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CHAPITRE V
CAPTEURS DE PRESSION
ET DE FORCE
INTRODUCTION
• On appelle pression, l'effort exercé sur une surface. L'unité la plus courante est le Pascal qui correspond à une force de 1N
exercée sur une surface de 1 m². On utilise également le Bar
qui correspond à 10N/cm² (1 bar = 105 Pa).
• Il existe une étroite relation entre la mesure de la pression et
celle de la force.
• Comme il existe une étroite relation entre la mesure de la force
et celle du couple.
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Capteurs de pression/forceRappels: traction et compression (1)
• En appliquant un couple de forces de mêmes intensité et
direction, et de sens opposés, un matériau va subir une dilatation ou une rétraction de sa longueur, selon le sens des
forces appliquées.
Capteurs de pression/forceRappels: traction et compression (2)
• Dans la zone d’élasticité, la contrainte σ (force par unité de
surface) est proportionnelle à la déformation relative ΔL/L.
L’intensité de la déformation dépend du matériau utilisé pour la
réalisation de la structure subissant la contrainte. Cette relation
est exprimée par:
Avec ε un coefficient relatif au matériau, communément connu
sous le nom du module de Young.
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Capteurs de pression/forceRappels: traction et compression (3)
Capteurs de pression/forceRappels: flexion non circulaire
• Lorsqu’une poutre est soumise à un effort de flexion, ses fibres
se déforment, en restant parallèles au plan de symétrie de la
poutre. Cette déformation a lieu comme suit:
– La partie supérieure f1 se rétrécit,
– La partie inférieure f2 s’allonge,
– L’axe neutre f conserve sa longueur initiale.
f1
f2
f
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Capteurs de pression/forceMesure de pression
• Le corps d'épreuve est l'élément mécanique qui, soumis aux
variations de la pression, va la transformer en déformation ou
déplacement, lesquels vont être traduits en grandeur électrique,
selon un certain principe physique.
Capteurs de pression/forceClassification des capteurs de pression
Capteurs de pression
Balance manométrique
Capteurs électriques
Capteurshydrostatiques
Capteurs àdéformation élastique
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Capteurs de pression/forceCapteurs de pression à balance manométrique
• Dans le capteur de pression à balance manométrique (ou
équilibre de forces), le capteur contrebalance les effets des
forces de pression pour rester dans une position d’équilibre.
S
gM
S
FP
.
1==
Capteurs de pression/forceCapteurs de pression hydrostatiques
• Son principe repose sur la relation existant entre la pression
exercée sur un liquide et sa hauteur, par application de la
relation PA – PB = ρ g (yB – yA). La mesure consiste à
déterminer la variation de la hauteur h = (yB – yA).
PA – PB = ρ g h
Eau
(basses
pressions)
ou
Mercure
(hautes
pressions)
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Capteurs de pression/forceCapteurs de pression à déformation élastique
• Le principe de fonctionnement de ces capteurs repose sur la
déformation d’un corps, généralement métallique, sous l’action
de la force créée par la pression à mesurer. Le déplacement de
la partie déformée est amplifié par un mécanisme à roue
dentée, qui entraîne une aiguille sur un cadran gradué.
Capteurs de pression/forceCapteurs de pression électriques
• Ils sont particulièrement bien adaptés aux techniques
modernes de régulation, transmission/traitement informatique
des données, etc.
• Les variations de pression peuvent se traduire par des
variations de différence de potentiel, de capacité, d’induction,
de résistance, etc. Mais sont généralement transformées pour
obtenir en sortie du capteur, un courant électrique d’intensité
variant avec la pression, généralement de 4 à 20 mA.
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Capteurs de pression/forceCapteurs de pression électriques: types
Capteur à cristal piézoélectriqueCréation de charges électriques dans un cristal
Capteur à variation d’inductionVariation d’induction
Capteur à variation de capacitéVariation capacité d’uncondensateur
Capteur potentiométriqueVariation de tension
Capteur à jauge de contrainteVariation de résistance
Désignation du capteurPhénomène
Capteurs de pression/forceCapteurs de pression potentiométriques
• Le curseur d’un potentiomètre est lié à une membrane, un tube
ou une capsule, de manière à ce que la déformation de ce
corps d’épreuve entraîne un déplacement (X) du curseur. Pour
un potentiomètre de résistance totale (R), alimenté par (E), la
tension entre le curseur et l’une de ses extrémités est :
PKV .=
Proportionnelle au déplacement (X)
Proportionnel à la déformation
Proportionnelle à la pression
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Capteurs de pression/forceCapteurs capacitifs de pression
• Chacune des 2 électrodes constitue l’armature d’un
condensateur, dont la capacité varie avec la pression. On place
ce condensateur soit dans un pont de Wheatstone alimenté en
alternatif, soit dans un circuit oscillant pour convertir la pression
en une grandeur électrique.
PC
α=
d
Capteurs de pression/forceInduction électromagnétique: principe
• Lorsqu’une bobine est
soumise à un champ
magnétique variable, elle
est le siège d’une force
électromotrice induite
(e), qui tend à s’opposer
aux variations du flux du
champ magnétique au
niveau de la bobine.dt
diLe
dt
de −=⇒
Φ−=
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Capteurs de pression/forceCapteurs inductifs de pression
• Si un noyau magnétique, solidaire au corps d’épreuve du
capteur de pression, subit un déplacement sous l’effet de la
déformation de ce dernier, on observera des variations de
courant induit, liées à la position du noyau vis à vis de la
bobine, et donc à la pression.
i
eΦ
Membrane
Capteurs de pression/forcePiézoélectricité: principe
• La piézoélectricité est la propriété que possèdent certains
corps de se polariser électriquement sous l’action d’une
contrainte mécanique.
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Capteurs de pression/forcePiézoélectricité: exemple le Quartz(SiO2)
Molécule électriquementneutre
Molécule chargée
P
P
Exemples de matériaux piézoélectriques: oxydes ferroélectriques, structure Tungstène - Bronze,
semi-conducteurs (t.q Nitrure d’Aluminium, oxyde de Zinc), sels (t.q Phosphate de monopotassium)
Capteurs de pression/forceCapteurs piézoélectriques de pression
• Les forces de pression qui agissent sur un cristal piézoélectrique font apparaître des
charges électriques qui donnent naissance à une différence de potentiel
proportionnelle à la pression à mesurer, selon la loi de Becquerel suivante:
U = k. h. P
Où:
U est la tension en Volts (V).
h est la largeur du matériau en mètres (m).
P est la pression en Pascal (Pa).
k est la constante piézoélectrique variant en fonction des matériaux.
P
U
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Capteurs de pression/forceCapteurs piézorésistifs: principe
• Les jauges de contrainte sont les capteurs les plus utilisés
comme capteurs de pression (effort). Il s'agit de pistes conductrices placées sur un support souple.
• La déformation du support implique l'allongement ou le
rétrécissement des pistes et donc une modification de la
résistance globale de la jauge:
Capteurs de pression/forceCapteurs piézorésistifs: présentation
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Capteurs de pression/forceCapteurs piézorésistifs: applications
Capteur de pression de suralimentation(automobile)
Capteur de pesage
Capteur de cisaillement(bâtiments, ponts) Capteur d’accélération
Capteurs de pression/forceCapteurs piézorésistifs: équation
Constante de Bridgman
Constante d’élasticité
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Capteurs de pression/forceCapteurs piézorésistifs: facteur de jauge
• La relation entre la variation de la résistance de la jauge est
proportionnelle à la déformation:
• K: facteur de jauge.
• K = 2 à 4 pour les métaux.
• K = ±50 à ±200 pour les semi-conducteurs.
L
LK
R
R ∆=
∆.
K
Capteurs de pression/forceConditionnement des jauges de contrainte
• Les variations de résistance des jauges sont trop faibles pour
être mesurables directement. Les jauges sont, donc, collées sur le corps d’épreuve, de manière à constituer un montage
électrique en pont de Wheatstone classique.
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Capteurs de pression/forceRappels sur le pont de Wheatstone
= 0
Capteurs de pression/forceJauges de contrainte: Montage en ¼ de pont
( ) ( )000
0
42222 R
R
RR
R
R
R
RR
RR
E
Vs ∆≅
∆+
∆=−
∆+
∆+=
Vs
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Capteurs de pression/forceJauges de contrainte: Montage en ½ de pont
( )00
0
222 R
R
R
R
R
RR
E
Vs ∆=−
∆+=
Vs
Capteurs de pression/forceJauges de contrainte: Montage en pont
complet
Vs
( )00
0
0
0
22 R
R
R
RR
R
RR
E
Vs ∆=
∆−−
∆+=
