Le capteur est un élément déterminant dans une chaîne de mesure. Il convertit en un signal électrique proportionnel la grandeur physique à mesurer.

Les acteurs du métier, qu’ils soient utilisateurs ou constructeurs de capteurs se sont accordés pour définir un langage commun à utiliser.

Définitions générales:

Le capteur: élément d'un appareil mesureur servant à la prise d'informations relatives à la grandeur à mesurer. Selon cette définition, le capteur constitue nécessairement le premier élément du transducteur.

Le transducteur: élément qui sert à transformer, suivant une loi déterminée la grandeur mesurée en une autre grandeur ou une valeur de la même grandeur avec une précision spécifiée et qui constitue un ensemble pouvant être utilisé séparément.

Le transmetteur: élément influencé par une grandeur physique mesurée, qui transmet un signal. Ce peut être un assemblage d'éléments constitué d'un capteur, d'un amplificateur ou d'un convertisseur qui modifie le signal suivant spécification.

La chaîne de mesure: suite d'éléments transducteurs et d'organes de liaison d'un instrument de mesure allant du (des) capteur(s), premier(s) élément(s) de la chaîne, au dispositif indicateur, de stockage ou de traitement qui en est le dernier élément.

L'instrument de mesure: Ensemble de moyens techniques destinés à exécuter les mesures en atelier ou en laboratoire et à matérialiser les mesures.

La boucle de régulation: ensemble des éléments utilisés pour l'asservissement à une grandeur de consigne. Une boucle de régulation va du (ou des) capteur(s) à l'actionneur comme organe de sortie. Les éléments intermédiaires traitent généralement le signal par voie électronique ou pneumatique. Une boucle de régulation peut utiliser des techniques analogiques ou numériques.

L'évaluation: consiste à constater, en utilisant des méthodes d'essais appropriées, les performances et les caractéristiques de l'instrument de mesure ou du capteur, objet de l’essai.

Type de capteur

Un capteur transforme la grandeur physique en un signal électrique. Cette transformation s'opère par une transformation directe ou indirecte.

Transformation directe: les variables physiques sont traduisibles directement en variables électriques. C'est le cas des certaines sondes de mesure de pH ou de couple thermoélectrique par exemple.

Transformation indirecte: les variables mécaniques et certaines variables physiques nécessitent une transformation préalable permettant la traduction en grandeur électrique. Dans ce mode de transformation, le capteur comporte alors deux éléments sensibles. Comme par exemple dans un capteur de force à jauge de contrainte, il y a le corps d'épreuve, ou élément primaire, qui relie le phénomène à un deuxième élément sensible, le pont de jauges de contraintes, qui assure la transformation en grandeur électrique.

Les capteurs peuvent fonctionner, avec apport d’énergie extérieure (capteurs passifs) ou sans apport d'énergie extérieure (capteurs actifs).

Parmi les capteurs fonctionnant sans apport d'énergie extérieure, on peut citer les couples thermoélectriques (pour la mesure des températures), les capteurs piézo-électrique (pour la mesure des forces), les cellules photovoltaïques (pour la mesure de flux d'énergie rayonnée), les capteurs de vitesse et déplacement.

Pour les capteurs nécessitant l'apport de l'énergie électrique, on peut citer: les capteurs de position à potentiomètre, les couplemètres optiques, les capteurs de proximité à ultrason, et bien d'autres.

Certains capteurs fonctionnent avec de l'énergie modulée par la grandeur à mesurer, c'est le cas des sondes ioniques par exemple.

Il existe aussi de capteurs dit intelligents, composés de deux parties principales :

Une chaîne de mesure pilotée par microcontrôleur, ou microporcesseur ;

Une interface de communication bidirectionnelle.

• • 1 : Multiplexeur;
  • 2 : Amplificateur;
  • 3 : Echantilloneur bloqueur;
  • 4 : Microcontrôleur;
  • 5 : PROM d'identification et paramètres métrologiques;
  • 6 : Interface de communication.

Caractéristiques métrologiques:

Elles définissent les caractéristiques d’emploi du capteur vis-à-vis de la grandeur physique objet de la mesure. 

Etendue des mesures: différence algébrique entre les valeurs extrêmes pouvant être prise par la grandeur à mesurer, pour lesquelles les indications d'un capteur, obtenues à l'intérieur du domaine nominal d'emploi en une seule mesure, ne doivent pas être entachées d'une erreur supérieure à l'erreur maximale tolérée.

Portée minimale-portée maximale: valeurs de la grandeur à mesurer correspondant aux limites minimale et maximale de l'étendue de mesure.

Zéro: valeur prise comme origine de l'information délivrée par le capteur. Suivant les cas ce sera:

• soit la valeur de l'information de sortie pour une valeur nulle de la grandeur d'entrée;
• soit la valeur de l'information de sortie qui correspond à la portée minimale.

Sensibilité: Pour une valeur donnée de la grandeur mesurée, la sensibilité s'exprime par le quotient de la variation de la grandeur de sortie par la variation correspondante de la grandeur à mesurer.

Si la grandeur à mesurer ou mesurande est m, et la grandeur de sortie s, la sensibilité

\[\mathsf{S=\frac{Δ_s}{Δ_m}}\]

Δs variation de s et Δm variation de m.

Ecart de linéarité: plus grand écart entre la courbe d'étalonnage et une ligne droite appelée "meilleure droite" obtenue par la méthode des moindres carrés. L'écart de linéarité s'exprime en pourcentage de l'étendue de mesure.

Loi de conformité: droite ou courbe représentant la relation fonctionnelle liant la grandeur d'entrée à la grandeur de sortie.

Ecart de conformité: plus grand écart entre la courbe d'étalonnage et la courbe représentant la loi de conformité.

Précision: qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des indications proches de la valeur vraie de la grandeur mesurée. (Le vocabulaire international publié par l'ISO:Organisme international de normalisation, par la voie du BIPM, de L'OIML(* voir à la fin de cet article), de la CEI (* voir à la fin de cet article) retient le mot exactitude, au lieu de précision. Il faut se reporter aux organismes cités pour en savoir plus).

Erreur de précision: erreur globale d'un capteur dans des conditions déterminées d'emploi et comprenant l'erreur de justesse ainsi que l'erreur de fidélité. Cette erreur est déterminée en composant les erreurs élémentaires pour le domaine d'emploi considéré.

Fidélité: qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à donner, pour une même valeur de la grandeur mesurée, des indications concordant entre elles, les erreurs systématiques des valeurs variables n'étant pas prises en considération.

En d'autres termes, la fidélité caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des indications qui ne sont pas entachées d'erreurs fortuites.

Erreur de fidélité: c'est un indice de dispersion des indications d'un capteur pour une série d'indications correspondant à une même valeur de la grandeur mesurée.

Pour représenter cet indice, on adopte souvent l'écart type qui est appelé alors "erreur moyenne quadratique de fidélité" pour une série d'indications consécutives dans les conditions déterminées d'emploi du capteur.

Justesse: qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à donner des indications égales à la valeur de la grandeur mesurée, les erreurs de fidélité n'étant pas prises en considération.

La justesse caractérise l'aptitude d'un capteur à donner les indications qui ne sont pas entachées d'erreur systématiques.

Erreur de justesse: somme algébrique des erreurs systématiques entachant l'indication d'un capteur dans des conditions déterminées d'emploi.

Mobilité: qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à réagir aux petites variations de la grandeur mesurée.

Erreur de mobilité: variation maximale de la grandeur mesurée qui ne provoque pas de variation décelable de l'indication d'un capteur.

Erreur de zéro: écart entre la valeur mesurée et la valeur théorique de l'information de sortie d'un capteur, pour la valeur zéro ou pour la valeur prise comme origine de la grandeur mesurée.

Réversibilité(Hystérésis): qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à donner la même indication lorsqu'on atteint une même valeur de la grandeur mesurée, que cette valeur ait été atteinte par variation croissante continue ou décroissante continue de la grandeur.

Erreur de réversibilité: différence des indications lorsqu'on atteint la même valeur de la grandeur mesurée soit par variation croissante continue, soit par variation décroissante continue de la grandeur.

L'erreur de réversibilité est égale à l'écart maximal constaté sur ces deux valeurs dans l'étendue de mesure.

En pratique la valeur retenue pour l'erreur d'hystérésis est égale à la moitié de l'erreur de l’erreur de réversibilité. Elle est exprimée en pourcentage de l'étendue de mesure.

Finesse: qualité exprimant l'aptitude d'un capteur à donner la valeur de la grandeur à mesurer sans modifier celle-ci par sa présence. (Le vocabuaire international ISO retient le terme discrétion, au lieu de finesse).

Rapidité: qualité qui exprime la manière de suivre dans le temps les variations de la grandeur à mesurer. La caractéristique la plus intéressante pour caractériser la rapidité dépend essentiellement de la grandeur à mesurer; par exemple la bande passante à x%, le temps de réponse à x% à un échelon.

Concernant les termes relatifs aux conditions de fonctionnement d'un capteur on a:

Conditions de référence: série de valeurs assorties de tolérances, ou de domaines réduits fixés pour les grandeurs d'influence, qui sont spécifiées pour effectuer les essais comparatifs.

Grandeur d'influence: grandeur qui appliquée à l'extérieur, est susceptible de modifier les caractéristiques métrologiques du capteur. Cette grandeur peut-être de nature mécanique, thermique, électrique ou chimique.

Domaine nominal d'emploi: le domaine nominal d'emploi est défini par les valeurs limites que peuvent atteindre et conserver de façon permanente, d'une part la grandeur à mesurer, d'autre part les grandeurs d'influence, sans que les caractéristiques du capteur soient modifiées.

Domaine de non-détérioration: le domaine de non détérioration est défini par les valeurs limites que peuvent atteindre et conserver , d'une part la grandeur à mesurer, d'autre part les grandeurs d'influence, sans que les caractéristiques du capteur soient altérées après retour dans le domaine nominal.

Domaine de non-destruction: le domaine de non destruction est défini par les valeurs limites que peuvent  atteindre, d'une part la grandeur à mesurer, d'autre part les grandeurs d'influence sans qu'il n'y ait destruction du capteur, mais dans lequel les caractéristiques du capteur peuvent être altérées plus ou moins profondément et d'une manière permanente.

Autres termes rencontrés

Dérive: déplacement lent et progressif du zéro, ou plus généralement de l'indication, au cours du temps.

Erreur moyenne: pour une valeur donnée de la grandeur à mesurer, c'est la moyenne arithmétique des erreurs obtenues au cours de l'étalonnage par valeur croissantes et par valeurs décroissantes de la grandeur à mesurer.

Courbe d'étalonnage: elle exprime la correspondance entre les valeurs de la grandeur mesurée et les valeurs indiquées par le capteur. Elle concerne un capteur individuellement désigné.

Reproductibilité: étroitesse de l'accord entre les résultats de mesure d'une même grandeur dans le cas où des mesures individuelles sont effectuées suivant différentes méthodes, au moyen de différents instruments de mesure, par différents observateurs, dans différents laboratoires, après des intervalles de temps assez long par rapport à la durée d'une seule mesure, dans différentes conditions usuelles d'emploi du capteur utilisé.

Répétabilité: étroitesse de l'accord entre les résultats de mesure successifs d'une même grandeur effectuée avec la même méthode, par le même observateur, avec les mêmes instruments de mesure, dans le même laboratoire, et à des intervalles de temps assez courts.

Erreur de répétabilité: c'est un indice de dispersion des indications d'un capteur pour une série de mesures consécutives effectuées dans les mêmes conditions, par un même observateur, avec les mêmes méthodes, et à des intervalles de temps assez courts.

Interchangeabilité: qualité qui caractérise l'aptitude d'un capteur à se substituer à un autre capteur sans altérer pour autant les performances d'une chaîne de mesure ou d'une boucle de régulation.

L'interchangeabilité implique certaines conditions sur les caractéristiques géométriques du capteur, aussi bien que sur ses caractéristiques métrologiques.

Exemple de capteurs et grandeur physique mesurée:

Le tableau ci-après liste quelques grandeurs mesurées avec les capteurs associés ainsi que leur technologie:

Normalisation:

Des organismes de normalisation, ainsi que divers laboratoires chargés d'évaluer les capteurs existent. En voici quelques uns:

Organismes

OIML: Organisation Internationale de Métrologie Légale.

BIPM: Bureau International de Poids et Mesures.

BNM: Bureau National de Métrologie.

AFNOR: Association Française de Normalisation.

ISO: Organisation International de Normalisation.

CEI: Commission Electrotechnique Internationale.

ESC: European Sensor Committee.

Laboratoires

LNE: Laboratoire National d'Essais.

LCIE: Laboratoire Central des Industrie Electriques.

Autres

COFRAC: COmité FRançais d'ACcréditation.

Conclusion:

Le concepteur d'une machine a besoin des résultats voulus dans la discipline qui est la sienne. Cependant, c'est à partir des capteurs bien adaptés qu'il pourra prévenir une défaillance, vérifier la conformité des performances, ou améliorer les réglages. Il y a lieu de bien choisir en amont, le capteur qui sera le mieux placé pour l'application envisagée.

Ce choix s'opère avec le fournisseur vers qui un maximum d'informations sur le système doit être envoyé, afin d'assurer de bonnes conditions de garantie et d'environnement.

JtBB

Ressources : Les capteurs en instrumentation industrielle - G. Asch et collaborateurs - 4é ed. - Dunod