La seconde année du parcours type CIMES aborde les techniques de mesure avancées. Les capteurs, l'instrumentation et la mesure couvrant un domaine très vaste de métiers, tous les étudiants suivent 3 unités d'enseignement fondamentales de 6 ECTS chacune ainsi que de l'anglais et peuvent colorer leur formation en fonction de leurs aspirations (selon les places disponibles) sans pour autant les enfermer dans un secteur. L'organisation générale de la seconde année est présentée sur le tableau suivant.

Les apprentis valident leurs compétences acquises en entreprise à la place d'Ateliers au troisième semestre et à la place du Stage au quatrième semestre.

Par ailleurs, les étudiants (hors apprentis) désirant s'orienter davantage vers le spatial peuvent suivre une spécialisation instrumentale ainsi qu'une introduction à la conduite de projets proposées par le parcours type OSAE à la place des unités d'enseignement Applications et Ateliers. Ces enseignements nécessitent de se déplacer dans les locaux de l'Observatoire de Paris sur le site de Meudon.

Description des unités d'enseignement

L'unité d'enseignement Bruit, conditionnement, conversion et réseaux est principalement électronique. Elle a pour objectif de donner les connaissances nécessaires pour conditionner (extraire/amplifier/convertir) les signaux analogiques issus de capteurs et pour en transmettre les informations via un réseau de communication. Les phénomènes limitatifs dus aux bruits sont analysés pour maximiser le rapport signal sur bruit. Différents réseaux (filaires ou non-filaires) sont étudiés d'un point de vue matériel et logiciel. Les thèmes abordés sont :

• le conditionnement : performances réelles des montages à amplificateurs opérationnels, amplificateur d’instrumentation, conversion courant-tension et impédance-tension ;

• les bruits dans les circuits électroniques : origines physiques, représentation spectrale et temporelle, rapport signal-sur-bruit, signal minimum détectable, facteur de bruit, résistance optimale de source, détection synchrone ;

• la conversion analogique/numérique : bruit de quantification, sur-échantillonnage, caractéristiques réelles, filtre anti-repliement, principes de fonctionnement et domaines d'applications des principaux types de convertisseur (flash, sub-ranging, pipe-line, rampe, SAR, sigma-delta) ;

• les réseaux : histoire, typologie des réseaux, modèles de réseaux (OSI…), convergence dans les réseaux de données (Ethernet, TCP/IP…), réseaux de capteurs/effecteurs filaires (exemple du CAN), Réseaux de capteurs/effecteurs sans fil (exemple de ZigBee), programmation réseau dans le contexte d’applications capteurs (usages d’UDP et de TCP côtés client et serveur).

L'unité d'enseignement Traitement du signal et des images, statistique est principalement mathématique. Elle a pour objectif de donner les méthodes et les outils nécessaires pour extraire et analyser les signaux issus des capteurs. Cette analyse avancée peut être plus ou moins complexe et dépend d’un certain nombre de paramètres comme l’environnement du capteur, le bruit, la stationnarité des signaux ou encore leur caractère aléatoire. Les thèmes abordés sont :

• le traitement du signal : transformée de Fourier, échantillonnage, observation spectrale, filtrage discret, transformée en z, synthèse de filtres et conversion de fréquence d'échantillonnage, processus aléatoires ;

• l'introduction au traitement d'images : transformées de l’image, échantillonnage, filtrage 2D, histogramme et quantification ;

• les statistiques : probabilités, conditionnement, formules de Bayes et indépendance, variables aléatoires discrètes et continues, statistique descriptive, simulation de variables aléatoires, théorèmes centrale limite et de Cochran, distribution d'échantillonnage, estimation ponctuelle et par intervalles ;

• les tests et les régressions : tests statistiques de comparaison de deux échantillons, d'élimination de valeurs aberrantes, de conformité à une distribution, d’indépendance de deux critères, régression linéaire, estimation des moindres carrés, intervalles de confiance et de prédiction, test de comparaison de modèles gigognes, test du biais, mesures diagnostiques fondées sur les résidus, régression non linéaire, algorithmes de minimisation du coût des moindres carrés, linéarisation de l'estimateur des moindres carrés.

L'unité d'enseignement Méthodes de mesure est principalement physique. Elle a pour objectif de donner les connaissances de bases sur les méthodes de contrôle non-destructif basées sur des techniques ultrasonores, optiques et optroniques, nucléaires ou magnétiques. Sont notamment abordés les techniques ultrasonores multi-éléments, la génération et détection d’ultrasons par laser, la microscopie optique, les capteurs matriciels pour l'imagerie optronique, les technologies infrarouges, les méthodes à rayons X et autres rayonnements, à neutrons, par courants de Foucault. Les thèmes abordés sont :

• les ultrasons : ondes élastiques (compression, cisaillement, réflexion, réfraction), ondes de Lamb, génération et détection d’ultrasons avec et sans contact, technique pulse écho, contrôle par ondes guidées, techniques multi-éléments (focalisation, formation de voies, échographie) ;

• l'optique et l'optronique : éléments de photométrie et de spectrométrie, polarisation, interférences et diffraction, avancées récentes en microscopie et techniques optiques en CND, détecteurs (paramètres de base, détecteurs matriciels CCD, détecteurs matriciels CMOS, technologie bas niveau de lumière et à comptage de photons), infrarouges (matrices infrarouges, modes de lecture du plan focal, traitements optiques et électroniques, matrices intensifiées), imagerie laser, expression des besoins et conception des systèmes optroniques (recette, classification, architectures, systèmes passifs, actifs, bistatiques et sur ligne de visée) ;

• le nucléaire : sources et détecteurs, méthodes d’examen industriel (techniques RBS, PIXE, PIGE, ...) ;
• les courants de Foucault : synoptique et principe général, analogie avec un transformateur chargé, détection d’inhomogénéités, instrumentation, propriétés des capteurs, modélisation et applications.

L'unité d'enseignement Applications a pour objectif de montrer différents domaines d'application, et approfondissements techniques. Elle contient des enseignements transversaux communs et deux enseignements à choix parmi un menu. Les thèmes abordés sont :

• en transversal : virtualisation des capteurs (estimation des paramètres, méthode des moindres carrés, modélisation non linéaire, grandeurs pertinentes, ajustement des paramètres, fonction de coût, validation de modèles, étude de cas réels), intégration matériel (accélérateur matériel pour l’IA embarquée, IA frugale, edge AI, conception de systèmes embarqués intelligents, smart sensors, co-design, gestion de projet, création d'entreprise et propriété industrielle ;
• choix 1 : capteurs magnétiques (inductifs, bobines de Rogowski, effet Hall, magnéto-résistances, FluxGates, performances, mise en œuvre, instrumentation associée), milieux contrains (miniaturisation et lois d’échelle, étalonnage), couches minces (notion de couche mince/couche épaisse, revue rapide de différents matériaux mis en jeu, techniques expérimentales associées aux couches minces, application à la réalisation de micro-capteurs) ;
• choix 2 : effet des rayonnements (détecteurs, Ramo-Shockley, accumulation de charges, création de défauts, effets optiques sur les scintillateurs et fibres), durcissement des capteurs, conceptions et procédures, ordres de grandeur, blocs de base, grands instruments, principes de détection des particules, accélérateurs, physique des détecteurs au LHC, détecteurs spatiaux (astronomie de haute énergie, rayons cosmiques, gammas et neutrinos), détection des ondes gravitationnelles, projet expérimental (modélisation des phénomènes d’interactions, production de particules, propagation, interaction, modélisation de détecteurs, exploitation par des méthodes statistiques méthode de Monte-Carlo, méthodes d’analyse de données, optimisation du dispositif expérimental) ;
• choix 3 : effet des rayonnements (détecteurs, Ramo-Shockley, accumulation de charges, création de défauts, effets optiques sur les scintillateurs et fibres), durcissement des capteurs, conceptions et procédures, ordres de grandeur, blocs de base, capteurs en aéronautique (contexte, capteurs en couches minces hautes températures, capteurs inertiels, gravimètre à atomes froids), exemple d'un capteur spatial, démarche d’un projet scientifique d’instrument spatial, projet expérimental (modélisation des phénomènes d’interactions, production de particules, propagation, interaction, modélisation de détecteurs, exploitation par des méthodes statistiques méthode de Monte-Carlo, méthodes d’analyse de données, optimisation du dispositif expérimental) ;
• choix 4 : effet des rayonnements (détecteurs, Ramo-Shockley, accumulation de charges, création de défauts, effets optiques sur les scintillateurs et fibres), durcissement des capteurs, conceptions et procédures, ordres de grandeur, blocs de base, grands instruments, principes de détection des particules, accélérateurs, physique des détecteurs au LHC, détecteurs spatiaux (astronomie de haute énergie, rayons cosmiques, gammas et neutrinos), détection des ondes gravitationnelles, capteurs en aéronautique (contexte, capteurs en couches minces hautes températures, capteurs inertiels, gravimètre à atomes froids), exemple d'un capteur spatial, démarche d’un projet scientifique d’instrument spatial ;
• choix 5 : imagerie médicale par ultrasons (interaction ultrason/tissus biologiques, résolution spatiale et temporelle, profondeur d’exploration, réseau de capteurs ultrasonores, compensation de l’atténuation, balayage mécanique/électronique, focalisation/formation d’image, Doppler, imagerie 3D, élastographie, échographie de contraste), imagerie médicale par radiations (qualité d’image, tomographie, scanning, temps de vol, énergie, transformée de Radon, sources, diffusion des rayons X, détecteurs, élimination, mammographie, DEXA, tomographie, scintigraphie, SPECT, PET), imagerie médicale par résonance magnétique (description, sélection de coupe, codage, contraste, ciné cardiaque, élastographie, angiographie, imagerie cérébrale fonctionnelle, vélocimétrie et diffusion), optique dans le domaine médical.

L'unité d'enseignement Ateliers est un ensemble de travaux pratiques illustrant les cours du parcours type CIMES. Elle ne concerne pas les apprentis. Elle contient des enseignements communs et des travaux pratiques aux choix. Les thèmes abordés sont :

• en transversal : introduction et utilisation de LabView ;
• au choix : poutre et pont de Wheatstone, utilisation de capteurs optique, mesure nucléaire, mesure par résonance magnétique nucléaire, utilisation d'un bus de communication I2C, détection de métaux, courant de Foucault, capteurs magnétiques, apprentissage artificiel pour capteurs virtuels, mesures et étalonnage.

À la place d'Ateliers, les apprentis valident leur Mission en entreprise du semestre 3 par la réalisation d'un poster et d'une grille d'évaluation du tuteur en entreprise. L'objectif du poster est de transmettre une information sur un support restreint. La qualité esthétique du poster, la clarté et l’auto-suffisance des messages transmis sont pris en compte dans la notation. Le sujet est au libre choix de l’apprenti en accord avec son entreprise.

L'unité d'enseignement Anglais propose soit une préparation à l'examen du TOEIC, soit des cours d'anglais pour le monde professionnel (meetings, interviews, ...).

Le Stage est un travail pratique de 6 mois à temps complet en entreprise ou en laboratoire sur un sujet préalablement validé par l'équipe enseignante. Aucun aspect commercial ou purement cahier des charges ou purement organisationnel n'est recevable. L'objectif est de résoudre un problème ou concevoir un système lié à une chaîne de mesure (partie physique et/ou électronique et/ou informatique).

À la place du Stage, les apprentis valident leur quatrième semestre sur la base d'un projet d'une durée d'environ 6 mois au sein de leur entreprise. Le diplôme étant le même pour les apprentis et pour les étudiants, les mêmes critères s'appliquent pour le stage des étudiants et le projet des apprentis. Ainsi, aucun aspect commercial ou purement cahier des charges ou purement organisationnel n'est recevable. Le projet étant d'une durée de 6 mois environ pour être équivalent à la durée d'un stage, les travaux effectués préalablement au projet par l'apprenti au sein de l'entreprise peuvent servir de base ou de contexte lors de la présentation mais ne peuvent pas entrer en ligne de compte dans l'évaluation. Comme pour le stage, l'objectif du projet est de résoudre un problème ou concevoir un système lié à une chaîne de mesure (partie physique et/ou électronique et/ou informatique).