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Sciences de l'Ingénieur · Classes prépa (CPGE) — 1ère année — TSI

Capteurs et acquisition de données

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

Un capteur est un élément de la chaîne d'information qui prélève une grandeur physique (température, pression, position) et la transforme en une grandeur exploitable (généralement électrique).

  • Chaîne de mesure : Grandeur physique $\rightarrow$ Capteur $\rightarrow$ Conditionnement $\rightarrow$ CAN $\rightarrow$ Unité de traitement.
  • Caractéristiques métrologiques :
    • Sensibilité ($S$) : $S = \frac{\Delta S_s}{\Delta S_e}$ où $S_s$ est le signal de sortie et $S_e$ le signal d'entrée.
    • Résolution : Plus petite variation mesurable.
    • Étendue de mesure : $EM = X_{max} - X_{min}$.
  • Conversion Analogique-Numérique :
    • Échantillonnage : Période $T_e$, fréquence $f_e = 1/T_e$. Théorème de Shannon : $f_e > 2 \cdot f_{max}$.
    • Quantification : Pas de quantification $q = \frac{V_{ref}}{2^n - 1}$ (où $n$ est le nombre de bits).

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer la sensibilité : Identifier la pente de la droite caractéristique $S_s = f(S_e)$.
  2. Vérifier le théorème de Shannon : Comparer la fréquence d'échantillonnage à deux fois la fréquence maximale du signal.
  3. Calculer la valeur numérique (N) : $N = \frac{V_{in}}{q}$ avec $q = \frac{V_{ref}}{2^n}$.

Exemples corrigés

Exemple : Un capteur de température a une sortie $V_s$ variant de 0V à 5V pour une température de 0°C à 100°C.

  • Sensibilité $S = \frac{5 - 0}{100 - 0} = 0,05 , V/°C$.
  • Si $T = 50°C$, alors $V_s = 0,05 \times 50 = 2,5 , V$.

Erreurs fréquentes

  • Confondre la résolution avec la précision.
  • Oublier l'unité dans les calculs de sensibilité.
  • Ne pas respecter la condition de Shannon (risque de repliement de spectre).

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Capteurs et acquisition de données

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Quelle est l'unité de la sensibilité d'un capteur de température dont la sortie est en Volts ?

❓ Questions fréquentes

Qu'est-ce qu'un capteur passif ?

Un capteur passif est un capteur qui nécessite une source d'énergie externe pour fonctionner. Sa caractéristique physique (résistance, capacité, inductance) varie en fonction de la grandeur mesurée. Par exemple, une thermistance (CTN) a besoin d'un courant pour que sa variation de résistance soit convertie en tension.

💡 À retenir : Capteur passif = nécessite alimentation externe.

Kifach n7seb le pas de quantification q ?

Pour calculer le pas de quantification $q$, tu dois connaître la tension de référence ($V_{ref}$) et le nombre de bits ($n$) du convertisseur :

  1. Identifie $V_{ref}$ (souvent 5V ou 10V).
  2. Calcule le nombre de niveaux : $2^n$.
  3. Applique la formule : $q = \frac{V_{ref}}{2^n}$.

💡 À retenir : Plus $n$ est grand, plus $q$ est petit, meilleure est la précision.

Pourquoi on utilise un amplificateur opérationnel après un capteur ?

Le signal brut issu d'un capteur est souvent très faible (quelques millivolts). L'amplificateur opérationnel permet d'adapter l'amplitude du signal pour qu'il soit compatible avec l'entrée du CAN (0-5V par exemple) et d'isoler le capteur du reste du circuit.

💡 À retenir : Le conditionnement adapte le signal au système de traitement.

Chno hiya l'importance dyal théorème de Shannon ?

Le théorème de Shannon est crucial pour ne pas perdre l'information lors de la numérisation. Si on échantillonne trop lentement, on crée des erreurs (repliement). Il impose que la fréquence d'échantillonnage soit au moins deux fois supérieure à la fréquence maximale du signal.

💡 À retenir : $f_e > 2 \cdot f_{max}$ pour éviter la perte de données.

Quelle est la différence entre un capteur et un transducteur ?

Le transducteur est l'élément qui convertit une forme d'énergie en une autre. Le capteur est le système complet (transducteur + conditionnement) qui fournit une information exploitable par un système de commande.

💡 À retenir : Le capteur est un système, le transducteur est un composant.

Kifach n3ref wach l'capteur linéaire ?

Un capteur est linéaire si sa caractéristique $S_s = f(S_e)$ est une droite passant par l'origine ou de la forme $y = ax + b$. Si la courbe est une droite, la sensibilité est constante sur toute la plage de mesure.

💡 À retenir : Linéarité = Sensibilité constante.

C'est quoi le rôle du CAN ?

Le CAN (Convertisseur Analogique-Numérique) transforme une grandeur physique électrique continue (tension) en une valeur numérique binaire que le microcontrôleur peut traiter.

💡 À retenir : CAN = Interface entre le monde analogique et le monde numérique.

Est-ce que la résolution dépend de la plage de mesure ?

Oui, indirectement. Pour un nombre de bits $n$ fixé, si tu augmentes la plage de mesure, le pas de quantification $q$ augmente, donc la résolution diminue (la précision devient moins bonne).

💡 À retenir : Résolution = $V_{ref} / 2^n$.

Comment choisir un capteur pour un projet ?
  1. Définir la grandeur à mesurer.
  2. Vérifier la plage de mesure nécessaire.
  3. Vérifier la précision et la résolution requises.
  4. Vérifier les conditions environnementales (température, humidité).
  5. Vérifier le coût et la compatibilité avec le système de contrôle.

💡 À retenir : Le choix dépend du cahier des charges.

C'est quoi le bruit dans un signal ?

Le bruit est une perturbation électrique indésirable qui s'ajoute au signal utile. Il peut provenir de l'environnement (ondes électromagnétiques) ou du circuit lui-même. On utilise des filtres pour l'éliminer.

💡 À retenir : Bruit = Signal parasite à éliminer.

Est-ce que le GRAFCET est lié aux capteurs ?

Oui, le GRAFCET utilise les informations provenant des capteurs (ex: capteur de fin de course) pour valider les transitions entre les étapes. Le capteur est l'organe qui envoie l'information "réceptivité".

💡 À retenir : Capteur = source des réceptivités du GRAFCET.

Pourquoi on utilise des capteurs numériques ?

Les capteurs numériques (ex: bus I2C) sont moins sensibles au bruit, plus faciles à interfacer avec les processeurs et permettent souvent une meilleure précision car le traitement est fait directement dans le capteur.

💡 À retenir : Numérique = immunité au bruit et facilité de traitement.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un capteur de pression délivre une tension $U_s$ variant linéairement de 0,5V à 4,5V pour une pression variant de 0 à 10 bars.

  1. Déterminer la fonction de transfert $U_s = f(P)$.
  2. Calculer la sensibilité du capteur.
  3. Si la tension mesurée est de 2,5V, quelle est la pression ?
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Exercice 2

Un CAN 8 bits possède une tension de référence $V_{ref} = 5V$.

  1. Calculer le pas de quantification $q$.
  2. Quelle est la valeur numérique (en décimal) pour une tension d'entrée de 2,5V ?
  3. Quelle est la valeur numérique pour une tension de 5V ?
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Exercice 3

Un signal analogique a une fréquence maximale de 1 kHz. On souhaite le numériser.

  1. Quelle est la fréquence d'échantillonnage minimale théorique ?
  2. Si on choisit $f_e = 5 , kHz$, est-ce suffisant ? Justifier.
  3. Quel est l'intérêt d'augmenter $f_e$ au-delà du minimum ?
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