Étalonnage

L’étalonnage est l’opération qui consiste à comparer les indications d’un instrument de mesure avec les valeurs données par un étalon de référence, sans modifier l’instrument.

Vérifier expérimentalement la réponse d’un capteur

Un véritable étalonnage suppose de disposer d’un étalon de référence (une source d’éclairement de valeur connue et tracée), ce qui n’est pas le cas avec un smartphone. En classe, on ne peut donc pas étalonner le capteur de luminosité : on se limite à une vérification relative de sa réponse, en testant si elle suit bien la loi physique attendue.

Étapes :

• Ouvrir FizziQ et sélectionner le capteur de luminosité (lux). Placer le smartphone dans l’obscurité totale et vérifier que la valeur affichée est proche de 0 lux.
• Placer le smartphone face à une lampe fixe, à une distance d que l’on fait varier, et noter à chaque fois la valeur d’éclairement affichée par FizziQ.
• Vérifier que la réponse du capteur suit bien la loi attendue en 1/d² : la source étant ponctuelle et fixe, l’éclairement E doit être proportionnel à 1/d². On teste ici la cohérence relative des mesures, et non une valeur absolue en lux (les lux dépendent du flux lumineux en lumens et de la géométrie, pas de la puissance électrique en watts de la lampe).
• Pour cela, tracer E en fonction de 1/d² : les points doivent s’aligner sur une droite passant par l’origine. On vérifie ainsi la linéarité de la réponse du capteur et on identifie les éventuels écarts (saturation, offset, non-linéarité).
• Attention : cette démarche vérifie la forme de la réponse du capteur, mais ne l’étalonne pas. Sans étalon de référence, on ne peut pas garantir l’exactitude des valeurs affichées en lux.

Activités scientifiques sur ce thème

Plusieurs expériences facilement réalisables avec un smartphone, une tablette ou un ordinateur permettent de comprendre les principes de l’étalonnage d’un instrument de mesure.

• 1 : Évaluer la qualité d’un capteur - Analyse de la précision d’un capteur
• 2 : Incertitude - Analyser les incertitudes de mesures
• 3 : Altimètre - Créer un altimètre avec un capteur de pression atmosphérique
• 4 : Diapasons - Étude des fréquences des diapasons au cours de l’histoire

En savoir plus

Les origines de l’étalonnage

Le mot « étalon » vient du francique « stalo » qui désignait un poteau de référence. Dès le Moyen Âge, chaque ville possédait ses propres étalons de longueur et de poids, gravés dans la pierre des marchés. La Révolution française a unifié les mesures avec le mètre, défini initialement comme la dix-millionième partie du quart du méridien terrestre.

Le système international d’étalonnage

Aujourd’hui, la chaîne d’étalonnage part du BIPM (Bureau international des poids et mesures) à Sèvres, près de Paris. Les étalons nationaux sont comparés aux étalons internationaux, puis servent de référence aux laboratoires accrédités. Cette chaîne ininterrompue s’appelle la traçabilité métrologique.

Étalonnage des capteurs MEMS

Les capteurs MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) des smartphones font l’objet de réglages de fabrication : lors des tests de production, un accéléromètre peut être soumis à des accélérations connues, un baromètre à des pressions de référence, et des coefficients de correction sont stockés dans une mémoire non volatile. Ces réglages ne constituent pas un étalonnage tracé, propre à chaque appareil et documenté par un certificat : ils ne sont ni vérifiables ni maîtrisés par l’utilisateur, et l’on ne peut donc pas considérer un capteur de smartphone comme étalonné.

Ordres de grandeur des erreurs d’étalonnage

Un thermomètre de laboratoire étalonné présente une erreur inférieure à 0,1 °C. Un accéléromètre de smartphone a une erreur typique de 1 à 3 % de la valeur mesurée. Un capteur de pression barométrique de smartphone a une précision d’environ ±1 hPa, sous réserve des réglages de fabrication et sans étalonnage individuel tracé.

Formule

L’erreur d’étalonnage se calcule par la différence entre la valeur mesurée et la valeur de référence :

E = V_mesurée - V_référence

Signification : E : erreur d’étalonnage (dans l’unité de la grandeur mesurée) V_mesurée : valeur affichée par l’instrument V_référence : valeur donnée par l’étalon de référence

Exemples d’application

• La vérification d’une balance de cuisine avec un poids étalon de 500 g

• Le contrôle d’un chronomètre en le comparant à une horloge atomique via internet

• La vérification d’un thermomètre dans un mélange eau-glace à 0 °C

• Le test d’un compteur de vitesse automobile sur un tronçon routier de longueur connue

• La comparaison d’un baromètre domestique avec les données de la station météo locale

FAQ

Q : Quelle est la différence entre étalonnage et calibration ? R : L’étalonnage compare l’instrument à un étalon sans le modifier. La calibration va plus loin en ajustant l’instrument pour corriger les écarts observés.

Q : Quel étalon utiliser en classe ? R : On peut utiliser des références simples : eau glacée à 0 °C pour la température, poids marqués pour la masse, règle graduée vérifiée pour les longueurs.

Q : Un instrument étalonné est-il forcément juste ? R : L’étalonnage révèle les erreurs mais ne les corrige pas. Il faut ensuite appliquer les corrections identifiées ou calibrer l’instrument.

Q : Faut-il étalonner un smartphone ? R : On ne peut pas véritablement étalonner un capteur de smartphone en classe, faute d’étalon de référence. En revanche, on peut vérifier sa réponse (linéarité, loi physique attendue) et la comparer à des valeurs connues : c’est une excellente façon d’apprendre la démarche scientifique sans prétendre à un étalonnage.

Q : L’étalonnage supprime-t-il toutes les erreurs ? R : Non. L’étalonnage identifie les erreurs systématiques, mais les erreurs aléatoires (bruit) persistent et doivent être traitées par des méthodes statistiques.

Concepts liés

Calibration - Incertitude - Précision - Erreur systématique - Métrologie - Étalon - Justesse