capteur force debit pression File

FORCE PRESSION CHAMP
MAGNETIQUE...
1)Effet Piezzo Electrique
Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à
une tension électrique.
11) Utilisation en Capteur de force
La tension VS de sortie sera proportionnelle à la force F : VS = k.(F+F) = 2k.F avec k
constante.
12) Utilisation en Capteur de pression
Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide ) exerce une force F sur une paroi S
(surface); on peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci- dessous :
P=F
S
avec les unités
1Pascal =1Newton
1m2
On rappelle que 1 kg = 9,81 N.
TS IRIS ( Physique Appliquée ) Christian BISSIERES http://cbissprof.free.fr Page 6 sur 12 Thème 1 : LES CAPTEURS
III- CAPTEURS À EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE
1- Effet piézoélectrique
Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une
tension électrique.
2- Capteur de force
Schéma :
La tension V
S
de sortie sera proportionnelle à la force F : V
S
= k.(F+F) = 2k.F avec k
constante.
3- Capteur de pression
Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide ) exerce une force F sur une paroi S
(surface); on peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci-
dessous :
S
F
P=
avec les unités :
2
m1
Newton1
Pascal1= ou
2
m1
N1
Pa1= .
On rappelle que 1 kg = 9,81 N.
Unités : 1 bar = 10
5
Pa = 100 000 N / m
2
! 10 000 kg / m
2
! 1 kg / cm
2
Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P.
Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la
force F
0
(pression extérieure P
0
).
On a F = P.S ; F
0
= P
0
.S et u
S
= k.(F+F
0
) ( capteur de force, k = constante ).
Donc u
S
= k.S ( P + P
0
) = k' ( P + P
0
) ! u
S
= k' ( P + P
0
) .
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P
0
et de
la pression de l'enceinte P.
4- Capteur d'accélération
L'augmentation de vitesse V du véhicule
donne une accélération a qui induit une
force F exercée par la masse sur le
capteur.
On a donc :
F = m.a mais u
S
= 2k.F
donc u
S
= 2k.m.a
5- Récepteur à ultrason
La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur.
Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal
ultrasonore.
F
Ampli
Mise
en forme
V
S
Métal
Quartz
F
Réaction du support
F
F
V
A
B
U
AB
Ampli
F
0
F
u
S
Enceinte
à la
pression
P
Capteur de
f
orce
de surface
S
V
Masse m
suspendue
Capteur
de force
tension u
S
en
sortie
F
Force F exercée
par la masse
sur le capteur
CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!Page 1/6

Unités:1bar = 105 Pa = 100000N/m2 ≈ 10000 kg/m2 ≈1kg/cm2
Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P. Une
face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la force
F0 (pression extérieure P0).
On a
F=P.S ;
F0 =P0.S et uS =k.(F+F0) (capteurdeforce,k=constante).
Donc uS =k.S(P+P0 )=k'(P+P0 ) ⇒ uS =k'(P+P0 ) .
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P0 et
de la pression de l'enceinte P.
13) Utilisation en Capteur d'accélération
L'augmentation de vitesse V du véhicule donne une accélération a qui induit une force F
exercée par la masse sur le capteur.
On a donc : F=m.a mais uS =2k.F
donc!uS = 2k.m.a
2) capteur a effet hall
21) L'effet Hall
Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé
par un courant I, est le siège d'une force électromotrice UH sur deux de ses faces.
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III- CAPTEURS À EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE
1- Effet piézoélectrique
Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une
tension électrique.
2- Capteur de force
Schéma :
La tension V
S
de sortie sera proportionnelle à la force F : V
S
= k.(F+F) = 2k.F avec k
constante.
3- Capteur de pression
Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide ) exerce une force F sur une paroi S
(surface); on peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci-
dessous :
S
F
P=
avec les unités :
2
m1
Newton1
Pascal1= ou
2
m1
N1
Pa1= .
On rappelle que 1 kg = 9,81 N.
Unités : 1 bar = 10
5
Pa = 100 000 N / m
2
! 10 000 kg / m
2
! 1 kg / cm
2
Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P.
Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la
force F
0
(pression extérieure P
0
).
On a F = P.S ; F
0
= P
0
.S et u
S
= k.(F+F
0
) ( capteur de force, k = constante ).
Donc u
S
= k.S ( P + P
0
) = k' ( P + P
0
) ! u
S
= k' ( P + P
0
) .
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P
0
et de
la pression de l'enceinte P.
4- Capteur d'accélération
L'augmentation de vitesse V du véhicule
donne une accélération a qui induit une
force F exercée par la masse sur le
capteur.
On a donc :
F = m.a mais u
S
= 2k.F
donc u
S
= 2k.m.a
5- Récepteur à ultrason
La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur.
Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal
ultrasonore.
F
Ampli
Mise
en forme
V
S
Métal
Quartz
F
Réaction du support
F
F
V
A
B
U
AB
Ampli
F
0
F
u
S
Enceinte
à la
pression
P
Capteur de
f
orce
de surface
S
V
Masse m
suspendue
Capteur
de force
tension u
S
en
sortie
F
Force F exercée
par la masse
sur le capteur
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III- CAPTEURS À EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE
1- Effet piézoélectrique
Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une
tension électrique.
2- Capteur de force
Schéma :
La tension V
S
de sortie sera proportionnelle à la force F : V
S
= k.(F+F) = 2k.F avec k
constante.
3- Capteur de pression
Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide ) exerce une force F sur une paroi S
(surface); on peut définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci-
dessous :
S
F
P=
avec les unités :
2
m1
Newton1
Pascal1= ou
2
m1
N1
Pa1= .
On rappelle que 1 kg = 9,81 N.
Unités : 1 bar = 10
5
Pa = 100 000 N / m
2
! 10 000 kg / m
2
! 1 kg / cm
2
Le capteur de force est inséré dans la paroi d'une enceinte où règne une pression P.
Une face du capteur est soumise à la force F (pression P) et l'autre face est soumise à la
force F
0
(pression extérieure P
0
).
On a F = P.S ; F
0
= P
0
.S et u
S
= k.(F+F
0
) ( capteur de force, k = constante ).
Donc u
S
= k.S ( P + P
0
) = k' ( P + P
0
) ! u
S
= k' ( P + P
0
) .
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P
0
et de
la pression de l'enceinte P.
4- Capteur d'accélération
L'augmentation de vitesse V du véhicule
donne une accélération a qui induit une
force F exercée par la masse sur le
capteur.
On a donc :
F = m.a mais u
S
= 2k.F
donc u
S
= 2k.m.a
5- Récepteur à ultrason
La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur.
Un capteur de pression sur cette surface donnera donc une tension image du signal
ultrasonore.
F
Ampli
Mise
en forme
V
S
Métal
Quartz
F
Réaction du support
F
F
V
A
B
U
AB
Ampli
F
0
F
u
S
Enceinte
à la
pression
P
Capteur de
f
orce
de surface
S
V
Masse m
suspendue
Capteur
de force
tension u
S
en
sortie
F
Force F exercée
par la masse
sur le capteur
CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!Page 2/6

La tension de Hall UH est définie par la relation ci-dessous :
UH=RH
I.B
e
avec :
RH : constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
I : intensité de la source de courant (A)
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium.
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au champ
magnétique B :
UH = k.B avec k constante égale à
RH
I
e
.
22) Utilisation en Capteur de champ magnétique
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
23) Autres applications
Capteur de proximité
Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé au préalable sur un objet.
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IV- CAPTEURS À EFFET HALL
1- L'effet Hall
Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par
un courant I, est le siège d'une force électromotrice U
H
sur deux de ses faces.
La tension de Hall U
H
est définie par la relation ci-dessous :
e
B. I
RU
HH
=
avec : R
H
: constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
I : intensité de la source de courant (A)
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium.
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension U
H
proportionnelle au
champ magnétique B : U
H
= k.B avec k constante égale à
e
I
R
H
.
2- Capteur de champ magnétique
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
3- Autres applications
! Capteur de proximité
Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé
au préalable sur un objet.
! Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit
Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant :
r
I
2
B!
µ
= .
Le capteur donne une tension U
S
= k.B = k'.I avec k et k' constantes.
C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus).
Avantages :
- plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
- pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit).
- rapidité d'intervention.
Capteur
Hall
Ampli
u
S
=A.u
H
u
H
u
S
I
Générateur
de courant
constant
B
B
B
V
U
H
I
I
e
Capteur
de
cham
p
magnétique
N
S
Aimant
Conducteur
parcou
ru
par un
courant I
Tore de métal
de perméabilité
µ
Entrefer
Capteur de champ
magnétique
r
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IV- CAPTEURS À EFFET HALL
1- L'effet Hall
Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par
un courant I, est le siège d'une force électromotrice U
H
sur deux de ses faces.
La tension de Hall U
H
est définie par la relation ci-dessous :
e
B. I
RU
HH
=
avec : R
H
: constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
I : intensité de la source de courant (A)
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium.
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension U
H
proportionnelle au
champ magnétique B : U
H
= k.B avec k constante égale à
e
I
R
H
.
2- Capteur de champ magnétique
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
3- Autres applications
! Capteur de proximité
Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé
au préalable sur un objet.
! Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit
Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant :
r
I
2
B!
µ
= .
Le capteur donne une tension U
S
= k.B = k'.I avec k et k' constantes.
C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus).
Avantages :
- plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
- pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit).
- rapidité d'intervention.
Capteur
Hall
Ampli
u
S
=A.u
H
u
H
u
S
I
Générateur
de courant
constant
B
B
B
V
U
H
I
I
e
Capteur
de
cham
p
magnétique
N
S
Aimant
Conducteur
parcou
ru
par un
courant I
Tore de métal
de perméabilité
µ
Entrefer
Capteur de champ
magnétique
r
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IV- CAPTEURS À EFFET HALL
1- L'effet Hall
Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par
un courant I, est le siège d'une force électromotrice U
H
sur deux de ses faces.
La tension de Hall U
H
est définie par la relation ci-dessous :
e
B. I
RU
HH
=
avec : R
H
: constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
I : intensité de la source de courant (A)
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium.
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension U
H
proportionnelle au
champ magnétique B : U
H
= k.B avec k constante égale à
e
I
R
H
.
2- Capteur de champ magnétique
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
3- Autres applications
! Capteur de proximité
Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé
au préalable sur un objet.
! Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit
Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant :
r
I
2
B!
µ
= .
Le capteur donne une tension U
S
= k.B = k'.I avec k et k' constantes.
C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus).
Avantages :
- plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
- pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit).
- rapidité d'intervention.
Capteur
Hall
Ampli
u
S
=A.u
H
u
H
u
S
I
Générateur
de courant
constant
B
B
B
V
U
H
I
I
e
Capteur
de
cham
p
magnétique
N
S
Aimant
Conducteur
parcou
ru
par un
courant I
Tore de métal
de perméabilité
µ
Entrefer
Capteur de champ
magnétique
r
CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!Page 3/6

Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit
Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant : B = 2π r .
Le capteur donne une tension US = k.B = k'.I!avec k et k' constantes. C'est le principe
des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus).
Avantages :
- plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
- pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit).
- rapidité d'intervention.
3) Capteurs à jauges d' extensiométrie
31) Principe
La résistance d'un conducteur est donnée par la relation :
R= ρ
l
S
avec
S section du conducteur en m2
l longueur du conducteur en m
résistivité du conducteur en Ω.m
La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la
résistance R.
La relation générale pour les jauges est
ΔR
R0
=k.Δl
l
où K est le facteur de jauge.
32) Fonctionnement d'une jauge simple
La jauge est constituée d'une piste résistive collée sur un support en résine. Le tout est
collé sur le corps dont on veut mesurer la déformation.
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IV- CAPTEURS À EFFET HALL
1- L'effet Hall
Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé par
un courant I, est le siège d'une force électromotrice U
H
sur deux de ses faces.
La tension de Hall U
H
est définie par la relation ci-dessous :
e
B. I
RU
HH
=
avec : R
H
: constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
I : intensité de la source de courant (A)
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium.
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension U
H
proportionnelle au
champ magnétique B : U
H
= k.B avec k constante égale à
e
I
R
H
.
2- Capteur de champ magnétique
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
3- Autres applications
! Capteur de proximité
Le capteur détecte l'approche de l'aimant placé
au préalable sur un objet.
! Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit
Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant :
r
I
2
B!
µ
= .
Le capteur donne une tension U
S
= k.B = k'.I avec k et k' constantes.
C'est le principe des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus).
Avantages :
- plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
- pas de danger car le fil reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit).
- rapidité d'intervention.
Capteur
Hall
Ampli
u
S
=A.u
H
u
H
u
S
I
Générateur
de courant
constant
B
B
B
V
U
H
I
I
e
Capteur
de
cham
p
magnétique
N
S
Aimant
Conducteur
parcou
ru
par un
courant I
Tore de métal
de perméabilité
µ
Entrefer
Capteur de champ
magnétique
r
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VI- CAPTEURS À RÉSISTANCE VARIABLE PAR DÉFORMATION
1- Capteurs potentiométriques de déplacement
a- Principe
Pour mesurer la position d'un objet, il suffit de le relier mécaniquement au curseur C d'un
potentiomètre (schéma ci-dessous).
On applique une tension continue E entre les extrémités A et B du potentiomètre.
La tension U en sortie aura l'expression suivante :
E.x
R
R. x
EU ==
.
La tension U en sortie est donc proportionnelle à la position x du curseur.
! Avantages
- simplicité d'utilisation
- faible coût.
! Inconvénient
- usure mécanique (utilisation déconseillée dans les asservissements très dynamiques)
b- Utilisations
" Mesures de déplacements rectilignes (potentiomètre rectiligne).
# Mesures d'angles de rotations (potentiomètre rotatif monotour ou mutitour).
$ Mesure de débit de fluide :
Le débit du fluide exerce une force sur un
clapet relié au curseur d'un potentiomètre.
La tension en sortie du potentiomètre
augmente avec la vitesse d'écoulement.
2- Capteurs à jauges d'extensiométrie
a- Principe
La résistance d'un conducteur est donnée par la relation :
S
l
R!=
La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la
résistance R.
La relation générale pour les jauges est
l
l
K
R
R
0
"
=
"
où K est le facteur de jauge.
b- Fonctionnement d'une jauge simple
La jauge est constituée d'une piste résistive collée sur un support en résine. Le tout est collé
sur le corps dont on veut mesurer la déformation.
" Corps au repos (pas d'allongement)
# Corps ayant subi un étirement (effort de traction)
Remarque : Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R
0
- "
"""R.
A
B
C
min
max
A
B
C
x.R
U
E
R
position 1
position 0
position x
( 0 < x < 1 )
(1-x).R
C
Fluide
Piste
résistive
Ressort
de rappel
Curseur
résistivité
#.m longueur
m
surface
m
2
longueur l
#
###
Résistance mesurée :
R
0
corps déformable support
piste résistive
longueur l + "l
#
###
Résistance mesurée :
R
0
+ "
"""R
F
F
Remarque :
Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R0 - ∆R.
33) Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)
La jauge étant un composant purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique pour
obtenir une tension image de la déformation. Le circuit souvent utilisé est appelé "pont de
Wheatstone". Il est ici constitué d'un générateur de tension associé à 4 résistances dont
une est la jauge (schéma ci-dessous) :
La tension de sortie v du pont a l'expression suivante :
V=ER0+ΔR
R0+ΔR+R0
−ER
R+R
=ER0+ΔR
2R0+ΔR
−1
2
⎡
⎣
⎢⎤
⎦
⎥
V=E2R0+2ΔR−2R0− ΔR
4R0+2ΔR
⎡
⎣
⎢⎤
⎦
⎥=EΔR
4R0+2ΔR
⎡
⎣
⎢⎤
⎦
⎥
En général, la variation ∆R est petite devant R0;
la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire :
V=EΔR
4R0
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c- Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)
La jauge étant un composant purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique pour
obtenir une tension image de la déformation.
Le circuit souvent utilisé est appelé "pont de Wheatstone". Il est ici constitué d'un
générateur de tension associé à 4 résistances dont une est la jauge (schéma ci-dessous) :
La tension de sortie v du pont a l'expression suivante :
!
"
#
$
%
&
!+
!""!+
=
!
"
#
$
%
&"
!+
!+
=
!
"
#
$
%
&
+
"
!++
!+
=R2R4
RR2R2R2
E
2
1
RR2
RR
E
RR
R
RRR
RR
Ev
0
00
0
0
00
0
'
RR4
R
Ev
0
!+
!
=
.
En général, la variation !R est petite devant R
0
; la relation se simplifie alors pour devenir
quasi-linéaire :
0
R4
R
Ev
!
#
.
Remarque ! : On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un
pont à 2 résistances et 2 jauges symétriques R
0
+ !R et R
0
- !R.
Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une
parfaite linéarité.
VII- CAPTEURS DE TEMPÉRATURE
1- Thermomètre à thermocouple
On constate que si la température T
2
est différente de T
1
alors il apparaît une tension U aux
bornes des deux fils soumis à la température T
1
.
Le phénomène inverse est aussi vrai : si on applique une tension, alors il y aura un
échauffement ou un refroidissement au point de liaison des deux conducteurs ( modules à
effet Peltier ).
Application : Mesure des hautes températures ( 900 $ 1300°C ).
2- Thermistance
Une thermistance est un composant dont la résistance varie en fonction de la température.
En première approximation, la relation entre résistance et température est la suivante :
R
%
est la résistance à la température %
R
%
= R
0
( 1 + a% ) R
0
est la résistance à la température 0°C
a est le coefficient de température.
Remarque : si a > 0 alors on a une thermistance CTP ( R " quand % " )
si a < 0 alors on a une thermistance CTN ( R # quand % " ).
Utilisation : On insère la thermistance dans un pont de jauge.
On obtient ainsi une tension V en sortie du pont V = k ( % - %
0
).
Si on prend %
0
= 0°C , on obtient V = k.% .
On peut aussi alimenter la thermistance avec un générateur de courant.
La tension à ses bornes sera donc proportionnelle à la résistance.
V
T
1
T
1
température
à mesurer T
2
température
extérieure T
1
métal A métal B
U
soudure
v E
R
R
R
0
+
!
!!!
R
R
0
Résistance réglée à la valeur R
0
de la jauge au repos
Jauge
Résistances quelconques
mais identiques
CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!Page 5/6