PHYSIQUELes moyens de l'expérimentation

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L'instrument de mesure

Le rôle de l'instrument de mesure est d'observer une grandeur et de la comparer à un étalon incorporé ou non à l'appareil. Il est souvent nécessaire, lorsqu'on observe de faibles variations de la grandeur à mesurer, de procéder à une amplification mécanique, optique ou électronique du signal. En raison de sa souplesse et des coefficients d'amplification élevés qu'elle permet, la méthode électronique a peu à peu supplanté toutes les autres.

Les qualités que l'on exige d'un instrument de mesure sont la fidélité, la sensibilité et la justesse.

La fidélité

Les indications de l'appareil doivent être constantes lorsqu'il mesure plusieurs fois des quantités identiques ou la même quantité. Cela exige que les réglages soient reproductibles, qu'il n'y ait pas de dérives invisibles ni incontrôlables et qu'il existe un procédé de mesure permettant d'éliminer les défauts inévitables.

La fidélité de la balance classique à deux bras, par exemple, est obtenue si, lorsqu'on pèse deux fois la même masse, on atteint l'équilibre dans chacun des cas où l'on dépose les mêmes masses marquées dans l'autre plateau. Or, si les masses ne sont pas déposées chaque fois rigoureusement au même endroit des plateaux, ce qui est probable, le point d'application du plateau sur le couteau du fléau peut changer ; or, si les couteaux latéraux et centraux ne sont pas parallèles lors de la construction, un tel déplacement modifie la longueur utile du fléau, et l'équilibre ne pourra être réalisé qu'avec des masses marquées différentes.

Dans de très nombreux dispositifs électriques ou électroniques, on oppose à la grandeur à mesurer une grandeur connue, jusqu'à obtenir l'égalité qui se traduit par le retour au zéro d'un appareil de mesure. Les divers circuits utilisés sont parcourus par des courants et dégagent de la chaleur. L'équilibre de température est rarement atteint simultanément par les divers éléments des circuits, dont les caractéristiques varient en outre de façon différente avec celle-ci. Il s'ensuit un déplacement du zéro, ce dernier mettant parfois plusieurs heures à se stabiliser à la valeur qui correspond aux étalonnages. Dans d'autres cas, l'appareil ne peut fonctionner correctement qu'entre certaines limites de température extérieure, voire à la condition qu'il soit installé dans une pièce à température constante.

La sensibilité

La sensibilité représente la plus petite quantité que l'appareil est capable de discerner. On l'exprime le plus souvent par un chiffre qui donne la plus petite valeur de la grandeur mesurée dont la variation provoque un « changement observable » à la sortie de l'appareil : ainsi, la sensibilité d'une balance s'exprime en milligrammes ou en microgrammes, suivant son type ; celle d'un galvanomètre s'exprime en microampères et celle d'un récepteur électronique en microvolts à l'entrée. La quantité ainsi définie est la sensibilité absolue et, bien que très souvent employée, elle ne signifie pas grand-chose. En effet, il suffit souvent d'un changement très petit dans le système d'observation ou dans l'appréciation de l'observateur pour que ce chiffre varie dans des proportions importantes. Dans une balance ordinaire, par exemple, il peut suffire d'utiliser une aiguille indicatrice plus fine et d'observer son mouvement avec une loupe pour apprécier l'effet de surcharges beaucoup plus légères ; de même, si un galvanomètre traduit sa rotation par celle d'un pinceau lumineux réfléchi sur son équipage mobile (méthode de Poggendorf), il suffit de mesurer le déplacement du spot lumineux à une distance augmentée pour changer la sensibilité absolue. C'est pourquoi on préfère généralement définir une sensibilité relative, égale au rapport entre une valeur de la grandeur mesurée et la valeur correspondante de l'indication de sortie de l'appareil. On obtiendra donc, pour la balance, une sensibilité en degrés de rotation du fléau par gramme de surcharge. Pour le galvanomètre, la sensibilité s'exprimera en millimètres de déplacement du spot à un mètre du galvanomètre par microampère. Pour l'amplificateur électronique, on utilisera le rapport entre la tension de sortie et la tension d'entrée : contrairement aux cas précédents, les grandeurs d'entrée et de sortie sont ici de même nature et leur quotient est un nombre sans dimensions qu'on appelle le gain. Dans les cas où il s'agit de mesurer des propriétés intrinsèques de la matière, il faut, bien entendu, rapporter le résultat à la [...]

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Écrit par :

  • : professeur à la faculté des sciences de Grenoble, président du groupe d'évaluation et de prospective en instrumentation du ministère de l'Industrie et de la Recherche

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Pour citer l’article

Michel SOUTIF, « PHYSIQUE - Les moyens de l'expérimentation », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 20 janvier 2022. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/physique-les-moyens-de-l-experimentation/