Cours GPA-668 Capteurs et actionneurs

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

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

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

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

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

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

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

8 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 (c) Guy Gauthier

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

10 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 (c) Guy Gauthier

11 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 (c) Guy Gauthier

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

13 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 (c) Guy Gauthier

14 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 (c) Guy Gauthier

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

16 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 (c) Guy Gauthier

17 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 (c) Guy Gauthier

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

19 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 (c) Guy Gauthier

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

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

22 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 (c) Guy Gauthier

23 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 (c) Guy Gauthier

24 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 (c) Guy Gauthier

25 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 (c) Guy Gauthier

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

27 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 (c) Guy Gauthier

28 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 (c) Guy Gauthier

29 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 (c) Guy Gauthier

30 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 lbs. 20/09/2018 GPA (c) Guy Gauthier

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

32 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 (c) Guy Gauthier

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

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

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

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

37 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 (c) Guy Gauthier

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

39 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 (c) Guy Gauthier

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

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

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

43 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 (c) Guy Gauthier

44 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 (c) Guy Gauthier

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

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

47 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 (c) Guy Gauthier

48 Exemple: Comment calculer la répétabilité ?
Le critère de Chauvenet : On peut rejeter toute donnée dont la probabilité est inférieure à 1/(2N). 15 données => 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 (c) Guy Gauthier

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

50 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 (c) Guy Gauthier

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

52 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 (c) Guy Gauthier

53 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 (c) Guy Gauthier

54 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 (c) Guy Gauthier

55 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 (c) Guy Gauthier

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

57 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 (c) Guy Gauthier

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

59 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 (c) Guy Gauthier

60 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 (c) Guy Gauthier

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

62 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 (c) Guy Gauthier

63 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 (c) Guy Gauthier

64 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 (c) Guy Gauthier

65 … 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 (c) Guy Gauthier

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

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

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

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

70 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 (c) Guy Gauthier

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

72 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 (c) Guy Gauthier

73 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 (c) Guy Gauthier

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

75 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 (c) Guy Gauthier

76 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 (c) Guy Gauthier

77 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 (c) Guy Gauthier

78 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 (c) Guy Gauthier

79 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 (c) Guy Gauthier

80 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 (c) Guy Gauthier

81 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 (c) Guy Gauthier

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

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

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

85 Le signal de sortie (signal exploitable)
Le signal de sortie peut être de nature électrique: Courant (analogique): mA ; mA ; -20 mA mA, ... Tension (analogique): 0 - 5 V ; 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 (c) Guy Gauthier

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

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

88 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 (c) Guy Gauthier

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

90 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 (c) Guy Gauthier

91 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 (c) Guy Gauthier

92 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 (c) Guy Gauthier

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

94 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 (c) Guy Gauthier

95 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 (c) Guy Gauthier

96 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 (c) Guy Gauthier

97 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 (c) Guy Gauthier

98 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 (c) Guy Gauthier

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