Google http://google.fr/ le meilleur des moteurs de recherche actuellement.
    http://www.urec.fr/        réseau national de la recherche française lequel donne accès à des cours, à un moteur de recherche, à d'autres réseaux internationaux, à une multitude d'informations concernant le CNRS et la recherche française.
    http://www.univ-ville.fr   ou http://www.u-ville.fr        nom de référence de chaque université dans une ville (généralement tout en minuscules et sans espaces par exemple http://www.univ-lemans.fr). Notez que la règle générale étant faite pour être contournée, il y a des exceptions ainsi http://unicaen.fr.

    Un point de départ intéressant peut-être constitué par le serveur de l'insa de Lyon qui vous renvoie à de nombreux sites très bien faits http://www.insa-lyon.fr

    Les serveurs de la communauté européenne tels http://www.cordis.lu sont aussi très intéressants puisqu’on peut y trouver toutes les décisions de la commission européenne, les normes, les appels d’offre et bien plus en cinq langues.

    En outre, on retiendra que la majorité des constructeurs disposent désormais de leur propre site où l’on peut télécharger les fiches techniques et parfois des logiciels d’aide à la décision (en matière de choix de composants chez le constructeur en question).
    Enfin pour effectuer rapidement un premier tri dans un domaine donné il existe quelques outils bien pratiques parmi lesquels nous citerons Copernic. Il s'agit d'un outil québécois qui consulte à votre place simultanément les principaux moteurs de recherche et de ce fait vous fait gagner beaucoup de temps. La version basique est gratuite, la version professionnelle peu onéreuse est bien plus puissante car outre diverses possibilités de configuration optimisant votre recherche elle vérifie systématiquement la pérennité des sites référencés par les moteurs de recherche consultés avant de vous les proposer ce qui constitue un gain de temps énorme.