• Identification et tri de matériaux par mesure capacitive de leur permittivité

      HAUSER-BORMANN Léa, ARNOULD Brice, VAGNON Chloé

                                         

    • Sommaire

       

       

      I. Introduction et objectifs du projet

      1. L’enjeu
      2. Le principe physique
      3. La problématique
      4. Les objectifs

       

      II. Aspects théoriques

      1. Le modèle du condensateur plan
      2. La physique du diélectrique
      3. Modélisation des imperfections

       

      III. Choix techniques

      1. L’abandon du circuit RC
      2. Mesure de capacité par différence de tension

       

      IV. Conception et réalisation du dispositif

      1. Fabrication du condensateur
      2. Préparation des échantillons
      3. Optimisation des mesures

       

      V. Protocole expérimental et étalonnage

      1. Chaîne d'acquisition et de traitement numérique
      2. Méthode générale d'acquisition
      3. Étalonnage à l'air 
      4. Caractérisation des matériaux solides

       

      VI. Résultats et interprétation

      1. Résultats des mesures de permittivité : méthode directe et relative 
      2. Incertitudes de mesure quantifiables et non quantifiables

       

      VII. Limites et améliorations

      1. Limites du dispositif
      2. Améliorations possibles

       

      VIII. Conclusion

       

      IX. Annexes

      1. Bibliographie
      2. Démonstration théorique de la capacité du condensateur plan
      3. Programmes Arduino et Python téléchargeables
    • I. Introduction et objectifs

      1.1. L’enjeu : un tri non destructeur

      Dans un contexte de transition écologique, le recyclage et la (re)valorisation des déchets sont devenus des priorités industrielles majeures. Cependant, le tri manuel reste faillible et l’identification rapide de matériaux sans destruction est complexe. Plutôt que d'utiliser des capteurs optiques ou des tests chimiques, notre projet vise à explorer une autre solution basée sur les propriétés électrostatiques intrinsèques de la matière : la permittivité. L'intérêt réside dans le caractère non destructif de la mesure, permettant de différencier des matériaux d'apparence similaire sans altérer leur structure.

       

      1.2. Le principe physique : la permittivité

      Chaque matériau isolant possède sa propre "identité électrique" appelée permittivité diélectrique relative εr. Cette grandeur physique décrit comment un milieu réagit lorsqu’un champ électrique lui est appliqué.

      En pratique, l'insertion d'un matériau entre les plaques d'un condensateur modifie sa capacité électrique C. Comme cette variation dépend directement de la nature du matériau inséré, la mesure capacitive devient notre outil pour distinguer et classer différents isolants selon le modèle du condensateur plan.

      1.3. La problématique : mesurer “l’invisible”

      Le défi majeur du projet consiste à construire un condensateur et un circuit capables de mesurer des variations de capacité extrêmement faibles, de l'ordre du picofarad (pF), afin d’en déduire la valeur de εr.

      L'enjeu de notre projet peut se résumer à ce défi :

      "Comment passer d'une grandeur physique théorique εr à une mesure électronique fiable dans un environnement expérimental non idéal tout en garantissant une identification sans destruction de la matière?"

      1.4. Les objectifs 

      Pour répondre à cette problématique, notre démarche s’est articulée autour de trois axes :

      • Conception mécanique : Fabriquer notre condensateur à partir de plaques garantissant les conditions du modèle "plan idéal" (parallélisme et contact optimal pour minimiser les lames d'air parasites)
      • Développement électronique et logiciel : Concevoir un programme Arduino capable de mesurer des capacités de l'ordre du pF avec une précision suffisante, couplé à un script Python pour automatiser le traitement des données, le calcul de la permittivité et des incertitudes
      • Caractérisation et tri : Étudier dans quelle mesure ces mesures permettent de différencier expérimentalement et trier des matériaux comme le Plexiglas, le MDF (Medium Density Fiberboard) ou le PLA (acide polylactique).

      Ce projet nous a ainsi permis d’aborder plusieurs notions de physique expérimentale liées aux propriétés diélectriques des matériaux, au fonctionnement des condensateurs et aux mesures de faibles capacités électriques.

    • II. Aspects théoriques

      Cette section détaille les principes physiques régissant le comportement de notre capteur et les modèles utilisés pour interpréter nos mesures.

      2.1. Le modèle du condensateur plan

      Pour caractériser nos matériaux, nous considérons en première approximation un condensateur plan idéal dont la capacité C vaut :

      \( C = \frac{\varepsilon_r \varepsilon_0 S}{e} \)

      S : surface des plaques (en ㎡)

      e : épaisseur de l’échantillon (en m)

      ε0 : permittivité du vide (8,854 . 10⁻¹² F/m)

      εr : permittivité diélectrique relative de l’échantillon (valeur recherchée pour trier et identifier le matériau)

      Hypothèse 1 : champ uniforme et effets de bords

      Dans un modèle idéal, on suppose que le champ électrique est parfaitement uniforme et confiné entre les deux plaques. En pratique, aux extrémités du condensateur, les lignes de champ se courbent vers l’extérieur : ce sont les champs de fuite (ou effets de bord). 

      Figure 1. Schéma illustrant la différence entre un condensateur plan idéal puis avec effets de bord

      Ces effets ont deux conséquences majeures sur nos mesures : 

      • La capacité mesurée sera systématiquement supérieure à la capacité théorique. 

      • La permittivité déduite expérimentalement peut alors être surestimée puisqu'elle dépend directement de la capacité mesurée.

       

      Validation du modèle : 

      Pour limiter cette erreur à 1%, la littérature scientifique recommande un rapport \( \frac{\sqrt{S}}{e} \) > 50 . Si ce rapport est proche de 10, l’erreur monte à 10-15%, ce qui reste une approximation acceptable dans le cadre de ce projet.

      Pour nos plaques de 11 x 16 cm (S = 0,017 m2)  avec des échantillons allant de 0,85 mm à 2,4 cm, nous obtenons :  

      \( 5,4 < \frac{\sqrt{S}}{e} < 153 \)

      Pour les matériaux fins (< 2 mm), l’erreur est négligeable.

      Pour les matériaux d'épaisseur intermédiaire (2 mm à 13 mm), l’erreur est présente mais maîtrisée.

      Au-delà de 13 mm, ils ne seront plus négligeables.

      Hypothèse 2 : distribution des charges

      Nous considérons que la densité surfacique de charge est uniforme sur toute la face interne des plaques de cuivre, ce qui suppose un bon contact entre les plaques et le matériau ainsi qu’une surface suffisamment homogène et propre.

      2.2. La physique du diélectrique : la polarisation

      Pourquoi mesurer la capacité d’un matériau permet-elle de remonter à la permittivité? Et pourquoi l’insertion d’un isolant augmente-t-elle cette capacité alors qu’aucun courant ne passe?

      La polarisation est la clé de ce phénomène.

      Réaction du matériau

      Lorsqu’on applique une tension aux bornes des plaques, les électrons sont forcés à s’accumuler sur une plaque et à quitter l’autre. Cette différence de charge crée un champ électrique externe Eext qui traverse l’espace entre les plaques. Le matériau est un isolant donc ses électrons ne peuvent pas circuler librement mais vont légèrement se déplacer : la polarisation a lieu. Les molécules du matériau se polarisent et créent des dipôles qui génèrent leur propre champ électrique interne appelé champ de polarisation Epol.

      L’opposition des champs

      Ce champ Epol s’oppose au champ initial. Le champ total à l’intérieur du condensateur est donc plus faible que s’il y avait du vide :

      Etotal = Eext - Epol

      Evolution de la capacité

      L'Arduino (qui applique la tension aux bornes des plaques dans ce projet) impose une tension V constante. Comme le champ électrique est affaibli par le matériau, le système doit accumuler davantage de charges Q sur les plaques pour maintenir cette tension V imposée par la source. La capacité étant définie par C = Q/V, une augmentation de la charge stockée Q pour une tension V constante conduit à une augmentation de la capacité. Le facteur multiplicateur par rapport au vide correspond à la permittivité relative εr.

      2.3. Modélisation des imperfections : le condensateur en série

      Dans le modèle idéal du condensateur plan, le matériau est supposé être en contact parfait avec les plaques conductrices. En pratique, des irrégularités de surface entraînent la présence de fines couches d’air entre les plaques et les matériaux. Le système se comporte alors comme deux condensateurs montés en série. 

      La capacité équivalente mesurée peut alors être modélisée par la relation :    

      Cair : capacité de l'air induite par les deux lames d'aires éventuelles de part et d'autre du matériau


      L’air possédant une permittivité très faible (εr​ ≈1), sa capacité associée est faible. Or, dans une association en série, la plus faible capacité domine le comportement global. Même une lame d'air très fine peut donc conduire à une diminution significative de la capacité mesurée et entraîner à une sous-estimation significative de la permittivité finale. Cette modélisation est particulièrement importante pour les matériaux présentant des surfaces rugueuses, poreuses ou hétérogènes, comme certaines mousses ou cartons multicouches étudiés au cours du projet.

    • III. Choix techniques

      3.1. Abandon du circuit RC

      Initialement, nous avions envisagé la mesure de la constante de temps d'un circuit RC (avec τ = RC), ce qui nous aurait permis d’avoir C grâce à notre condensateur pour remonter à la permittivité de nos échantillons. Cependant, cette méthode n’était pas adaptée aux très faibles valeurs de capacité que nous allions trouver avec nos matériaux. En effet, avec des calculs théoriques, nous avons déterminé que nos capacités seraient de l’ordre des centaines de picofarads voire moins. Avec une capacité de 100 pF et une résistance de 1 MOhm, tau est d’environ 100 micros. La résolution temporelle de l'Arduino (environ 4micros) et le bruit électronique rendaient cette mesure instable. Pour différencier des matériaux aux permittivités proches, une précision bien supérieure était nécessaire.

      3.2. Mesure de la capacité par différence de tension

      Face à cet obstacle, nous avons opté pour une méthode utilisant uniquement notre condensateur et une carte Arduino. En effet, la carte possède un comportement capacitif interne. C'est à dire que le courant délivré par celle-ci passe par un condensateur interne et propre à la carte. 

      Figure 2. Schéma électrique du circuit de mesure

      Explication des symboles :

      • A0 et A2 : Broches analogiques de la carte Arduino
      • Ce : Capacité interne résultante des broches A0 et A2 (25 pF selon les données constructeurs)
      • C : Condensateur dont on veut mesurer la capacité
      • Um : Tension de référence délivrée par l'Arduino (5V)
      • U : Tension mesurée aux bornes de Ce

      Principe de mesure :

      • À t = 0, les deux condensateurs sont déchargés ce qui nous permet d'avoir conservation de la charge entre eux. Par conséquent, si on pose q1 la charge dans le condensateur Cm et q2 la charge dans le condensateur Ce on a:

      q1 = q2

      Normalement, les broches A0 et A2 servent à récupérer des données. Or, on peut aussi s'en servir pour délivrer du courant en les plaçant en position "HIGH" à l'aide d'une ligne de code dans le code Arduino:

      digitalWrite(A2, HIGH);
       
      Grâce à cela, A2 délivre une tension continue Um = 5V.
       
      • À t > 0, le courant se diffuse dans le circuit. Comme on ne place pas de résistance dans le circuit et que les capacités des condensateurs sont très faibles on a un chargement presque instantané des condensateurs. Une fois l'état stationnaire atteint on récupère la valeurs de U à l'aide de A0.

      Par la suite on repasse A2 en position "LOW" afin de pouvoir décharger l'ensemble du circuit et donc préparer les condensateurs pour une autre mesure.

      On en déduit C par la formule (Démonstration en annexe, partie 2):

      \( C = \frac{C_e \times U }{U_m - U} \)

      Il est important de noter que dans ce calcul les valeurs de tension ne sont pas en volt mais en bits. Arduino utilisant 10 bits les valeurs de tension sont codées sur 1024 valeurs entre 0 et 1023 avec une tension de 5V valant 1024, la valeur maximale.

      Par conséquent, si C >> Ce on a Um - U << 1. Or le codage sur 1024 valeurs fait qu'on manque trop de précision dans ce cas ci. Il faut donc que C et Ce soient à peu près du même ordre de grandeur. Expérimentalement, nous avons validé la fiabilité des mesures jusqu'à environ C = 2,5 nF.

    • IV. Conception et réalisation du dispositif

      La transition entre le modèle théorique idéal et l'expérience en laboratoire a nécessité une phase de conception avec quelques défis. L'objectif était de minimiser toutes les perturbations physiques susceptibles de fausser la mesure de capacité.

      4.1. Fabrication du condensateur

      Choix des armatures et géométrie

      Nous avons utilisé deux plaques de circuit imprimé (PCB) cuivrées. Le choix du cuivre comme armature est justifié par sa haute conductivité, limitant ainsi les pertes ohmiques. Notre surface utile est de 11 x 16 cm (0,0176 m2). 

      Ce dimensionnement résulte d'un compromis :

      • Une surface assez grande pour obtenir des capacités mesurables et différentiables entre les différents matériaux par Arduino (signal-sur-bruit favorable) et rendre les effets de bord négligeables ou calculables.

      • Un dimensionnement adapté aux tailles de nos échantillons disponibles sans encombrer inutilement le plan de travail.

      Sélection des échantillons

      Les matériaux étudiés au cours du projet ont été sélectionnés de manière à couvrir une large gamme de permittivités et de structures physiques, permettant ainsi de tester les limites de sensibilité de notre capteur.

      Figure 6: Matériaux utilisés pour les mesures de permittivité

      Nous avons choisi des polymères relativement homogènes comme le Plexiglas, le PLA ou le PVC expansé rigide. Ces matériaux servent de référence pour valider la précision du dispositif sur des structures denses.

      Mais nous avons également étudié des matériaux plus hétérogènes tels que des mousses, des cartons multicouches, du MDF ou encore du polyéthylène expansé qui sont plus difficiles à travailler avec car ils emprisonnent beaucoup d'air au sein de leur structure dont on ne connait pas forcément la proportion. 

      Pour certains matériaux, nous avons procédé à la superposition d'échantillons identiques. Cette démarche a un double objectif :

      • Vérifier expérimentalement la loi en 1/e de la capacité
      • S'assurer que la permittivité calculée reste constante quelle que soit l'épaisseur

      Isolation et préparation des armatures

      Figure 7: Plaque d'armature en cours de préparation, avec la zone centrale de cuivre, révélée après avoir retiré la zone protectrice, entourée par la bordure d'époxy désormais isolante

      Cette étape de détourage est importante pour transformer une simple plaque de PCB en une armature de condensateur exploitable. Comme on peut le voir sur la Figure 7, nous avons d'abord appliqué un masquage protecteur sur la zone centrale de 11 x 16 cm afin de préserver le cuivre des rayures et de l'oxydation.

      Une fois cette "zone active" protégée, nous avons retiré une bande de 2 cm de cuivre sur tout le pourtour à l'aide d'une ponceuse. Cette opération laisse apparaître le substrat isolant (époxy/fibre de verre), créant une démarcation nette, délimitant la surface S utilisée dans nos calculs théoriques.

      Ce choix technique de dégager une bordure isolante répond à deux besoins :

      • Prévention de courts-circuits : Éviter que les bords des plaques ne se touchent lors de l'insertion d'échantillons fins.
      • Réduction des courants de fuite : En isolant les zones manipulables, on limite l'influence de l'humidité ambiante ou des mains de l'expérimentateur sur les mesures de charge.

      Evolution de la connectique

      La connectique a constitué un défi majeur. Nous avons dû trancher entre soudure et ruban adhésif conducteur (scotch de cuivre). Bien que la soudure soit électriquement plus stable, elle créait une surépaisseur locale (perle d'étain) qui compromettait la planéité du montage.

      Nous avons donc opté pour le scotch de cuivre : les fils provenant de l'Arduino ont été dénudés et fixés à plat aux extrémités des plaques. Ce choix garantit un contact mécanique optimal et préserve le parallélisme.

      4.2. Préparation des échantillons

      La fiabilité des résultats repose également sur la préparation des matériaux testés (PLA, MDF, Plexiglass, etc.). Pour que la comparaison avec le modèle théorique soit pertinente, chaque échantillon a suivi un protocole de préparation :

      Dimensionnement et géométrie : Nous avons veillé à ce que les échantillons découpés aient une surface un peu supérieure à la surface utile de nos plaques. Cela permet d'assurer un recouvrement total du champ électrique et de simplifier le calcul en utilisant la surface S constante du condensateur.

      Caractérisation de l'épaisseur (e) : L'épaisseur étant un paramètre critique (inversement proportionnel à C), elle a été mesurée au pied à coulisse avec une précision de 0,1 mm. 

      Contrôle de la planéité : Pour les matériaux plus rigides ou présentant une rugosité importante, nous avons vérifié l'absence de courbure majeure qui aurait pu introduire une lame d'air trop importante, impossible à compenser par le simple lestage des plaques.

       
      4.3. Optimisation des mesures

      Au cours des mesures, nous nous sommes rendu compte que le moindre défaut de montage impacte la permittivité calculée étant donné que la mesure au picofarad est extrêmement sensible. 

      Contrôle du parralélisme

      Si les plaques ne sont pas parallèles, le champ n'est plus uniforme et on ne mesure plus un condensateur plan mais un "dièdre". La formule de capacité devient alors beaucoup plus complexe et perd sa linéarité par rapport à 1/e. Pour y remédier, nous avons conçu et imprimé en 3D des cales disposées aux quatre angles du dispositif, assurant un parralélisme constant pour toutes les mesures.

      Figure 8: Quatre cales dans les coins en bleu, armatures en jaune orange

      Suppression de la lame d'air

      À l'échelle microscopique, ni le cuivre ni nos échantillons (PLA, PVC) ne sont parfaitement lisses. Des poches d'air restent emprisonnées à l'interface. Puisque ces capacités s'additionnent en série, c'est la capacité de l'air (très faible) qui bride la valeur totale mesurée. Pour minimiser cet effet au maximum, nous appliquons une pression mécanique constante pendant les mesures via des poids non-conducteurs répartis uniformément sur la plaque supérieure. Cela permet d'écraser les micro-bulles d'air et de forcer le contact entre le métal et le diélectrique. 

    • V. Protocole expérimental et étalonnage 

      La fiabilité de nos résultats repose sur un protocole visant à garantir la reproductibilité des mesures et à quantifier les incertitudes expérimentales.

      5.1. Chaîne d'acquisition et de traitement numérique

      Pour ce projet, deux langages de programmation ont été utilisés : Python et Arduino, ce dernier étant basé sur le C++. L'utilisation d'Arduino s'impose naturellement puisqu'il s'agit du seul moyen de programmer la carte microcontrôleur. Le recours à Python est quant à lui motivé par la nécessité d'automatiser l'acquisition et la sauvegarde des données, opérations qui ne sont pas réalisables directement avec Arduino. En effet, Python permet d'écrire automatiquement les mesures dans un fichier organisé et facilement exploitable, ce qui facilite grandement le calcul ultérieur des incertitudes statistiques et de répétabilité.

      Le déroulement d'une acquisition se fait de la façon suivante :

      1. Le programme Arduino est téléversé sur la carte, ce qui déclenche le début des mesures. La valeur de capacité calculée est envoyée en continu via le port USB à l'aide de l'instruction: Serial.println(CAPA), avec CAPA la variable qui contient les données de la mesure à l'instant t. Tant que le programme Python n'est pas lancé, ces données ne sont pas sauvegardées.
      2. Le programme Python est lancé. L'utilisateur choisit le répertoire d'enregistrement, puis le programme établit la communication avec la carte via le port série virtuel (ici COM5) grâce à la bibliothèque Pyserial. Un fichier au nom horodaté est automatiquement créé, permettant d'identifier le moment de l'acquisition. Les mesures sont ensuite lues séquentiellement et enregistrées dans ce fichier, également horodatées, jusqu'à ce qu'un nombre prédéfini de valeurs soit atteint, après quoi le programme s'arrête automatiquement.
      3. Une fois Python arrêté, Arduino continue d'effectuer des mesures non enregistrées. Pour relancer une acquisition, il est nécessaire de réinitialiser le port série en retéléversant le programme Arduino.

      Figure 3. Extrait du fichier de la mesure de la capacité pour une épaisseur d'air de 3mm

      On voit donc que la première colonne correspond à la date, la seconde à l'heure et la troisième à la valeur de capacité mesurée en pF. Tous les fichiers ont la même forme ce qui simplifie grandement leur analyse ainsi que le calcul de la permittivité.

      Cette analyse c'est l'objectif d'un second programme Python dédié. Il s'exécute comme ceci:

      1. L'utilisateur choisit le fichier de la mesure de capacité avec son matériau et le fichier de la mesure de la capacité avec l'air correspondant à la même épaisseur
      2. Le programme trace deux graphiques correspondant respectivement aux mesures de la capacité pour le matériau et pour l'air en fonction de l'indice de celles-ci. Ci-dessous un exemple de ces graphiques:

        Figure 4.1 et 4.2. Graphiques des mesures de capacité pour le Plexiglas et l'air (épaisseur = 3 mm) en fonction de l'indice de la mesure  

      3. Par la suite le programme fait une moyenne des valeurs de capacité pour le matériau et pour l'air. On peut donc en déduire une valeur de permittivité sans incertitude pour le moment. On effectue ensuite un calcul des 3 incertitudes calculables dans les cellules suivantes : incertitude statistique, incertitude de répétabilité et incertitude sur la précision du microcontrôleur Arduino. À la fin on en déduit une valeur de permittivité avec incertitude présentée comme ceci :

      Figure 5. Exemple du résultat final de la permittivité après calcul des incertitudes pour une épaisseur de Plexiglas de 3 mm

      Vous pourrez retrouver les trois programmes à la fin de cette page, en annexe partie 3, sous forme de fichiers téléchargeables :

      • mesure_capacite.ino (programme Arduino pour l'acquisition)
      • enregistrement_capacite.ipynb (programme Python pour l'enregistrement des données)
      • calcul_permittivite.ipynb (programme Python pour l'analyse des données)

      Un fichier READ_ME.txt faisant office de mode d'emploi est également joint. 

       
      5.2. Méthode générale d'acquisition

      Afin de garantir la fiabilité de nos données, nous avons suivi une méthode de mesure systématique pour chaque échantillon.

      Plutôt que de nous fier à une mesure unique, nous réalisons pour chaque configuration 5 séries de 100 mesures successives durant 20 secondes. Cette approche statistique, traitée ensuite par notre script Python, permet de lisser le bruit électronique et de calculer une moyenne de la capacité ainsi que son écart-type. 

      5.2. Etalonnage à l'air

      L'étalonnage à l'air est une étape cruciale. Puisque la permittivité de l'air est connue (εr ≈ 1), ces mesures permettent de vérifier la linéarité du capteur et ont ensuite été utilisées comme référence pour la méthode relative développée au cours du projet.

      Protocole spécifique et montage

      Pour imposer une distance contrôlée entre les plaques, nous avons utilisé deux types d'entretoises :

      • Cales en impression 3D : Des hauteurs de 0,5 cm, 1 cm et 1,5 cm ont été utilisées pour couvrir une large plage de mesures.
      • Cales sur mesure : Certaines ont été fabriquées à partir des matériaux étudiés afin d'obtenir des distances correspondant exactement aux épaisseurs utilisées lors des futurs tests avec échantillons.

      Les entretoises étaient systématiquement placées aux quatre coins des plaques, sur les bandes périphériques isolées (sans cuivre). Cette précaution garantit que le matériau de la cale n'influence pas le champ électrique central et donc la capacité mesurée. Les plaques étaient ensuite maintenues parallèles par les supports d’angle en PLA.

      Contrairement aux mesures sur solides, aucun poids n'a été appliqué sur la plaque supérieure durant l'étalonnage. Les plaques étant surélevées par les cales, une charge mécanique aurait risqué de provoquer une flexion du PCB, compromettant le parallélisme parfait requis par le modèle théorique.

      Analyse des résultats et linéarité

      Le protocole d'acquisition est resté identique (5 séries de 100 mesures moyennées) afin de stabiliser les résultats. La relation théorique prévoit une évolution de la capacité proportionnelle à l'inverse de l'épaisseur (1/e).

      La relation théorique du condensateur plan pour l'air prévoit une évolution linéaire de la capacité en fonction de l’inverse de l’épaisseur : \( C = \epsilon_r \epsilon_0 S \cdot \frac{1}{e} \)

       

      Figure 9: Graphique représentant l'évolution de la capacité de l'air en fonction de 1/e

      Comme l'illustre le graphique ci-dessus, le tracé expérimental de la capacité en fonction de 1/e présente un comportement linéaire satisfaisant avec un coefficient de détermination R2 ≈ 0,961. Cette linéarité valide le comportement "plan idéal" de notre montage malgré les inévitables limitations expérimentales.

      L'équation de la droite de régression (y = 76,6x + 10,4) révèle une ordonnée à l'origine non nulle (environ 10,4 pF). Cette valeur représente la capacité parasite du montage (câblage et circuit interne de l'Arduino) valable seulement pour l'air. Cette phase d'étalonnage est indispensable pour définir la capacité interne de référence du microcontrôleur (Cint), paramètre clé pour convertir les tensions lues en valeurs de capacité absolues. En testant différentes valeurs, nous avons déterminé que pour Cint = 25 pF la courbe d'étalonnage présentait le meilleur coefficient de détermination, nous permettant ainsi de "caler" précisément le système.

      Ces mesures à l'air ont permis de confirmer que notre dispositif est apte à détecter des variations fines de capacité. Elles constituent également le socle de la méthode relative développée pour la suite du projet : en comparant les capacités mesurées avec matériau et avec air pour une même épaisseur, nous pouvons estimer avec plus de fiabilité la permittivité εr des solides étudiés.

      5.3. Caractérisation des matériaux solides

      Une fois le système étalonné, nous passons à la mesure des matériaux (PLA, PVC, MDF, etc.).

      Protocole de mise en place et lestage

      L'échantillon est inséré entre les armatures. Pour pallier le problème de la lame d'air parasite (voir section 2.3), nous appliquons une pression mécanique constante de 3 kg.

      Ce lestage est réalisé à l'aide d'un dispositif standardisé (brique de lait, paquets de riz et de semoule). Cette force permet d'assurer un bon contact entre le cuivre et le matériau, en écrasant les micro-rugosités de surface qui agiraient autrement comme des condensateurs en série de faible valeur, faussant radicalement le calcul de εr. Ainsi, nos mesures se rapprochent bien plus des valeurs de capacité théoriques attendues.

    • VI. Résultats et interprétation

      6.1. Résultats des mesures de permittivité: méthode directe et méthode relative

      Les premières mesures de permittivité obtenues à partir du modèle direct du condensateur plan ont présenté des écarts importants avec les valeurs théoriques attendues, avec un écart relatif moyen d’environ 33 %. Ces différences suggèrent que plusieurs limitations expérimentales influencent significativement les mesures réalisées. Les principales sources d’erreur identifiées concernent notamment les capacités parasites du montage, les effets de bord ainsi que la présence éventuelle de couches d’air entre les matériaux et les plaques du condensateur.

      Les fils de connexion, les composants électroniques ainsi que l’environnement proche du dispositif possèdent en effet eux aussi une capacité électrique parasite susceptible de s’ajouter à celle du condensateur étudié, selon : \( Cmesurée = Cmatériau + Cparasite \).

      Cet effet devient particulièrement important dans notre cas puisque les capacités mesurées sont de l’ordre de quelques dizaines de picofarads. Nous avons ainsi observé des écarts parfois significatifs entre les valeurs théoriques et expérimentales de permittivité.

      Afin de limiter l’influence de ces capacités parasites, nous avons adopté une méthode relative consistant à comparer la capacité mesurée avec un matériau à celle obtenue avec l’air pour une même géométrie de condensateur (même épaisseur e entre les plaques, même surface S ). En supposant que les capacités parasites influencent de manière similaire les deux mesures, il devient alors possible d’estimer la permittivité relative à partir du rapport :  

      \( Cmatériau \div Cair\ ≈ \) εr

      Afin d’évaluer l’intérêt de cette méthode relative, nous avons comparé les permittivités obtenues par la méthode directe et par la méthode relative pour plusieurs matériaux de référence. Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous: 

      Matériaux  ε théorique ε méthode directe Ecart relatif ε méthode relative Ecart relatif
      Plexiglass 3,5 2,47 29,6 % 3,42 2,38 %
      PLA 3 1,35 55 % 3,13 4,25 %
      Doufline  1,2 0,86 28,1 % 1,28 6,92 %

      Figure 10.Tableau récapitulatif des écarts relatifs entre la théorie et la pratique en fonction de la méthode utilisée

      Le tableau montre que la méthode relative permet d’obtenir des valeurs de permittivité significativement plus proches des valeurs théoriques attendues que la méthode directe. Cette amélioration suggère que le rapport des capacités permet de compenser partiellement certaines erreurs expérimentales, notamment celles liées aux capacités parasites. L’écart relatif moyen passe ainsi d’environ 33 % avec la méthode directe à environ 12 % avec la méthode relative.

      Le graphique suivant compare les permittivités relatives obtenues expérimentalement par la méthode relative aux valeurs théoriques attendues pour les différents matériaux étudiés.

      Comparaison des permittivité relatives des matériaux à l'aide la méthode relative aux valeurs théoriques

      Figure 11. Graphique comparatif entre les attentes théoriques et nos résultats

      Pour la majorité des matériaux présents, nous arrivons à nous approcher grandement de la permittivité théorique. Cependant cela ne suffit pas, il faut donc s'intéresser aux incertitudes pour déterminer si notre approche fonctionne scientifiquement ou non.

      6.2. Incertitudes de mesure quantifiables et non quantifiables

      Pour le calcul de l'incertitude totale nous avons pris en compte trois incertitudes différentes:

      Incertitude statistique
      Cette incertitude traduit la dispersion des mesures au sein d'une même expérience. Afin de la quantifier, 100 mesures sont effectuées par série expérimentale. L'écart type est calculé selon la relation :

      \( \sigma = \sqrt[]{ \frac{1}{n -1} \sum_{i = 1}^n{(C_i-C_{moy})^2} } \) 

      où Cmoy désigne la moyenne des valeurs de capacité sur la série considérée, σ l'écart type associé et n le nombre de mesures. L'incertitude sur la moyenne est ensuite déterminée par:

      \( u_{stat} = \frac{ \sigma }{ \sqrt[]{n} } \)

      Cette procédure est appliquée séparément pour l'air et pour le matériau étudié. Les deux contributions sont alors combinées afin d'obtenir l'incertitude statistique totale:

      \( u_{stat,tot} = \sqrt[]{( \frac{u_{stat,mat}}{C_{moy,mat}})^2+(\frac{u_{stat,air}}{C_{moy,air}})^2 } \)

      L'incertitude relative associée à cette contribution est de 0,1377%.

      Incertitude de répétabilité 
      Cette contribution rend compte de la variabilité observée entre plusieurs expériences réalisées sur un même matériau. Elle est évaluée selon la même méthodologie que l'incertitude statistique, en substituant aux mesures individuelles les valeurs moyennes de chaque série expérimentale. L'incertitude relative correspondante est de 4,2747 %.

      Incertitude liée à Arduino
      Cette contribution est associée à la discrétisation de la mesure de tension opérée par la carte Arduino. La sensibilité de la mesure de capacité à une variation unitaire de la valeur numérique est donnée par :

      \( \frac{dC}{dval} = \frac{C_{entree} \times 1023 }{(1023 - val)^2} \)

      où val désigne la valeur numérique de la tension mesurée, codée sur 10 bits et donc contrainte à prendre des valeurs entières comprises entre 0 et 1023. L'incertitude liée à cette quantification est estimée par la demi-largeur d'une distribution uniforme sur un intervalle de largeur unitaire :

      \( u_{val} = \frac{largeur\,de\, l'intervalle\, entre\, deux\, mesures}{ \sqrt[]{12} } = \frac{1}{ \sqrt[]{12}} \)

      Les contributions relatives à l'air et au matériau sont ensuite combinées pour donner l'incertitude Arduino totale :

      \( u_{arduino} = \sqrt[]{( \frac{ \frac{dC}{dval_{mat}} \times u_{val} }{C_{moy,mat}})^2+ (\frac{ \frac{dC}{dval_{air}} \times u_{val} }{C_{moy,air}})^2 } \)

      L'incertitude relative associée à cette contribution est de 0,3608 %.

      L'analyse de ces trois contributions permet de dégager deux conclusions. D'une part, l'incertitude de répétabilité constitue la source d'incertitude dominante, ce qui indique qu'une variabilité significative subsiste entre deux expériences conduites sur un même matériau, indépendamment de la précision intrinsèque des mesures. D'autre part, la combinaison quadratique de ces trois contributions conduit à l'incertitude totale :

      \( u_{totale} = \sqrt[]{u_{stat}^2+u_{repet}^2+u_{arduino}^2} = 4.2921\% \)

      Il convient de noter que ces résultats ont été établis pour le plastique à base d'acide polylactique (PLA). Les valeurs diffèrent selon le matériau considéré : l'incertitude totale s'élève ainsi par exemple à 2,7 % pour le Plexiglas mais à 3,63 % pour le PVC expansé.

      Limites de l'analyse d'incertitude et sources d'erreurs non quantifiées

      L'analyse précédente met en évidence une incohérence notable : les incertitudes calculées ne permettent pas d'expliquer totalement les écarts observés entre les valeurs de permittivité mesurées et les valeurs théoriques de référence. Par ailleurs, on constate que l'incertitude relative du PVC est inférieure à celle du PLA, alors que dans les faits, c'est pour le PLA que la permittivité mesurée se rapproche le plus de la valeur théorique. Ces contradictions s'expliquent par l'existence de sources d'erreur supplémentaires, non quantifiables dans le cadre des moyens expérimentaux et du temps disponibles.

      • Incertitude sur la géométrie du montage
        Si le parallélisme et l'alignement des deux plaques peuvent être vérifiés visuellement, aucun instrument de mesure n'a permis de contrôler ces conditions de manière rigoureuse au cours des expériences. Certains matériaux, notamment les mousses, présentaient une tendance à se déformer légèrement sous l'effet du montage, susceptible d'altérer partiellement le parallélisme des plaques.

      • Incertitude sur la géométrie du matériau
        Dans des conditions idéales, l'expérience requiert un matériau parfaitement homogène et à surface lisse, de façon à éviter toute inclusion d'air entre les plaques. Or, la majorité des échantillons présentaient des défauts de surface tels que des rayures ou des cavités. De plus, l'homogénéité interne des matériaux n'a pas pu être vérifiée : la présence de bulles d'air à l'intérieur de certains échantillons ne peut être exclue. Cette hypothèse est particulièrement suspectée pour le PVC expansé, pour lequel les écarts à la valeur théorique sont systématiquement élevés, quelle que soit l'épaisseur considérée.

      • Incertitude sur la valeur de la capacité d'entrée et des capacités parasites
        La valeur de 25 pF retenue pour la capacité interne du microcontrôleur Arduino correspond à la donnée fournie par le constructeur et a été vérifiée par étalonnage dans l'air. Toutefois, rien ne garantit la stabilité de cette valeur d'une expérience à l'autre. Par ailleurs, les fils de connexion ainsi que la fine lame d'air résiduelle entre le matériau et les plaques introduisent des capacités parasites dont l'amplitude dépend du matériau considéré et s'avère difficile à estimer précisément. Cette difficulté est accentuée par le fait que plusieurs fils ont dû être remplacés au cours du projet en raison de leur détérioration.

      • Incertitude sur les effets de bord
        La validité du modèle du condensateur plan repose sur le critère d'approximation des plaques infinies, caractérisé par le rapport \( \frac{ \sqrt[]{S} }{e} \), où S désigne la surface des plaques et e l'épaisseur du diélectrique. L'évaluation de ce critère pour l'ensemble des matériaux étudiés permet de distinguer trois régimes :

      Effets de bord négligeables (
      Résultats les plus fiables avec le modèle du condensateur plan :

      • PLA 1 et PLA 2
      • Doufline 1 et 2
      • Feuilles de papier

      Effets de bord modérés  (
      Résultats exploitables mais avec une incertitude plus importante :

      • Polyéthylène expansé
      • Plexiglas
      • Composite multicouche
      • Composite multicouche ×2
      • PVC expansé rigide
      • PVC expansé rigide ×2
      • MDF
      • Carton bois

      Effets de bord importants  
      Résultats très impactés par les effets de bord:

      • Mousse expansée

      L'ensemble de ces facteurs conduit à une sous-estimation significative de l'incertitude réelle de mesure. Par conséquent, dans un objectif de tri, le dispositif permet de distinguer certains matériaux présentant des permittivités suffisamment différentes. En revanche, les incertitudes systématiques non quantifiées empêchent de garantir la fiabilité générale d’un tri reposant uniquement sur la permittivité mesurée, en particulier pour des matériaux présentant des valeurs proches.

      Ce phénomène se remarque encore plus dans une optique d'identification du matériau. En effet, chez seulement deux d'entres eux (PLA et Polyéthylène expansé) la valeur de permittivité mesurée est en accord avec la théorie en tenant compte des incertitudes quantifiables.

      Figure 12. Tableau des incertitudes et des permittivités relatives pour les matériaux où l'identification est réussie

    • VII. Limites et améliorations

      7.1. Limites expérimentales

      Malgré l’amélioration des résultats obtenue grâce à la méthode relative, plusieurs limitations expérimentales importantes subsistent et limitent la précision absolue des valeurs de permittivité mesurées.

      Capacités parasites du montage

      L’une des principales difficultés du projet concerne l’influence des capacités parasites présentes dans le système expérimental. En effet, les fils de connexion, les broches de la carte Arduino, l’environnement proche du montage ainsi que la capacité d’entrée propre au microcontrôleur contribuent à la capacité totale mesurée.

      Or, les capacités étudiées étant de l’ordre de quelques dizaines de picofarads, ces contributions parasites deviennent du même ordre de grandeur que la capacité mesurée et ne peuvent plus être considérées comme négligeables.

      La méthode relative développée au cours du projet permet de réduire partiellement cette influence en comparant les mesures réalisées avec matériau à celles obtenues avec l’air pour une même géométrie. Cependant, cette approche repose sur l’hypothèse simplificatrice selon laquelle les capacités parasites affectent de manière similaire les différentes mesures. Cette hypothèse reste discutable puisque l’introduction d’un matériau modifie la répartition du champ électrique, les conditions de contact ainsi que la présence éventuelle de couches d’air résiduelles. La contribution parasite du montage n’est donc probablement pas strictement identique d’un matériau à l’autre.

      Plusieurs approches ont également été envisagées afin d’estimer expérimentalement les capacités parasites du montage, notamment à partir de l’étude de l’évolution de la capacité en fonction de l’inverse de l’épaisseur. Cependant, aucune correction unique n’a permis d’améliorer systématiquement les résultats pour l’ensemble des matériaux étudiés.

      Géométrie réelle du condensateur et surface efficace

      Le modèle théorique utilisé repose sur l’approximation du condensateur plan idéal, supposant des plaques parfaitement parallèles, rectangulaires et entièrement superposées.

      En pratique, plusieurs écarts à ce modèle ont été observés. Les plaques de PCB utilisées présentaient de légères irrégularités géométriques et leur alignement restait délicat malgré l’utilisation des supports imprimés en 3D. De faibles défauts de parallélisme peuvent alors modifier localement l’épaisseur effective entre les plaques et perturber la répartition du champ électrique.

      Par ailleurs, les effets de bord ne peuvent pas être totalement supprimés. Les lignes de champ électrique ont tendance à se courber au voisinage des bords des armatures, ce qui éloigne le comportement réel du modèle théorique idéal utilisé dans les calculs de permittivité. Ces effets deviennent particulièrement importants pour les matériaux de grande épaisseur.

      Nous avons également envisagé l’hypothèse d’une surface efficace des plaques différente de la surface géométrique utilisée dans les calculs théoriques. En effet, la répartition non idéale du champ électrique peut modifier la surface réellement impliquée dans la mesure de capacité. Une estimation de cette surface efficace a été réalisée à partir de l’étude de l’évolution de la capacité de l’air en fonction de l’inverse de l’épaisseur. Cependant, cette correction ne s’est pas révélée suffisante pour expliquer l’ensemble des écarts observés expérimentalement.

      Influence des couches d’air et hétérogénéité des matériaux

      Une autre source d’erreur importante provient de la présence éventuelle de fines couches d’air entre les matériaux étudiés et les plaques conductrices.

      À l’échelle microscopique, ni les surfaces des échantillons ni celles des armatures ne sont parfaitement lisses. Des rugosités, rayures ou irrégularités locales peuvent alors emprisonner de l’air à l’interface. Or, l’air possédant une permittivité très faible comparée à celle de nombreux solides, même de fines couches résiduelles peuvent diminuer significativement la capacité mesurée et conduire à une sous-estimation de la permittivité effective.

      Cette limitation devient particulièrement importante pour les matériaux poreux, expansés ou hétérogènes étudiés au cours du projet, comme certaines mousses ou composites multicouches. Dans ces cas, la permittivité mesurée correspond davantage à une permittivité effective dépendant à la fois du matériau lui-même et de sa structure interne, plutôt qu’à la permittivité intrinsèque d’un matériau homogène et compact.

      Limites du modèle théorique

      Enfin, les valeurs théoriques de permittivité utilisées comme référence correspondent généralement à des matériaux homogènes et parfaitement compacts. La comparaison directe entre valeurs théoriques et expérimentales doit donc être interprétée avec prudence.

      Les écarts observés ne proviennent probablement pas d’une unique source d’erreur mais d’une combinaison de plusieurs limitations expérimentales agissant simultanément : capacités parasites, effets de bord, géométrie réelle du condensateur, couches d’air résiduelles et hétérogénéité des matériaux.

      Ainsi, bien que les mesures réalisées permettent de distinguer différents matériaux et d’obtenir des ordres de grandeur cohérents, la détermination précise d’une permittivité absolue reste limitée par les nombreuses approximations expérimentales et théoriques inhérentes au dispositif utilisé.

      7.2. Pistes d'amélioration

      Plusieurs améliorations pourraient être envisagées afin d’augmenter la précision, la reproductibilité et la stabilité des mesures réalisées au cours du projet.

      Géométrie du condensateur

      Une première amélioration concernerait la géométrie du condensateur. Les plaques conductrices utilisées présentaient de légères irrégularités géométriques et n’étaient pas parfaitement rectangulaires, ce qui compliquait leur alignement avec les supports imprimés en 3D. Une fabrication plus précise des électrodes, par exemple par découpe laser ou usinage, permettrait de mieux contrôler le parallélisme et la superposition des plaques, et ainsi de limiter les écarts entre le modèle théorique du condensateur plan et le comportement réel du dispositif.

      Interfaces matériau / électrodes

      La qualité des interfaces entre les matériaux et les plaques conductrices pourrait également être améliorée. Certains échantillons de récupération présentaient des surfaces irrégulières ou légèrement abîmées, favorisant la présence de couches d’air résiduelles susceptibles d’influencer les mesures. L’utilisation de matériaux plus homogènes, de surfaces mieux polies ou d’un système de compression plus uniforme permettrait de réduire cette source d’erreur expérimentale.

      Acquisition et traitement des mesures

      Une étude expérimentale plus complète pourrait également être menée en augmentant le nombre d’épaisseurs étudiées pour chaque matériau ainsi que le nombre de séries de mesures réalisées. Une telle approche permettrait de mieux caractériser l’évolution de la capacité en fonction de l’épaisseur et d’affiner l’estimation des contributions parasites du montage.

      Instrumentation et blindage

      Enfin, l’utilisation d’un instrument de mesure spécialisé, comme un LCR-mètre, permettrait probablement d’obtenir des mesures plus précises et plus stables que celles réalisées avec l’Arduino. Ce type d’appareil est spécifiquement conçu pour la caractérisation de faibles capacités électriques et offre généralement une meilleure prise en compte des capacités parasites. Un blindage électrique plus important du montage pourrait également améliorer la stabilité des mesures en limitant l’influence des perturbations extérieures.

    • VIII. Conclusion

      L’objectif de ce projet était d’étudier si une mesure capacitive permettait de remonter à la permittivité relative de différents matériaux afin de les différencier, voire de les identifier de manière non destructive.

      Les résultats obtenus montrent que cette approche est exploitable dans certains cas. En utilisant une méthode relative fondée sur la comparaison entre la capacité mesurée avec un matériau et celle mesurée avec l’air pour une même géométrie, nous avons obtenu des valeurs de permittivité plus cohérentes avec les ordres de grandeur théoriques que par la méthode directe. L’étude des incertitudes quantifiables a notamment montré qu’au moins un échantillon de PLA et un échantillon de polyéthylène expansé pouvaient être identifiés de manière cohérente avec les valeurs théoriques attendues.

      Cependant, cette identification ne peut pas être généralisée à l’ensemble des matériaux étudiés. Les incertitudes quantifiables calculées ne suffisent pas à expliquer tous les écarts observés entre les valeurs théoriques et expérimentales, ce qui indique que les mesures sont également fortement influencées par des erreurs systématiques difficiles à quantifier précisément dans le cadre du projet. Parmi celles-ci figurent notamment les capacités parasites, les effets de bord, les défauts géométriques du condensateur, les couches d’air résiduelles ainsi que l’hétérogénéité de certains matériaux.

      Les résultats expérimentaux suggèrent néanmoins que certains matériaux présentant des permittivités suffisamment différentes peuvent être distingués avec le dispositif développé. Toutefois, l’incertitude totale réelle du système restant imparfaitement connue, il n’est pas possible de garantir de manière rigoureuse la fiabilité générale d’un tri ou d’une identification reposant uniquement sur la permittivité mesurée.

      Ce projet a ainsi permis de mettre en évidence à la fois le potentiel et les limites d’une caractérisation diélectrique capacitive réalisée avec un dispositif expérimental simple. Il a également permis d’aborder l’ensemble des étapes d’une démarche expérimentale complète, depuis la conception du montage jusqu’à l’analyse critique des résultats et des limites du modèle utilisé.

    • IX. Annexe

      Modèle 3D du condensateur

      https://moodle.univ-lyon1.fr/pluginfile.php/2952960/mod_label/intro/Mod%C3%A8le%203D%20Condensateur.stl

      9.1 Bibliographie

      Sources académiques/théorie : 

      Condensateur plan idéal

      Condensateur plan et capacité

      Explications en plus du condensateur 

      Polarisation et condensateur

      Documentation technique :

      Méthode Arduino pour faibles capacités

      Datasheet de l'Arduino

      Outils utilisés :

      Tinkercad (modèle 3D)

      Python

      Arduino IDE

      Excel

      9.2 Démonstration de la formule de calcul de la capacité

      On rappelle que les deux charges sont considérées comme égales à cause des conditions initiales (Les condensateurs sont déchargés à t = 0). Or pour un condensateur on exprime la charge contenu dans celui ci comme:

      q = C x U

      On en déduit donc:

      C x UC = Ce x U

      Avec UC la tension aux bornes du condensateur inconnu. Pour connaitre la valeur de UC on doit passer par la loi des mailles:

      Um = U + UC

      UC = U - Um

      On peut donc en déduire C:

      C x ( U - Um ) = Ce x U

      \( C = \frac{C_e \times U }{U_m - U} \)

      9.3 Programme Arduino et Python téléchargeable

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