Phases de conception d'un capteur

Pour concevoir un capteur, il faut déjà connaître l'état de l'art dans le domaine, c'est à dire les capteurs existants, qu'ils soient optroniques ou non (à capacité, à induction, à jauges de contrainte, piézoélectriques, à effet Hall, à micro-ondes, à céramiques, à ultrasons, ...). Cela permet d'évaluer les causes éventuelles de difficultés, en particulier sur un marché nouveau : conformité aux procédures et aux normes en usage, complexité d'utilisation et de réglages, formation de l'utilisateur, maintenance, coût envisageable,... Il faut aussi en optimiser la conception technique, dans toutes ses phases : cahier des charges, principe et architecture, modélisation, spécifications des composants et des sous-ensembles, évaluation et moyens d'essai, éventuellement réalisation de maquettes et de prototypes (séquencement, figure 1).

Figure 1 : Phases de conception d'un capteur optronique [zoom...]

Le cahier des charges regroupe les "spécifications opérationnelles" du capteur, c'est à dire ses fonctions et ses contraintes d'utilisation. Qu'il émane d'un client (auquel cas, c'est ce dernier qui le rédige), ou qu'il soit établi par le concepteur lui-même, après analyse du marché, il doit être aussi précis que possible, sur la fonction à remplir et les performances attendues, et faire ressortir la hiérarchie entre les fonctions, s'il y en a plusieurs. Suivant la complexité du capteur, le cahier des charges peut comporter quelques pages, ou d'épais dossiers. En général, il n'impose pas le principe du capteur, ni les spécifications techniques de ses composants, mais les buts à atteindre.

A partir de l'analyse du cahier des charges, le concepteur définit le principe de fonctionnement du capteur, c'est à dire le phénomène physique (ici, optique) sur lequel il va reposer. Il doit lister les paramètres d'influence, les caractéristiques du signal, la technique de traitement, puis définir les sous-ensembles du capteur. Dans le cas où plusieurs principes et architectures sont envisageables, il faut alors pousser l'analyse assez loin pour faire ressortir les avantages et les inconvénients respectifs des solutions entrevues, en tenant compte des technologies existantes (état de l'art).

L'architecture du capteur est souvent traduite sous la forme d'un «bloc-diagramme», qui décrit la "chaîne optronique" du capteur.

Après en avoir défini l'architecture, le concepteur modélise les performances du capteur grâce à une approche dite de "boites noires", dans laquelle chaque sous-ensemble est représenté par sa fonction de transfert et ses paramètres d'entrée (issus de l'élément précédent) et de sortie (délivrés au sous-ensemble suivant).

La simulation d'un capteur optronique se partage naturellement en deux parties : la première, qui va jusqu'au détecteur (ou à son préamplificateur), doit vérifier si le signal délivré par le détecteur est exploitable par l'électronique. Pour cela, elle établit le budget radiométrique du capteur, ou évaluation du signal optique, ou flux, incident sur le détecteur. Ce budget permet de calculer le rapport signal à bruit du capteur à l'entrée de l'électronique, paramètre fondamental de la performance de tout capteur, quel qu'il soit : si ce rapport est jugé insuffisant à la sortie du détecteur, ce n'est pas la peine de simuler l'ensemble, car il ne peut que se dégrader dans la partie électronique, et aucun traitement, aussi performant soit-il, ne restaurera la situation.

Les procédures de simulation et les logiciels correspondants doivent être spécifiquement adaptés à chaque partie du capteur. On trouve dans le commerce de nombreux logiciels de simulation optique (émission et propagation de la lumière, propriétés des surfaces et des milieux, conception instrumentale, détecteurs), mécanique, et électronique (modulation, démodulation et filtrage, traitement analogique et numérique, du signal et des images).

Ces logiciels éliminent l'aspect fastidieux des calculs, et permettent d'affiner les résultats en multipliant le nombre de configurations analysées. Cependant, le concepteur ne doit pas oublier de porter un oeil critique sur les résultats dont la validité repose sur celle du modèle qu'il a lui-même introduit.

Les retombées de la simulation servent à définir les spécifications techniques des sous-ensembles et des composants, en tenant compte de l'état de l'art, qui s'acquiert par l'expérience, la consultation de la littérature (revues techniques, documentations), les stages de formation, les conférences,...

Il ne faut pas attendre d'avoir achevé la conception du capteur pour entreprendre celle des moyens d'évaluation et d'essais, mais mener les deux en parallèle car la définition de ces moyens a toujours une influence positive sur la conception du capteur lui-même, à tous les niveaux (composants, sous-ensembles, système). Dans le cas où l'on a à concevoir des capteurs optroniques complexes, ou en petit nombre, tels que ceux de la défense ou du spatial, les bancs d'évaluation et d'essais représentent une part non négligeable du projet, et une erreur dans leur définition ou une sous-estimation de leur coût peut être fatale au projet, techniquement et financièrement.

Par ailleurs, une «règle d'or» en conception, et qui s'applique plus particulièrement aux phases de maquette et de prototype, est de contrôler tout composant, ou sous-ensemble avant montage, ce qui évite, en cas de dysfonctionnement inexpliqué du capteur, des démontages et remontages coûteux.

Il arrive souvent que le principe envisagé au départ ne soit pas applicable parce que la technologie correspondante n'est pas encore au point. Il faut alors savoir évaluer la probabilité et le délai du saut technologique qui permettra de débloquer la situation, d'où l'importance du suivi des progrès de la recherche dans le domaine.

Comme on l'a déjà mentionné, il est impératif de bien définir le cahier des charges. Le concepteur doit se faire préciser les points qui lui paraissent peu clairs, en particulier s'il veut respecter la hiérarchie entre les fonctions d'un capteur qui en comporte plusieurs.

La conception d'un capteur optronique est, par définition, un travail multidisciplinaire, et elle doit traiter de façon équilibrée tous les éléments de la chaîne, sans en négliger, ou en sous-estimer, car la faiblesse d'un seul d'entre eux (sources et détecteurs, milieux de propagation, optique instrumentale, mécanique, asservissements, filtrage, traitement du signal analogique et numérique, traitement d'image, visualisation, informatique,...) rejaillit sur toute la chaîne. Bien que les capteurs optroniques diffèrent l'un de l'autre en fonction de l'application, on peut regrouper par familles ceux qui ont des propriétés similaires, en se basant sur les critères suivants : principe de fonctionnement, domaine spectral, type d'information délivré, et mode de détection utilisé.