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Acquérir l'information - la mesure par un capteur

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Objectifs

Identifier les composants qui permettent de remplir la fonction « acquérir » d’une chaine d’information.
Définir les caractéristiques liées à une mesure.

Points clés

Un capteur est un dispositif qui transforme une grandeur physique en un signal électrique.
Un capteur est précis s’il est juste et fidèle.
Toute mesure comporte des erreurs.
Une erreur peut être systémique si elle est reproductible, aléatoire ou accidentelle si elle n’est pas reproductible.

1. L’acquisition de l’information

La chaine d’information d’un système pluritechnique reçoit :

des consignes provenant de l’utilisateur ;
des mesures des paramètres de fonctionnement du système et/ou des mesures de grandeurs physiques prises dans l’environnement du système.

La fonction « Acquérir les informations » a pour but d’agir sur ces grandeurs d’entrée et de les transformer en signaux utilisables par la fonction « Traiter les informations ».

2. Les caractéristiques d’un capteur

Un capteur est un composant de prélèvement d’information qui élabore, à partir d’une grandeur physique, une autre grandeur physique de nature différente (généralement électrique).

Les capteurs sont caractérisés par les éléments suivants.

L’étendue de la mesure correspond aux valeurs extrêmes qui peuvent être mesurées par le capteur.
La résolution correspond à la plus petite variation de grandeur mesurable par le capteur.
La sensibilité correspond à la variation du signal de sortie par rapport à la variation du signal d’entrée.
La précision correspond à la capacité du capteur à donner une mesure proche de la valeur vraie.
La rapidité correspond au temps de réaction du capteur.
Un capteur est linéaire si sa sensibilité est constante.

3. Le vocabulaire lié à une mesure

Le vocabulaire lié à une mesure est le suivant.

La grandeur (ou mesurande) (X) correspond au phénomène physique que l’on cherche à mesurer.
Exemples
Pression, température, vitesse, etc.
Le mesurage correspond à l’ensemble des opérations qui permettent d’obtenir la valeur de la grandeur. La mesure peut être directe (utilisation d’un instrument de mesure) ou indirecte (grâce à une relation).
Exemple
On mesure l’intensité d’un courant électrique à l’aide d’un ampèremètre. Le mesurage est effectué avec un ampèremètre.
La mesure (x) correspond à l’évaluation d’une grandeur par comparaison avec une autre grandeur de même nature prise pour unité.
Exemples
2 mètres, 3 grammes, 6 secondes, etc.
La valeur vraie (x_vrai) correspond au résultat si le mesurage était parfait (sans aucune erreur).
L'erreur de mesure (x – x_vrai) correspond à la différence entre la valeur mesurée et la valeur vraie.
L’incertitude (dx) correspond à l’écart qui provient des différentes erreurs liées à la mesure.
Exemples
3 cm ± 10 % ou 3 cm ± 3 mm, etc.
L’erreur absolue (ε) correspond à l’écart entre la mesure et la grandeur : ε = x – X.
Exemple
Une erreur de 10 cm sur une mesure de distance.
L’erreur relative (ε_r) correspond au rapport de l’erreur de mesure à une référence. Elle s’exprime généralement en pourcentage de la grandeur mesurée : ε_r = .
Exemple
Une erreur de 10 % sur une erreur de distance.

4. Les erreurs de mesure

Le résultat d'un mesurage n'est jamais parfait, il y a toujours une erreur de mesure.

a. La précision d’une mesure

Trois caractéristiques définissent les erreurs de mesure : la justesse, la fidélité et la précision.

Un capteur est précis s’il est juste et fidèle.

Justesse et fidélité

Un capteur est juste si ses valeurs ne changent pas quand on les compare à des valeurs étalons ou à des valeurs données par d’autres capteurs normalisés.

Un capteur est fidèle si ses valeurs ne changent pas au cours du temps (mesures reproductibles).

b. Les erreurs de mesure

Type d’erreur

Une erreur peut être :

systémique, si elle est reproductible et est causée par une loi physique ;
aléatoire, si elle n’est pas reproductible et obéit à des lois statistiques ;
accidentelle, si elle n’est pas reproductible et résulte d’une fausse manipulation ou d’un dysfonctionnement l’appareil.

Quelques erreurs systémiques

On distingue notamment les erreurs systémiques suivantes, qui sont susceptibles d’être supprimées en appliquant les corrections qui conviennent.

L’erreur de zéro (ou « offset »), qui ne dépend pas de la valeur de la grandeur mesurée.
L’erreur d’échelle (ou de gain), qui dépend de façon linéaire de la valeur de la grandeur mesurée.
L’erreur de linéarité, où la courbe caractéristique n’est pas une droite.
L’erreur d’hystérésis, où le résultat de la mesure dépend de la mesure précédente.

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