Cours GPA-668 Capteurs et actionneurs ---- le 8 janvier 2007 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Présentation du plan de cours GPA-668 Session Hiver 2007 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Introduction aux systèmes de mesure Page 80 Page 85 Page 81 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Éléments d’un capteur 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier Page 88

A) Mesure par déviation Modes de mesure A) Mesure par déviation Chaîne de mesure ouverte. Mesure directe. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

B) Mesure par comparaison Modes de mesure B) Mesure par comparaison Chaîne de mesure fermée. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

C) Mesure par compensation Modes de mesure C) Mesure par compensation Chaîne de mesure fermée. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Types de capteurs en fonction de la grandeur de sortie Analogique: Signal électrique de bas niveau: CAPTEUR Signal électrique de haut niveau (standards): CAPTEUR-TRANSMETTEUR 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Types de capteurs en fonction de la grandeur de sortie (2) Numérique: Signaux parallèles (absolu): CODEUR Signaux séries (Incrémental): COMPTEUR 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Types de capteurs en fonction de la grandeur de sortie (3) Logique: Signaux évoluant selon deux états possibles, selon la valeur du mesurande par rapport à un seuil (Tout-ou-Rien) DÉTECTEUR. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Fonctionnent en générateurs. Capteurs actifs Fonctionnent en générateurs. Principe fondé sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique de la forme d’énergie propre au mesurande. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Température -> Thermoélectricité Capteurs actifs (2) Température -> Thermoélectricité Sortie: Tension électrique (Effet Seebeck) Flux de rayonnement optique -> Pyroélectricité Sortie: Charge électrique 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Flux de rayonnement optique -> Photo émission Capteurs actifs (3) Flux de rayonnement optique -> Photo émission Sortie: Courant électrique Flux de rayonnement optique -> Effet photovoltaïque Sortie: Tension électrique 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Flux de rayonnement optique -> Effet photo-électromagnétique Capteurs actifs (4) Flux de rayonnement optique -> Effet photo-électromagnétique Sortie: Tension électrique Force/pression/couple -> Piézoélectricité Sortie: Charge électrique (Effet piézoélectrique) 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Vitesse -> Induction électromagnétique Capteurs actifs (5) Vitesse -> Induction électromagnétique Sortie: Tension électrique (Alternateur) Position (aimant) -> Effet Hall Sortie: Tension électrique 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Température -> Résistivité Capteurs passifs Impédance dont l’un des paramètres déterminant est sensible au mesurande Température -> Résistivité Matériaux: Platine, Nickel, Cuivre, semi-conducteurs 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Très basse température -> Constante diélectrique Capteurs passifs (2) Très basse température -> Constante diélectrique Matériaux: verres Flux de rayonnement optique -> Résistivité Matériaux: semi-conducteurs 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Déformation -> Résistivité Capteurs passifs (3) Déformation -> Résistivité Matériaux: Alliages de Nickel, Silicium dopé Déformation -> Perméabilité magnétique Matériaux: Alliages ferromagnétiques 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Position (aimant) -> Résistivité Capteurs passifs (4) Position (aimant) -> Résistivité Matériaux magnétorésistants: Bismuth, Antimoniure d ’indium Humidité -> Résistivité Matériaux: Chlorure de Lithium 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Humidité -> Constante diélectrique Capteurs passifs (5) Humidité -> Constante diélectrique Matériaux: Alumine, polymères Niveau -> Constante diélectrique Matériaux: Liquide isolant. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Caractéristiques métrologiques Elles sont importantes pour faire un bon choix. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Étendue de mesure (Range) Intervalle entre deux mesures extrêmes appelées: portée minimale Ex: -10 °C portée maximale Ex: 60 °C  Donc EM = 70 °C. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Étendue de mesure à zéro décalé Zéro surélevé: Ex: Étendue de -25 °C à 200 °C Zéro supprimé: Ex: Étendue de 20 m3/h à 2000 m3/h 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Rangeabilité (Turn down) Rapport entre les valeurs minimale et maximale assurant une précision donnée de la mesure. Ex: Capteur pouvant mesurer un débit allant jusqu’à 200 GPM et ayant une précision de +/- 1 % sur une rangeabilité de 100:1. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Étendue d’échelle (span ou full scale) Différence algébrique entre les portées maximale et minimale. Ex: Si portée minimale = -20 °C et portée maximale = 180 °C, donc étendue d’échelle = 200 °C. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Caractéristiques métrologiques Page 91 Page 92 Page 93 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

La sensibilité Rapport de la variation du signal de sortie VS le signal d’entrée pour une valeur donnée du mesurande. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Pente de la caractéristique du capteur. La sensibilité Exemples: 10 Volts/mètres 0.05 mV/°C Pente de la caractéristique du capteur. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

La sensibilité réduite Utilisé pour les capteurs dont le signal de sortie dépend de la tension d’alimentation. Exemple: Pont de Wheatstone Exemples: 2 mV/V Si excitation de 10 Volts, sortie maximale = 20 Volts. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Se définit en % de l ’étendue de mesure. Linéarité Définit la constance du rapport entre le signal de sortie et celui d ’entrée. Se définit en % de l ’étendue de mesure. Si écart de linéarité = 0.5 % E.M. Erreur de 25 lbs pour un capteur 0 - 5000 lbs. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple: Comment calculer la linéarité ? Soit un capteur de distance ayant la caractéristique suivante: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la linéarité ? On trouve l’équation de la droite par la méthode des moindres carrés. Il faut calculer la pente M et l’ordonnée à l’origine b. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la linéarité ? Calcul de la pente M: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la linéarité ? Calcul de l’ordonnée à l’origine b: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la linéarité ? n = nombre de points = 21 xi = entrée du capteur (position) yi = sortie du capteur (tension) 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la linéarité ? Calcul de M et de b: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la linéarité ? En calculant la sortie théorique en utilisant avec l’équation obtenue, il est possible de calculer l’erreur de linéarité. Cette erreur le maximum de l’ensemble des erreurs entre la sortie théorique et la sortie réelle. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la linéarité ? Liste des erreurs (valeurs absolues): Erreur de linéarité = +/- 0.31 % 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

La rapidité ou le temps de réponse Aptitude à suivre dans le temps les variations de la grandeur à mesurer. Temps de réponse (en statique) Bande passante Fréquence de coupure ou fréquence propre Fonction de transfert du capteur. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Le temps de réponse  Erreur dynamique 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Capteur du premier ordre Temps de réponse à 5% est égal à 3t 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Capteur du deuxième ordre Temps de réponse à 5% est égal à 3/(ζω0) 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

En pourcentage de l’étendue de mesure La répétabilité Correspond à la concordance entre les résultats consécutifs obtenus à court terme pour la même grandeur (et le même opérateur) En pourcentage de l’étendue de mesure 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple: Comment calculer la répétabilité ? Soit un capteur de distance ayant fait les 15 mesures suivantes sur un objet fixe: 20.0 cm, 20.2 cm, 20.1 cm, 19.9 cm, 22.2 cm, 19.9 cm, 20.0 cm, 20.3 cm, 19.8 cm, 19.9 cm, 20.5 cm, 18.8 cm, 20.1 cm, 20.3 cm, 19.9 cm. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la répétabilité ? Calcul de la moyenne : 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Solution: Comment calculer la répétabilité ? Calcul de l’écart type : 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple: Comment calculer la répétabilité ? La moyenne des 15 mesures est: 20,13 cm; L’écart-type des 15 mesures est: 0,69 cm Pour s’assurer que de mauvaises mesures n’altèrent pas l’évaluation de la reproductibilité, on utilise le critère de Chauvenet. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple: Comment calculer la répétabilité ? Le critère de Chauvenet : On peut rejeter toute donnée dont la probabilité est inférieure à 1/(2N). 15 données => 0.03333 Avec une table des probabilités d’une distribution gaussienne, on trouve que l ’on doit rejeter toute donnée à + de 2.13 écart-type de la moyenne. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple: Comment calculer la répétabilité ? Critère de Chauvenet: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple: Comment calculer la répétabilité ? Donc toute mesure à plus de 2.13 écart-type de la moyenne peut être retirée de la liste. 20.0 cm, 20.2 cm, 20.1 cm, 19.9 cm, 22.2 cm, 19.9 cm, 20.0 cm, 20.3 cm, 19.8 cm, 19.9 cm, 20.5 cm, 18.8 cm, 20.1 cm, 20.3 cm, 19.9 cm. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple: Comment calculer la répétabilité ? Nouvelle moyenne = 19.99 cm Valeur maximale = 20.5 cm 19.99 cm + 0.51 cm Valeur minimale = 18.8 cm 19.99 cm - 1.19 cm Répétabilité = +/- 1.19 cm 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

En pourcentage de l’étendue de mesure La reproductibilité Correspond à la concordance entre les résultats consécutifs obtenus à long terme pour la même grandeur (et différents opérateurs) En pourcentage de l’étendue de mesure 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

La résolution et le seuil Correspond à la granularité de la mesure, i.e. à la plus petite variation discernable par le capteur. Seuil: Correspond à la résolution à l ’origine, au voisinage de la valeur 0 de la grandeur d’entrée (mesurande). 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Un capteur précis est juste et fidèle. La précision Aptitude d’un capteur à donner une valeur mesurée proche de la valeur vraie d’un mesurande. Un capteur précis est juste et fidèle. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

La justesse Correspond à l’écart entre la moyenne d’un ensemble de mesure et le mesurande réel. Englobe les erreurs de mesure. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

La fidélité Correspond à l’écart type d’un ensemble de mesures. Englobe les incertitudes de mesure. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

L’erreur de précision est représentée de trois façons différentes: Erreur absolue (εa): Erreur exprimée dans le système de mesure du mesurande. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

L’erreur de précision Erreur relative (εr): Erreur exprimée en pourcentage par rapport à la valeur mesurée (m). 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Classe de précision (CP): L ’erreur de précision Classe de précision (CP): Erreur exprimée en pourcentage par rapport à l’étendue de mesure (EM). 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Ont des causes systématiques que l’opérateur peut corriger ou non. Les erreurs de mesure Ont des causes systématiques que l’opérateur peut corriger ou non. On peut corriger par: Compensation Stabilisation 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs sur le zéro Décalage de la courbe 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs liées à l’étalonnage L’étalon de mesure utilisé pour la calibration doit être au moins 4 x plus précis que la précision recherchée. Ex: Calibrer une balance ayant une classe de précision de +/- 1% E.M. avec un étalon à +/- 0.25% E.M. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs dues aux grandeurs d’influence Il suffit de stabiliser les grandeurs d’influence, à défaut de les compenser. Ex: Balance présentant une erreur de +/- 0.1 % E.M. par °C de variation. Maintenir l’environnement à 20°C minimise l’effet de la température. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs dues aux conditions d’alimentation ... Certains capteurs ont besoin d’alimentation. Leur précision peut dépendre de la qualité de l’alimentation. Exemple: RTD monté dans un pont de Wheatstone alimenté sous une tension de 15 Volts D.C. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

… et de traitement de signal Le module électronique de conditionnement est constitué de pièces d’électronique ayant des tolérances de fabrication pouvant générer des erreurs sur les signaux de sortie. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs dues au mode d’utilisation Capteur trop lent pour l’application. Capteur travaillant dans un environnement inadéquat. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Les incertitudes de mesure Ont des causes accidentelles que l’opérateur ne peut corriger. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs liées aux indéterminations intrinsèques Certaines caractéristiques des capteurs présentent des indéterminations intrinsèques. Résolution Réversibilité Hystérésis 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Jeu dans les engrenages Hystérésis Jeu dans les engrenages 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs dues à des signaux parasites Bruit électrique de caractères aléatoires. Le milieu industriel est rempli de source de bruit électrique (moteurs, éclairage, …). Utilisation de conducteurs blindés dans des conduites séparées. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreurs dues aux grandeurs d’influence non-contrôlées Local ayant une température et une humidité non-contrôlée. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Erreur dans une chaîne de mesure Le capteur fait souvent partie d’une chaîne de mesure: Capteur Module électronique de conditionnement Carte d’entrée analogique Toutes les erreurs des différentes composantes interragissent. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Le calcul la propagation des erreurs Utilisation de la série de Taylor. Équation de fonctionnement de la chaîne de mesure si tous les éléments sont d’une précision absolue: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Équation de l’erreur de mesure: La série de Taylor Équation de l’erreur de mesure: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple #1: La série de Taylor M = x + y Si x = (10.00±0.15) et y = (5.00±0.32) Sans erreurs, M = 15 Erreur de la chaîne de mesure: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple #2: La série de Taylor M = x - y Si x = (10±0.15) et y = (5±0.32) Sans erreurs, M = 5 Erreur de la chaîne de mesure: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple #3: La série de Taylor M = x * y Si x = (10.00±0.15) et y = (5.00±0.32) Sans erreurs, M = 50 Erreur de la chaîne de mesure: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Exemple #4: La série de Taylor M = x / y Si x = (10.00±0.15) et y = (5.00±0.32) Sans erreurs, M = 2 Erreur de la chaîne de mesure: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Le choix d’un capteur industriel Page 92 Le choix d’un capteur industriel Page 94 Listes des critères à envisager 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Correspond à la grandeur physique à mesurer. Le mesurande Correspond à la grandeur physique à mesurer. Le capteur doit donc utiliser un principe physique pour mesurer cette grandeur 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Les grandeurs d’influences Correspondent aux grandeurs physiques altérant la qualité de la mesure. Le capteur doit donc compenser les effets des grandeurs d’influences. Lors du design, on peut faire en sorte que les grandeurs d’influences restent stables. COMPENSER STABILISER 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Les grandeurs d’influences - Liste Température Pression Temps Vibrations 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Les grandeurs d’influences - Liste Chocs Humidité Immersion Corrosion 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Les grandeurs d’influences - Liste Position et fixation Perturbations électromagnétiques Alimentation électrique Rayonnement nucléaire 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Le signal de sortie (signal exploitable) Le signal de sortie peut être de nature électrique: Courant (analogique): 0 - 20 mA ; 4 - 20 mA ; -20 mA - +20 mA, ... Tension (analogique): 0 - 5 V ; 0 - 10 V ; 1 - 5V ; -5 V - +5 V, … Tension (tout-ou-rien) 24 V; 48 V; 120 V; 220V; 5 V (TTL) 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Le signal de sortie (signal exploitable) Le signal de sortie pneumatique: 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Le signal de sortie (signal exploitable) Ce peut être un message sur un réseau: DeviceNet Profibus 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Cet élément mécanique réagit sélectivement à la grandeur à mesurer. Le corps d’épreuve Cet élément mécanique réagit sélectivement à la grandeur à mesurer. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

L`élément de transduction Cet élément mécanique transforme la réaction du corps d’épreuve en grandeur électrique. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Le module électronique de conditionnement Assure une mise en forme du signal de sortie. Peut servir de source d’alimentation du capteur. TRANSMETTEUR. 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Domaine nominal d’utilisation Utilisation normale du capteur. Définit par l’étendue de mesure 0 à 2000 psi -50 à +200 °C Définit par la plage d’opération 0 à 55 °C 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Domaine de non-détérioration Altérations réversibles sur le capteur. Définit par la surcharge admissible 150 % E.M. ou 1.5 E.M. S’applique aux grandeurs d’influences 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Domaine de non-destruction Altérations irréversibles sur le capteur. Nécessite un étalonnage complet. Les caractéristiques du manufacturier ne tiennent plus 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Choix d'un capteur industriel Le choix d'un capteur repose sur une démarche en 3 points: 1) Définition du cahier des charges: Définition du type de matériel; Définition des caractéristiques essentielles. 2) Sélection d'une technologie 3) Choix d'un produit 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Définition du type de matériel Cela consiste à définir: La nature et le type de grandeur physique: Il existe généralement plusieurs types de solutions. Le type de capteur recherché: Analogique, numérique ou logique. Le type de signal électrique de sortie 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Définition des caractéristiques essentielles Caractéristiques métrologiques: L'étendue de mesure: Si signal analogique: les deux extrêmes; Si signal logique: plage de réglage du seuil. La précision La rapidité: Temps de réponse (sec); Bande passante / Fréquence propre (Hz); Si logique: fréquence de commutation (Hz). 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Définition des caractéristiques essentielles Conditions d'utilisation: Gamme de température admissible: Identifiée par les deux extrêmes. Surcharges admissibles: Nombre de fois l'étendue de mesure. Durée de vie: Nombre de cycles de manœuvre. Protections: Corrosion, poussière, chocs, étanchéité,... 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Définition des caractéristiques essentielles Spécifications géométriques: Encombrement. Spécifications économiques: Prix et délais de livraison. Autres caractéristiques Conditions d'alimentation; Consommation; Masse du capteur... 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier

Classes NEMA d’étanchéité de boitiers 20/09/2018 GPA-668 - (c) Guy Gauthier