Terminologie des capteurs

La sensibilité du capteur est définie comme la pente de la courbe caractéristique de sortie (DY/DX sur la figure 1) ou, plus généralement, l'entrée minimale de paramètre physique qui créera un changement de sortie détectable. Dans certains capteurs, la sensibilité est définie comme le changement de paramètre d'entrée nécessaire pour produire un changement de sortie standardisé. Dans d'autres, il est défini comme un changement de tension de sortie pour un changement donné du paramètre d'entrée. Par exemple, un transducteur de pression artérielle typique peut avoir un indice de sensibilité de 10 mV/V/mm Hg ; autrement dit, il y aura une tension de sortie de 10 mV pour chaque volt de potentiel d’excitation et chaque mm Hg de pression appliquée.

Erreur de sensibilité

L'erreur de sensibilité (représentée sous forme de CURVE en pointillés sur la figure 1) s'écarte de la pente idéale de la CURVE caractéristique. Par exemple, le transducteur de pression examiné ci-dessus peut avoir une sensibilité réelle de 7,8 mV/V/mm Hg au lieu de 10 mV/V/mm Hg.

La gamme du capteur correspond aux valeurs maximale et minimale du paramètre appliqué qui peuvent être mesurées. Par exemple, un capteur de pression donné peut avoir une gamme de -400 à +400 mm Hg. Alternativement, les gammes positive et négative sont souvent inégales. Par exemple, un certain transducteur de pression artérielle médical doit avoir une limite minimale (sous vide) de -50 mm Hg (Y_min sur la figure 1) et une limite maximale (pression) de +450 mm Hg (Y_max sur la figure 1). Cette spécification est courante, d’ailleurs, et c’est l’une des raisons pour lesquelles les médecins et les infirmières détruisent parfois les capteurs de pression artérielle lorsqu’ils tentent de prélever du sang à travers une ligne artérielle sans tenir compte de la position des robinets d’arrêt de liquide dans le système. Une petite seringue peut exercer un vide énorme sur un système fermé.

Figure 1. CURVE idéale et erreur de sensibilité. Source : J.J. Carr, Sensors and Circuits Prentice Hall.

Gamme dynamique

La gamme dynamique est la gamme totale du capteur, du minimum au maximum. Autrement dit, en termes de figure 1, R_dyn = Y_max - l -Y_minl.

Le concept de précision fait référence au degré de reproductibilité d'une mesure. Autrement dit, si exactement la même valeur était mesurée plusieurs fois, un capteur idéal produirait exactement la même valeur à chaque fois. Mais les capteurs réels renvoient une gamme de valeurs distribuées d'une manière ou d'une autre par rapport à la valeur correcte réelle. Supposons, par exemple, qu'une pression d'exactement 150 mm Hg soit appliquée à un capteur. Même si la pression appliquée ne change jamais, les valeurs de sortie du capteur varieront considérablement. Certains problèmes subtils se posent en matière de précision lorsque la valeur réelle et la valeur moyenne du capteur ne sont pas à une certaine distance l'une de l'autre.
(p. ex., la gamme des 1 s de la CURVE de distribution normale).

Cette spécification est le plus petit changement incrémental détectable du paramètre en entrée qui peut être détecté dans le signal en sortie. La résolution peut être exprimée soit en proportion de la mesure (ou de la mesure à pleine échelle), soit en termes absolus.

La précision du capteur est la différence maximale qui existera entre la valeur réelle (qui doit être mesurée par un étalon primaire ou un bon étalon secondaire) et la valeur indiquée à la sortie du capteur. Encore une fois, la précision peut être exprimée en pourcentage de la pleine échelle ou en termes absolus.

L'erreur d'offset d'un transducteur est définie comme la sortie qui existera alors qu'elle devrait être zéro ou, alternativement, la différence entre la valeur de sortie réelle et la valeur de sortie spécifiée dans un ensemble particulier de conditions. La figure 1 donne un exemple de la première situation si la courbe caractéristique avait la même pente de sensibilité que l'idéal mais croisait l'axe des Y (sortie) à b au lieu de zéro. Un exemple de l'autre forme d'offset est illustré par la CURVE caractéristique d'une électrode de pH illustrée à la figure 2. La CURVE idéale n'existera qu'à une température (généralement 25 °C), tandis que la CURVE réelle se situera entre les limites de température minimale et maximale en fonction de la température de l'échantillon et de l'électrode.

La linéarité du transducteur est une expression de la mesure dans laquelle la CURVE mesurée réelle d'un capteur s'écarte de la CURVE idéale. La figure 3 montre une relation quelque peu exagérée entre la ligne idéale, ou ajustement des moindres carrés, et la ligne réelle mesurée ou d'étalonnage ( Notez que dans la plupart des cas, la courbe statique est utilisée pour déterminer la linéarité, ce qui peut s'écarter quelque peu d'une linéarité dynamique). La linéarité est souvent spécifiée en termes de pourcentage de non-linéarité, qui est défini comme suit :

où

Non-linéarité (%) est le pourcentage de non-linéarité
Din_(max) est l'écart maximal en entrée
IN_f.s. est l'entrée pleine échelle maximale

La non-linéarité statique définie par l’équation 6-1 est souvent soumise à des facteurs environnementaux, notamment la température, les vibrations, le niveau de bruit acoustique et l’humidité. Il est important de savoir dans quelles conditions la spécification est valide et les écarts par rapport à ces conditions peuvent ne pas produire de changements linéaires de linéarité.

Un transducteur doit être capable de suivre les changements du paramètre d'entrée quelle que soit la direction dans laquelle le changement est effectué ; l'hystérésis est la mesure de cette propriété. La figure 4 montre une CURVE typique d'hystérésis. Notez qu'il importe à partir de quelle direction le changement est effectué. L'approche d'une valeur fixe en entrée (point B de la figure 4) à partir d'une valeur supérieure (point P) produira une indication différente de l'approche de la même valeur à partir d'une valeur inférieure (point Q ou zéro). Notez que la valeur en entrée B peut être représentée par F(X)₁, F(X)₂ ou F(X)₃ selon la valeur précédente immédiate — clairement une erreur due à l'hystérésis.

Les capteurs ne changent pas immédiatement d'état en sortie lorsqu'un changement de paramètre en entrée a lieu. Il passera plutôt au nouvel état sur une période de temps, appelée temps de réponse (T_r dans la figure 5). Le temps de réponse peut être défini comme le temps nécessaire pour qu'une sortie de capteur passe de son état précédent à une valeur réglée finale dans une bande de tolérance de la nouvelle valeur correcte. Ce concept est quelque peu différent de la notion de constante de temps (T) du système. Ce terme peut être défini de manière similaire à celui d'un condensateur se chargeant à travers une résistance et est généralement inférieur au temps de réponse.

Les courbes de la figure 5 montrent deux types de temps de réponse. Dans la figure 5a, la CURVE représente le temps de réponse à la suite d'un changement brusque positif de la fonction incrément du paramètre d'entrée. La forme illustrée à la figure 5b est un temps de décroissance (T_d à distinguer de T_r, car ils ne sont pas toujours identiques) en réponse à un changement négatif de fonction indicielle du paramètre en entrée.

La linéarité dynamique du capteur est une mesure de sa capacité à suivre les changements rapides du paramètre d'entrée. Les caractéristiques de distorsion d'amplitude, de distorsion de phase et de temps de réponse sont importantes pour déterminer la linéarité dynamique. Étant donné un système de faible hystérésis (toujours souhaitable), la réponse en amplitude est représentée par :

Dans l’équation 6-2, le terme F(X) est le signal en sortie, tandis que les termes X représentent le paramètre en entrée et ses harmoniques, et K est une constante d’offset (le cas échéant). Les harmoniques deviennent particulièrement importantes lorsque les harmoniques d'erreur générées par l'action du capteur se trouvent dans les mêmes bandes de fréquence que les harmoniques naturelles produites par l'action dynamique du paramètre d'entrée. Toutes les waveforms continues sont représentées par une série de Fourier d'un signal sinusoïdal fondamental et de ses harmoniques. Dans toute waveform non sinusoïdale (y compris les changements temporels d'un paramètre physique). Les harmoniques présentes peuvent être affectées par l'action du capteur.

Figure 6. Courbes du signal en sortie par rapport au signal en entrée montrant a) l'erreur quadratique; b) l'erreur cubique. Source : J.J. Carr, Sensors and Circuits Prentice Hall.

La nature de la non-linéarité de la CURVE d'étalonnage (figure 6) indique quelles harmoniques sont présentes. Dans la figure 6a, la courbe d'étalonnage (représentée en pointillés) étant asymétrique, seuls des termes harmoniques impairs existent. En supposant une forme pour la courbe idéale de F(x) = mx + K, l'équation 6-2 devient pour le cas symétrique :

Dans l'autre type de courbe d'étalonnage (figure 6b), les valeurs indiquées sont symétriques par rapport à la courbe mx + K idéale. Dans ce cas, F(X) = -F(-X), et la forme de l’équation 6-2 est :

Note juridique