Capteurs, mesures et performances

Capteurs et grandeurs mesurées

Un capteur est un composant de la chaîne d'information : il acquiert une grandeur physique (température, durée, masse, lumière…) et la transforme en un signal que l'objet peut traiter, puis communiquer (affichage, alarme, programme).

Chaque grandeur s'exprime avec une unité. Une mesure sans unité n'a pas de sens : « 20 » ne veut rien dire, « 20 °C » oui.

Calculer une performance

Une performance est une valeur mesurée ou calculée qui dit si un objet répond bien au besoin. On l'obtient souvent en divisant deux mesures.

Pourquoi diviser ? Pour comparer des objets qui n'ont pas parcouru la même distance ou fonctionné pendant la même durée, on ramène tout à « par seconde », « par kilomètre » ou « par heure ».

Pour une batterie, on raisonne de la même façon. Un smartphone passe de 100 % à 80 % en 1 h : il perd 20 % par heure, donc il tient $\dfrac{100}{20} = 5$ h, en supposant que la perte reste la même (c'est une estimation).

Répéter les mesures et faire la moyenne

Quand tu chronomètres une descente trois fois, tu n'obtiens jamais exactement le même résultat : ton doigt réagit plus ou moins vite, la rampe n'est pas parfaite… Une seule mesure peut donc être trompeuse.

On répète la mesure et on calcule la moyenne : on additionne les valeurs et on divise par leur nombre.

La dispersion se mesure par l'étendue : c'est l'écart entre la plus petite et la plus grande valeur. Si elle est faible, les mesures sont fidèles : on peut leur faire confiance.

Exemple : 480, 495, 485 lx → étendue de 15 lx (faible). 520, 400, 580 lx → étendue de 180 lx (grande). Deux séries peuvent avoir des moyennes proches (ici environ 487 lx et 500 lx), mais la première est bien plus régulière.

Comparer, choisir et vérifier un capteur

Pour choisir entre deux réglages ou deux objets, on définit des critères de performance : vitesse, fiabilité, consommation, prix… Un seul critère ne suffit pas.

Exemple : un robot suiveur de ligne parcourt 4,5 m. Avec la sensibilité 1, il met 18 s (vitesse $4{,}5/18 = 0{,}25$ m/s) et reste sur la ligne. Avec la sensibilité 2, il met 15 s (vitesse $4{,}5/15 = 0{,}3$ m/s) mais sort de la ligne 3 fois sur 10 : il est plus rapide, mais moins fiable. Le meilleur réglage dépend du besoin.

Un bon protocole de mesure précise : ce qu'on mesure, avec quel instrument, dans quelles conditions identiques, combien de fois on répète.

Enfin, un capteur lui-même peut être imprécis. Distingue :

• l'erreur de mesure : petit écart aléatoire, variable d'une mesure à l'autre ;

• le défaut du capteur : écart systématique, toujours dans le même sens (par exemple un thermomètre qui indique toujours 2 °C de moins).

Pour vérifier un capteur, on le compare à une valeur de référence connue (l'eau bout à 100 °C au niveau de la mer) ou à un autre instrument de qualité, en répétant les mesures.

Retour au début : pour savoir si la trottinette de Lucas est plus rapide que le vélo de Léa, on mesure la même distance avec un chronomètre, on répète plusieurs fois, on calcule les vitesses moyennes en m/s puis on compare, en vérifiant la dispersion.

L'essentiel

• Un capteur acquiert une grandeur physique ; chaque mesure s'écrit avec son unité.

• Une performance se calcule souvent par une division : $v = \dfrac{d}{t}$, Wh/km, % par heure.

• On répète les mesures et on calcule la moyenne ; la dispersion indique la fidélité.

• Pour choisir, on utilise plusieurs critères (vitesse, fiabilité, consommation) et un protocole identique pour tous.

• Erreur de mesure (aléatoire) ≠ défaut du capteur (systématique) : on compare à une valeur de référence.