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.
III-
CAPTEURS À EFFET PIÉZOÉLECTRIQUE
Le capteur de force
Une face du capteur
force F0 (pression ex
1- Effet piézoélectrique
Une force appliquée à une lame de quartz induit une déformation qui donne naissance à une
tension électrique.
Enc
à la
pres
F
A
V
11) Utilisation en Capteur de force
F
UAB
On a F = P.S ; F
Donc uS = k.S ( P +
B
Il s'agit ici d'un capt
la pression de l'ence
2- Capteur de force
F
Schéma :
Ampli
Mise
en forme
VS
4- Capteur d'accé
Force F exercée
par la masse
sur le capteur
Métal
F
Quartz
F
Réaction du support
Capteur de force
tension uS en
sortie
La tension VS de sortie sera proportionnelle à la force F : VS = k.(F+F) = 2k.F avec k
constante.
La tension VS de sortie sera proportionnelle à la force F : VS = k.(F+F) = 2k.F avec k
3- Capteur de pression
constante.
Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide ) exerce une force F sur une paroi S
(surface); de
on peut
définir la pression P exercée par ce corps avec la relation ci12) Utilisation en Capteur
pression
dessous :
5- Récepteur à ult
La réception d'un so
Un capteur de press
ultrasonore.
Définition : Lorsqu'un corps (gaz, liquide ou solide ) exerce une force F sur une paroi S
F
1Newton
1N relation ci- dessous :
(surface); on peut Pdéfinir
la pression
exercée
par ce ou
corps1Pa
avec
=
avec
les unités : P
1Pascal
=
= la
.
2
S
1m
1m 2
F
1Newton
P=
avec les unités 1Pascal =
2
S
On rappelle que 1 kg = 9,81 N. 1m
105 PaN.
= 100 000 N / m2 ! 10 000 kg / m2 ! 1 kg / cm2
On rappelleUnités
que: 11 bar
kg = 9,81
IRIS ( Physique
Appliquée
) Christian
BISSIERES http://cbissprof.free.fr
CAPTEURS TS
FORCE
PRESSION
CHAMP
MAGNETIQUE!
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sur 12 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
Le capteur de
F0 (pression extérieure
P0force
). 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).
ui donne naissance à une
Ampli
Enceinte
à la
pression P
uS
F0
F
Capteur de force
de surface S
LECTRIQUE
On a F = P.S ; F0 = P0.S et uS = k.(F+F0) ( capteur de force, k = constante ).
inséré
Donc uS = k.S ( PLe
+ capteur
P0 ) = k'de
( Pforce
+ P0 est
) !
uS dans
= k' (laP paroi
+ P0 )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
On a
force
F
(pression
extérieure
P
).
F=P.S ;
Il s'agit ici d'un capteur de0 pression qui mesure la0 somme de la pression extérieure P0 et de
ne déformationFqui
donne
naissance
à une 0)de(capteurdeforce,k=constante).
0 =P0.S et uS =k.(F+F
la pression
l'enceinte P.
Ampli
uS
Mise Donc uS =k.S(P+P0 )=k'(P+P0 ) ⇒ uS =k'(P+P0 ) .
Enceinte
Capteurde
d'accélération
VS ici d'un4-capteur
en forme
Il s'agit
pression qui mesure
la somme de la pression extérieure P0 et
à la
F0
F
L'augmentation de vitesse V du véhicule
par la masse
donne une accélération a qui induit une
Masse m
A
sur le capteur
de force
force F exercée parCapteur
la masse
sur le
suspendue
F
de surface S
capteur.
UAB13) Utilisation en Capteur d'accélération
On a donc :
V
On a F = P.S ; F0 = P0.S et uS = k.(F+F0) ( capteur de force, k = constante ).
ort
Capteur de force
F = m.a mais uS = 2k.F
L'augmentationtension
de vitesse
VDonc
du véhicule
uS = k.S ( Pdonne
+ P0 ) =une
k' ( Paccélération
+ P0 ) ! uS =ak'qui
( P +induit
P0 ) . une force F
uS en
V
sortie
B
exercée
par
la
masse
sur
le
capteur.
donc uS = 2k.m.a
+F) = 2k.F avec k
Il s'agit ici d'un capteur de pression qui mesure la somme de la pression extérieure P0 et de
On a donc : F=m.a mais uS =2k.F
la pression de l'enceinte P.
de la pressionForce
deFl'enceinte
P.
exercée
pression
P
donc! uS = 2k.m.a
Mise 5- Récepteur à ultrason
Ampli
4- Capteur d'accélération
en forme VS
ce F sur une paroi S
orps avec la relation ci-
La réception d'un son engendre une variation de pression à la surface du récepteur.
Force F exercée
L'augmentation
Un capteur de pression
sur cette surface donnera donc une tension image
du signal de vitesse V du véhicule
par la masse
donne
une accélération a qui induit une
Masse m
ultrasonore.
sur le capteur
force
F
exercée par la masse sur le
suspendue
F
capteur.
1N
On a donc :
a=
.
éaction
1m 2 du support
Capteur de force
F = m.a mais uS = 2k.F
tension uS en
V
sortie
donc uS = 2k.m.a
orce F : VS = k.(F+F) = 2k.F avec k
kg / cm2
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de ) exerce une force F sur une paroi S
P exercée par ce corps avec la relation ci-
21) L'effet Hall
wton
m
5- Récepteur à ultrason
2) capteur a effet hall
2
ou
Thème 1 : LES CAPTEURS
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.
Un barreau
de semi-conducteur soumis à un champ magnétique uniforme B et traversé
1N
1Pa un
= courant
.
par
I, est le siège d'une force électromotrice UH sur deux de ses faces.
2
1m
0 000 kg / m2 ! 1 kg / cm2
p://cbissprof.free.fr
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CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!
Thème 1 : LES CAPTEURS
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! Capteur de p
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 UH sur deux de ses faces.
Capteur de
champ
magnétique
I
B
B
B
! Mesure de l
3- Autre
IV- CAPTEURS À EFFET HALL
1- L'effet Halle
! Capteu
V
U
H
Un barreau de semi-conducteur soumis à un champ magnétique
uniforme B et traversé par
I
un courant I, est le siège d'une force électromotrice UH sur deux de ses faces.
Capteu
cham
magné
La tension de Hall UH est définie par la relation ci-dessous :
I
B
I.B
avec :
définie
e par la
UH = R H
La tension de Hall UH est
I.B
U H = RH
e
avec :
B
B
relation ci-dessous :
RH : constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
! Mesur
I : intensité de la source de courant (A)
B : intensité du champ magnétique (T)
e : épaisseur du barreau de silicium.
e
V
Le courant I cré
Le capteur donn
C'est le principe
UH
Si on maintient le courant I constant, on a donc une tension UH proportionnelle au
I
I
RH : constante champ
de Hall
(
dépend
du
semi-conducteur
magnétique B : UH = k.B avec k constante) égale à R H .
La
tension
de
Hall
U
est
définie
par
la
relation
ci-dessous
:
e
H (A)
I : intensité de la source de courant
B : intensité du champ magnétique
(T)
I.B
2- Capteur de champ magnétique
U
=
R
avec :
e : épaisseur du barreau deH silicium.
H
e
Avantages :
- plus de dé
- pas de dan
- rapidité d'i
RH : constante de Hall ( dépend du semi-conducteur )
La structure typique d'un capteur de champI :magnétique
suivante
:
intensité deest
la la
source
de courant
(A)
Si on maintient le courant I constant, on a donc
tension
UH magnétique
proportionnelle
au champ
B :une
intensité
du champ
(T)
I
magnétique B :
e : épaisseur du barreau de silicium.
Générateur
I
Ampli
de courant égale à R Capteur
UH = k.B avec k constante
.
uH
uS UH proportionnelle au
H Hall
Siconstant
on maintient le courant
tension
=A.uune
H
eI constant, on auSdonc
22)
I
champ magnétique B : UH = k.B avec k constante égale à R H .
e
sensibilité
de cede
capteur
pourramagnétique
être ajustée en agissant sur I et sur A.
UtilisationLaen
Capteur
champ
Le couran
Le capteu
C'est le pr
Avantages
- plus
- pas d
- rapid
2- Capteur de champ magnétique
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
La structure typique d'un capteur de champ magnétique est la suivante :
TS IRIS ( Physique Appliquée ) Christian
BISSIERES
I
Générateur
de courant
constant
Capteur
Hall
http://cbissprof.free.fr
Ampli
uS=A.uH
uH
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uS
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
La sensibilité de ce capteur pourra être ajustée en agissant sur I et sur A.
23) Autres applications
TS IRIS ( Physique Appliquée )
Capteur de proximité
Christian BISSIERES
http://cbissprof.free.fr
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3- Autres applications
Le capteur détecte l'approche !
deCapteur
l'aimant
placé au préalable sur un objet.
de proximité
amp magnétique uniforme B et traversé par
rice UH sur deux de ses faces.
I
Capteur de
champ
magnétique
N
S
Aimant
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
CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!
Page 3/6
Conducteur parcouru
par un courant I
V
UH
Entrefer
me B et traversé par
s faces.
Capteur de
champ
magnétique
N
S
Aimant
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
! Mesure de l'intensité d'un courant électrique sans "ouvrir " le circuit
Conducteur parcouru
par un courant I
Entrefer
r
Capteur de champ
magnétique
u semi-conducteur )
nt (A)
e (T)
m.
Tore de métal
de perméabilité µ
µ I
.
2! r
I crée
un champ
proportionnel
à k'ceconstantes.
courant : B = 2π r .
Le capteur
donne unemagnétique
tension US = k.B
= k'.I avec k et
C'est le une
principe
des pinces
ampèremétriques
(mesurek de
courants de 1000A
et plus).
donne
tension
US =
k.B = k'.I! avec
etforts
k' constantes.
C'est
le principe
Le courant I crée un champ magnétique proportionnel à ce courant : B =
Le courant
portionnelle auLe capteur
des pinces ampèremétriques (mesure de forts courants de 1000A et plus).
Avantages :
:
Avantages : - plus de détérioration des ampèremètres "classiques".
- plus de détérioration
des ampèremètres
- pas de danger
car le fil reste isolé "classiques".
(pas besoin d'ouvrir le circuit).
- pas de danger- car
le fil
reste isolé (pas besoin d'ouvrir le circuit).
rapidité
d'intervention.
- rapidité d'intervention.
3) Capteurs à jauges d' extensiométrie
31) Principe
A.
La résistance d'un conducteur est donnée par la relation :
l
R=ρ
S
avec Page 7 sur 12
S section du conducteur en m2
l longueur du conducteur en m
résistivité du conducteur en Ω.m
Thème 1 : LES CAPTEURS
La déformation du conducteur (jauge) modifie la longueur l entraînant une variation de la
résistance R.
ΔR
Δl
La relation générale pour les jauges est
= k. où K est le facteur de jauge.
R0
l
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.
CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!
Page 4/6
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)
Résistance mesurée :
R0
support
corps déformable
#
piste résistive
longueur l
# Corps ayant subi un étirement (effort de traction)
s)
ssort
rappel
Résistance mesurée :
R0 + " R
#
F
F
longueur l + "l
Remarque
: le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R - "R.
Remarque : Dans
0
Dans le cas d'une contraction, la résistance de la jauge serait R0 - ∆R.
33) Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)
c- Conditionneur de signal (pont de Wheatstone)
VII- CAPTEURS
DE T
La jauge étant un composant purement résistif, il faut l'associer à un circuit électrique
pour
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Thème 1 : LES CAPTEURS
obtenir
uneétant
tension
imagepurement
de la déformation.
Le circuit
utilisépour
est appelé1-"pont
de
La jauge
un composant
résistif, il faut l'associer
à un souvent
circuit électrique
Thermomètre à thermoc
Wheatstone".
Il estimage
ici constitué
d'un générateur de tension associé à 4 résistances dont
obtenir une tension
de la déformation.
circuit
souvent(schéma
utilisé est appelé
"pont de Wheatstone".
Il est ici constitué d'un
uneLe
est
la jauge
ci-dessous)
:
V
générateur de tension associé à 4 résistances dont une est la jauge (schéma ci-dessous) :
T1
U
métal B
R
Résistance réglée à la valeur R0
de la jauge au repos
R0
E
v
R
R0 + !R
soudure
On constate que si la tempéra
bornes des deux fils soumis à
Le phénomène inverse est au
échauffement ou un refroidis
effet Peltier ).
Jauge
Résistances quelconques
mais identiques
Application : Mesure des hau
La tension
v du
a l'expression
La tensionde
de sortie
sortie v du
pontpont
a l'expression
suivante : suivante :
⎡ R + ΔR 1 ⎤
R0 + ΔR
R
V=E
=RE ⎢# 0 & R + !−R ⎥ 1 # & 2R + 2!R " 2R " !R #
& R 0−+E!R
0
0
R0 +v ΔR
R + "R
2 ⎦" ! = E $ 0
= E $+ R0
= E0 $+ ΔR
⎣!2R
!
% R 0 + R 0 + !R
R +R"
% 2R 0 + !R
⎡ 2R + 2ΔR − 2R − ΔR ⎤
⎡
⎤
ΔR
V = E ⎢' v0 = E !R 0 .
⎥ = E⎢
⎥
4R4R
2ΔR
⎣
⎦
⎣ 4R0 + 2ΔR ⎦
0 +
0 + !R
2"
%
4R 0 + 2!R
"
En général, la variation ∆R est petite devant R0;
En général, la variation !R est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir
la relation se simplifie alors!pour
devenir quasi-linéaire :
R
v#E
quasi-linéaire
:
.
ΔR
4R 0
V=E
4R0
CAPTEURS
PRESSION
MAGNETIQUE!
RemarqueFORCE
! : On peut
améliorerCHAMP
la sensibilité
et la linéarité du dispositif en utilisant un
pont à 2 résistances et 2 jauges symétriques R0 + !R et R0 - !R.
Il est même possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une
parfaite linéarité.
2- Thermistance
Une thermistance est un com
En première approximation,
R% = R0 ( 1 + a%
Remarque :
si a > 0 alo
si a < 0 alo
Utilisation :
Page 5/6
On insère
On obtient
Si on pren
On peut au
Remarque: On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant un pont
à 2 résistances et 2 jauges symétriques R0 +∆R et R0 -∆R. Il est même
possible d'utiliser un pont à 4 jauges symétriques pour avoir une parfaite
linéarité.
CAPTEURS FORCE PRESSION CHAMP MAGNETIQUE!
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