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Chapitre III : Capteurs de déformation 1 III.1 Capteurs de pression : En matièr

Chapitre III : Capteurs de déformation 1 III.1 Capteurs de pression : En matière de mesurage de pression, on distingue deux grandes familles de manomètres suivant la technologie utilisée : -les manomètres mécaniques: ils indiquent la valeur de la pression mesurée sur un cadran. -les capteurs . principaux types de manomètres III.1.1 Constitution: Dans tous les cas, les capteurs de pression peuvent se ramener au schéma synoptique ci-dessous. Le corps d'épreuve est l'élément mécanique qui, soumis aux variations de la grandeur à mesurer ,a pour rôle de transformer celle-ci en grandeur physique mesurable. Il doit être souple et élastique. Différents matériaux sont utilisés, caoutchouc, matières plastiques, alliages métalliques, acier inoxydable. III.1.2 Différents types de capteurs: a) Capteurs résistifs: a.1.) Capteur potentiométrique: Le potentiomètre est une résistance constituée d’un ﬁl ou d’une piste conductrice chargée de poudre de métal. Il peut être de forme circulaire ou rectiligne. *Principe: Le curseur d’un potentiomètre est lié au corps d'épreuve (une membrane ou une capsule) . La déformation de la membrane ou de la capsule entraîne un déplacement Δx du curseur. Manomètre mécanique capteur à colonne de liquide à déformation de solide à tube droit à tube en U à tube incliné à tube en V à membrane à capsule à soufflet à tube de Bourdon résistif inductif capacitif à effet piézoélectrique à variation de fréquence à effet Hall Chapitre III : Capteurs de déformation 2 a.2) Capteurs à jauge de contrainte : La jauge de contrainte ( jauge électrique d’extensiomètrie) est constituée d’un élément métallique ou semi-conducteur ayant une résistance électrique qui varie lorsqu’il subit une déformation . La jauge de contrainte est intégrée dans un film souple qu’on peut coller sur un support . Le tout est collé sur le corps dont on veut mesurer la déformation. *Loi de comportement: L’application d’un effort F sur le support métallique se traduit par une variation relative de la longueur du support induisant une variation relative de la résistance de la jauge. L L K R R ' ' Avec K: facteur de jauge (varie de 2 à 4 pour les jauges métalliques et allant jusqu’à 150 pour les jauges semi-conductrices). 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 :(Ro – R). *Conditionneur de signal (pont de Wheatstone): La tension de sortie v du pont a l'expression suivante : En général, la variation ΔR est petite devant R0; la relation se simplifie alors pour devenir quasi-linéaire : Le montage peut être réalisé avec: -une seule jauge active (montage en quart de pont), -deux jauges actives (demi pont); -quatre jauges actives (pont complet). Ce dernier montage est le montage le plus couramment utilisé pour les capteurs (force, pression…). Rq: On peut améliorer la sensibilité et la linéarité du dispositif en utilisant des jauges symétriques (R0+ R) et ( R0 – R): Chapitre III : Capteurs de déformation 3 b) Capteur capacitif: Un condensateur est composé de deux conducteurs séparés par un isolant. La capacité d’un condensateur s'écrit : C =(ε0×εr× S)/ e Avec: ε0 : permittivité du vide = 8, 8510−12 ; εr : permittivité relative de l’isolant ; S : surface en regard en m2 ; e : épaisseur de l’isolant en m. Principe de fonctionnement : La différence de pression entraîne la variation de l'épaisseur entre les conducteurs, d’où une variation de la capacité . c)capteur inductif: Un bobinage de fils conducteurs, parcouru par un courant électrique, crée un champ magnétique d'induction B. On peut canaliser les lignes de champs en ajoutant un circuit magnétique. On a: N × I = R ×Φ , N Φ = LI d'où L = N2/R Avec: N : nombre de spire de la bobine ; I : courant en A; R : reluctance du circuit magnétique en H−1 ; L :inductance de la bobine en H Φ : flux traversant les spires en Wb. Principe de fonctionnement : Un noyau magnétique se déplace à l'intérieur d'une bobine. Ce déplacement entraîne une variation de l’inductance de la bobine. d) Capteur à effet piézoélectrique Effet piézo-électrique : L'application d'une contrainte mécanique à certains matériaux dits piézo-électriques (le quartz par exemple) entraîne une déformation . Sous l’effet de cette déformation, apparaît des charges de signes contraires sur les faces opposées et donc une différence de potentiel proportionnelle à la force appliquée. Le capteur piézoélectrique est constitué d’un disque pressé entre deux électrodes, de la même manière qu’un condensateur. 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) ( k = constante ). Donc Us = kS ( P + P0 ) = k' ( P + P0 ) d'où 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. Chapitre III : Capteurs de déformation 4 III.2 Capteurs de force: Les Capteurs de force reposent principalement sur la déformation des corps d'épreuve. Les divers corps d'épreuve utilisés sont: -Les ressorts ; -Les poutres encastrées ; -Les tiges ou tubes en traction ; - Les étriers en flexion ; Différentes technologies existent pour mesurer cette déformation. -La transduction résistive ( Potentiomètre , Jauge extensiométrique (ou jauge de contraintes)); -La transduction capacitive ; -La transduction inductive ; -La transduction piezoélectrique ; - Balance de force ; -Capteur tactile: Les capteurs tactiles sont des capteurs de contact destines à assurer les fonctions remplies par les cellules tactiles de la peau. *Principe: Une couche d’élastomère conductrice en sandwich entre des éléments conducteurs. L’application d’une force sur les éléments conducteurs augmentent la surface de contact entre l’élastomère et les conducteurs d'ou la diminution de la résistance. C'est un capteur résistif. *Applications: - la reconnaissance des formes; - la commande des efforts de préhension; - robotique ; biomedical ; écran tactile; clavier.. Corps d'épeuve utilisés pour la mesure de force: poutre encastrée tige rectangulaire en traction tube cylindrique en traction étriers en flexion uploads/Ingenierie_Lourd/ chapitre-3 7 .pdf