Instrumentation and sensors

Enseignants

Francis Laurent; Toussaint Sébastien (supplée Francis Laurent);

Langue
d'enseignement

Anglais
> Facilités pour suivre le cours en français

Préalables

Les étudiants doivent maîtriser les compétences suivantes: représentation des signaux, en temps continu et en temps discret dans les domaines temporel et en fréquentiel, représentations mathématique des systèmes (fonction de transfert, réponse impulsionnelle, filtrage), principes et propriétes des transformées de Fourier, Laplace et en z, analyse des circuits électriques utilisant des éléments passifs (R, L, C) en régimes continus, transitoires et alternatifs, compréhension du fonctionnement général des amplificateurs opérationnels, diodes et transistors ainsi que de leurs montages électroniques élémentaires, tels que vu dans les cours LFSAB1106, LELEC1370 et LELEC1530

Thèmes abordés

Notre monde est de plus en plus numérique de par l'omniprésence des systèmes informatiques et électroniques dans l'industrie, les transports, les soins de santé et la vie quotidienne. Une part importante des applications numériques requiert l'acquisition continue de grandeurs du monde physique. Dans ce cours, nous étudions les chaînes d'instrumentation et les capteurs capables d'opérer cette acquisition de grandeurs physiques pour les traduire en signaux électriques analogiques puis en données numériques.
Dans le cours, nous abordons les types de capteurs utilisés pour la transduction de grandeurs physiques de différents types (spatiales, mécaniques, acoustiques, optiques, bio/chimiques, ...) ainsi que les circuits électroniques associés au conditionnement et à la transmission des mesures, tout en mettant en lumière les facteurs de qualité de la mesure et les sources d'erreurs tout au long de la chaîne.

Acquis
d'apprentissage

A la fin de cette unité d’enseignement, l’étudiant est capable de :

Eu égard au référentiel AA du programme « Master ingénieur civil électriciens», ce cours contribue au développement, à l'acquisition et à l'évaluation des acquis d'apprentissage suivants : AA1.1, AA1.2, AA1.3 AA2.1, AA2.2 AA3.1, AA3.3 AA4.1, AA4.2, AA4.3, AA4.4 AA5.3, AA5.4, AA5.5 À l'issue de ce cours, l'étudiant sera en mesure de : décrire le fonctionnement de différentes classes de capteurs; choisir des capteurs en fonction d'une application donnée; dimensionner, réaliser et caractériser une chaîne d'instrumentation complète; comprendre et utiliser des datasheets; présenter par écrit les résultats d'un projet de groupe.

Contenu

Dans ce cours, nous étudions les concepts fondamentaux des systèmes de capteurs et des chaînes d’instrumentation, depuis la spécification d’un besoin de mesure jusqu’à l’acquisition, au traitement et à l’interprétation des données.
Les thèmes suivants sont abordés :

• Définition, classification et caractérisation des capteurs.
• Principes de transduction gouvernant la conversion des grandeurs physiques en signaux électriques (résistifs, capacitifs, inductifs, thermiques et chimiques).
• Analyse des performances des capteurs : sensibilité, offset, linéarité, saturation, résolution, calibration et validité des mesures.
• Analyse des variations et des sources d’erreur : bruit intrinsèque, bruit environnemental, variabilité entre dispositifs et dépendance aux conditions de fonctionnement.
• Spécification et sélection de solutions de mesure en fonction d’une application : définition des exigences, lecture et analyse de datasheets, adéquation capteur–application.
• Conception de chaînes d’instrumentation : modélisation par diagrammes blocs, fonctions de transfert, conditionnement analogique (interfaçage du transducteur, amplification, filtrage).
• Principes et techniques d’acquisition de données : conversion analogique–numérique, échantillonnage et effets de quantification.
• Traitement des données et extraction d’information : réduction du bruit, détection d’événements et interprétation des mesures.
• Conception et validation expérimentale de systèmes de mesure : traduction des spécifications en choix d’architecture, caractérisation et validation des performances.
• Introduction à la conception de circuits imprimés et à l’intégration de systèmes instrumentés.
• Analyse critique des compromis techniques, énergétiques, environnementaux et sociétaux associés aux solutions instrumentées, incluant des considérations de durabilité, de consommation énergétique, de gestion des données et de proportionnalité des moyens de mesure.

Certaines applications fréquentes dans le domaine industriel seront abordées : mesures de déplacement, vitesse, force, accélération, pression, température, lumière, acoustique et applications biochimiques.
Des séminaires académiques et/ou industriels complètent le cours en lien avec des applications concrètes des systèmes de capteurs et avec la pertinence, la soutenabilité et l’impact sociétal des solutions instrumentées.

Méthodes d'enseignement

Le cours combine des cours ex-cathedra destinés à présenter les concepts fondamentaux de l’instrumentation et des systèmes de capteurs avec un apprentissage par problèmes basé sur un projet pratique réalisé en groupe, complété par des séances d’exercices.
L’organisation hebdomadaire repose sur une articulation entre cours théoriques, démonstrations expérimentales, études de cas et activités orientées projet, principalement basées sur une plateforme expérimentale utilisée comme fil conducteur tout au long du quadrimestre.
Le projet porte sur la spécification, la conception, la réalisation et la validation expérimentale d’une chaîne complète d’instrumentation. Il est centré principalement sur un capteur à transduction résistive (jauge de déformation), tout en introduisant des ouvertures vers d’autres types de transduction (capacitive, inductive, thermique ou chimique).
Les activités pratiques mobilisent des outils de simulation (LTSpice), des plateformes embarquées (type Nucleo) ainsi que des outils de conception électronique (entre autres, KiCad). Une attention particulière est portée à l’articulation entre modélisation, simulation, expérimentation, acquisition et interprétation des données de mesure.
Une plateforme matérielle d’interfaçage est mise à disposition des étudiant·es pour le projet. Les étudiant·es qui le souhaitent peuvent également développer leur propre circuit imprimé dans le cadre du projet, sous réserve de validation préalable de la conception.
Le cours favorise une approche systémique et transdisciplinaire de l’instrumentation en lien avec diverses applications de l’ingénierie. Une attention particulière est également portée à l’analyse critique des choix technologiques et des compromis associés aux solutions instrumentées.

Modes d'évaluation
des acquis des étudiants

Dans le cadre de ce cours, les étudiant·es sont évalué·es par :

• une évaluation continue certificative, qui inclut un ou plusieurs rapports intermédiaires réalisés en groupe pendant le quadrimestre, portant notamment sur la caractérisation du capteur, les choix de conception et le traitement des données ;
• une évaluation certificative basée sur un rapport final réalisé en groupe portant sur la conception complète d’une chaîne d’instrumentation ;
• un examen écrit individuel portant sur les concepts fondamentaux du cours ;
• un examen oral en groupe portant sur l’ensemble du projet.

Pour constituer la note finale :

• 40 % proviennent de l’examen oral en groupe ;
• jusqu’à 60 % proviennent des rapports de groupe, avec un coefficient dépendant de la note de l’examen écrit individuel :
  • 60 % si la note de l’examen écrit individuel est supérieure ou égale à 10/20 ;
  • 0 % si la note de l’examen écrit individuel est inférieure à 5/20 ;
  • interpolation linéaire entre ces deux seuils pour une note comprise entre 5/20 et 10/20.

La note de groupe est individualisée en fonction de l’implication de l’étudiant·e au sein du groupe pendant le quadrimestre, notamment sur base de la participation aux activités encadrées et aux travaux évalués.
L’évaluation continue se déroulant pendant le quadrimestre, les rapports intermédiaires ne peuvent être refaits en seconde session ; la note acquise pour ces activités est conservée.
En cas d’échec en première session, le rapport final peut être refait en seconde session et la note associée à ce nouveau rapport est prise en compte. L’examen individuel peut également être représenté en seconde session.
Un questionnaire à choix multiples peut être utilisé afin de vérifier la maîtrise des concepts fondamentaux du cours.

Autres infos

Livres de référence

• J. Fraden, Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, 5th ed., Springer, 2016. ISBN: 978-3-319-19302-1. DOI: 10.1007/978-3-319-19303-8.
• R. B. Northrop, Introduction to Instrumentation and Measurements, 3rd ed., CRC Press, 2014. ISBN: 9781439866801. DOI: 10.1201/9781315275239.

Des ressources complémentaires (articles scientifiques, datasheets, notes techniques et supports de cours) sont fournies via Moodle.
Support de cours
Transparents des cours, documents méthodologiques, datasheets, notes techniques et ressources complémentaires disponibles en ligne.
Une plateforme expérimentale est mise à disposition des étudiant·es afin de soutenir les activités de conception, d’acquisition et de validation expérimentale. Celle-ci comprend notamment une plateforme embarquée de type Nucleo ainsi qu’un circuit imprimé dédié à l’interfaçage du capteur utilisé dans le projet.

Ressources
en ligne

Moodle
https://moodle.uclouvain.be/course/view.php?id=680

Bibliographie

• J. Fraden, Handbook of Modern Sensors: Physics, Designs, and Applications, 5th ed., Springer, 2016. ISBN: 978-3-319-19302-1. DOI: 10.1007/978-3-319-19303-8.
• R. B. Northrop, Introduction to Instrumentation and Measurements, 3rd ed., CRC Press, 2014. ISBN: 9781439866801. DOI: 10.1201/9781315275239.

Support de cours

• Transparents des cours, chapitres du livre de référence, disponibles en ligne

Faculté ou entité
en charge

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