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Transducteurs −Modélisations et Applications Page 1 sur 27 Cours de Master 2 -

Transducteurs −Modélisations et Applications Page 1 sur 27 Cours de Master 2 - UE xxx - Module yyy Université du Havre, Janvier 2009. Transducteurs Ultrasonores: Modélisations et Applications Université du Havre, Laboratoire Ondes et Milieux Complexes, Groupe Ondes Acoustiques, CNRS FRE 3102, Le Havre Pierre Maréchal Transducteurs −Modélisations et Applications Page 2 sur 27 Réalisation Modélisation Caractérisation Méthode / Précision Homogénéité / Reproductibilité Précision / Rapidité Conception Introduction Conception d’un transducteur ultrasonore Transducteurs −Modélisations et Applications Page 3 sur 27 Plan I. Capteur I.1) Conversion I.2) Mesure I.3) Incertitude II. Adaptation II.1) Electrique II.2) Acoustique III. Transduction III.1) Matériaux piézo-électriques III.2) Modes de vibration III.3) Couplages électro-mécaniques IV. Modélisation IV.1) 1D IV.2) 2D ou axisymétrique IV.3) 3D IV.4) Rayonnement V. Expérience V.1) Résultats Transducteurs −Modélisations et Applications Page 4 sur 27 Capteur : organe chargé de prélever une grandeur physique à mesurer et de la transformer en une grandeur exploitable. Capteur Mesurande e s Processus physique Affichage Variable physique Variable signal Mesure s = f(e) Lois physiques régissant le capteur Mesure de s Connaissance de e I. Capteur La grandeur physique à mesurer, souvent appelée mesurande, n'est en général pas directement utilisable. Elle constitue la variable d'entrée (ou stimulus) du capteur. 1) Définitions Transducteurs −Modélisations et Applications Page 5 sur 27 e(t) t s(t) t Capteur e(t) s(t) Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur e s →Inconnu →Connu e e2 e1 s2 s1 ei si s Etablissement ⇒ ⇒ ⇒ ⇒étalons de m Exploitation I. Capteur 1) Définitions Correspondance entre s(t) et e(t): fonction de transfert Transducteurs −Modélisations et Applications Page 6 sur 27 Etalonnage Validité d’un étalonnage: s e s = f(e) La répétabilité est la qualité du capteur qui assure l’utilisateur de l’identité de la grandeur de sortie dans des limites spécifiées, chaque fois que ce même capteur est utilisé dans des conditions identiques: même mesurande et mêmes paramètres additionnels. L’interchangeabilité d’une série de capteur d’un même type est la qualité de cette série qui garantie à l’utilisateur des résultats identiques, aux tolérance près, chaque fois qu’un quelconque capteur de cette série est utilisé dans des conditions identiques. l’interchangeabilité résulte de la rigueur des procédés de fabrication et des contrôle en fin de fabrication. I. Capteur 1) Définitions Transducteurs −Modélisations et Applications Page 7 sur 27 Sensibilité d’un capteur e e0 s ∆e ∆s - réponse linéaire pour e < e0 - sensibilité: ds s S de e ∆ = = ∆ Domaine de mesure du capteur Contrainte: constance de la sensibilité dépend de: - la valeur de e (linéarité) - la fréquence de variation de e (bande passante) - temps (vieillissement) - grandeurs physiques parasites (grandeurs d’influence) 1) Définitions I. Capteur Domaine de saturation du capteur ds S de = 0 ds S de = → - réponse faible pour e > e0 - sensibilité: Transducteurs −Modélisations et Applications Page 8 sur 27 Température → → → →Caractéristiques électriques, mécaniques et dimensionnelles enceinte thermostatée Pression, accélération → → → →Déformations enveloppe rigide, supports antivibratoires Humidité → → → →Constante diélectrique, résistivité (isolation électrique ↓ ↓ ↓ ↓) enceinte étanche Champs magnétiques variables ou statiques → → → →f.e.m. induites pour les premiers et augmentation de la résistivité pour les seconds (matériau magnéto-résistant) blindages magnétiques, liaison à la terre Tension d’alimentation (amplitude, fréquence) → → → →Caractéristiques électriques alimentation régulée I. Capteur 1) Grandeurs d’influence e s Variable physique Variable signal Grandeur d’influence Capteur Déduire e de s malgré gi : Réduire l’importance: isolation, blindage… Stabiliser: enceintes, régulation… Compenser: pont de Wheatstone. s = f(e) → s = f(e, g1, g2, …) Idéal → → → → Réel: Grandeurs physiques susceptibles d’entraîner un changement du signal de sortie ⇒ ⇒ ⇒ ⇒Minimiser leurs effets Transducteurs −Modélisations et Applications Page 9 sur 27 • Capteurs passifs: Ils sont en général associés à une source d ’alimentation et présentent une impédance variable : ex: Jauge de contrainte (capteur d ’accélération), Capteurs résistifs (photorésistance), Capacitifs (mesures de déplacement). • Capteurs actifs: Systèmes dont la sortie présente une source f.e.m., courant, charge. ex : Capteur piezo-électrique échographie, Variation de charges, Génératrice tachimétrique (induction E.M.). I. Capteur 2) Types de capteurs Transducteurs −Modélisations et Applications Page 10 sur 27 Définition Fonctionne en générateur. Le capteur actif est généralement fondé sur un effet physique qui assure la conversion en énergie électrique (courant, tension, quantité d’électricité) de l’énergie propre au mesurande (thermique, mécanique, rayonnement). Principaux effets exploités Effet thermo-électrique : circuit de 2 conducteurs de nature différente dont les jonctions sont à des températures T1 et T2 est le siège d ’une f.e.m. e(T1, T2). Application : détermination d’une température à partir de la mesure de e. Effet pyro-électrique : polarisation électrique de certains cristaux fonction de la température. Application : mesure d’un flux de rayonnement lumineux absorbé par un tel cristal. Effet piézo-électrique : l’application d ’une contrainte mécanique sur des matériaux piézoélectriques entraîne une déformation et l’apparition de charges électriques de signes contraires sur les deux faces. Application : mesures de forces ou de grandeurs s’y ramenant (pression, accélération). Mesure de pression acoustique. e T1 T2 M1 M2 M2 2) Capteur actif I. Capteur Transducteurs −Modélisations et Applications Page 11 sur 27 Principaux effets exploités Effet d ’induction électromagnétique : un conducteur se déplace dans un champ d’induction fixe ⇒ ⇒ ⇒ ⇒f.e.m. proportionnelle à la vitesse de déplacement Application : mesure de vitesse de déplacement Effets photoélectriques : libération de charges électriques dans la matière sous l’effet d’un rayonnement EM dont la longueur d’onde est caractéristique du matériau (formule d’Einstein) Effet photoémissif : des électrons libérés sont émis hors du matériau éclairé ⇒ ⇒ ⇒ ⇒courant collecté en appliquant un champ électrique Effet photovoltaïque : des électrons et des trous libérés au voisinage d’une jonction PN éclairée ⇒ ⇒ ⇒ ⇒modification de la tension aux bornes de la jonction. Applications : mesure de grandeurs photométriques en exploitant I ou U fonction de l’éclairement. Ecin = h.f −WA I. Capteur 2) Capteur actif Transducteurs −Modélisations et Applications Page 12 sur 27 I. Capteur 2) Capteur actif Principaux effets exploités Effet Hall : matériau (semi-conducteur) parcouru par un courant I soumis à une induction B faisant un angle θ θ θ θ avec I ⇒ ⇒ ⇒ ⇒tension VH ⊥ ⊥ ⊥ ⊥à B et I : VH = KH.I.B.sin θ θ θ θ où KH : dépend de la nature et dimensions du matériau Application : capteur de position Un aimant lié à l ’objet étudié détermine les valeurs de B et θ θ θ θ au niveau du matériau ⇒ ⇒ ⇒ ⇒VH fonction de la position de l’objet (traduction électrique). Transducteurs −Modélisations et Applications Page 13 sur 27 Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie Température Thermoélectricité Tension Flux de rayonne- ment optique Pyroélectricité Photoémission Effet photovoltaïque Charge Courant Tension Force Pression Accélération Piézoélectricité Charge Vitesse Induction électromagnétique Tension Position Effet Hall Tension I. Capteur 2) Capteur actif Tableau de synthèse Transducteurs −Modélisations et Applications Page 14 sur 27 Mesurande Caractéristique électrique sensible Matériaux Température Très basse température Résistivité Cste diélectrique Métaux, semiconducteurs Verre Flux de rayonnement optique Résistivité Semi conducteur Déformation Résistivité Perméabilité électrique Alliage de Ni, SI dopé Alliages ferromagnétiques Position (aimant) Résistivité Matériaux magnéto- résistants : bismuth, … Niveau Cste diélectrique Liquides isolants Humidité Résistivité Cste diélectrique Chlorure de lithium Polymères I. Capteur 2) Capteur passif Définition Impédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande. Tableau de synthèse Transducteurs −Modélisations et Applications Page 15 sur 27 • La chaîne de mesures est constituée de l’ensemble des dispositifs, y compris le capteur, rendant possible dans les meilleurs conditions la détermination précise de la valeur du mesurande (ex : la température, pression,...). • A la sortie de la chaîne: le signal électrique reçu est traité et converti sous une forme qui rend possible la lecture de la valeur cherchée d’une mesure. • A l’entrée de la chaîne: le capteur est soumis à l’action du phénomène physique (mesurande). Il permet de transformer l’action du mesurande en signal électrique utilisable dans la chaîne de mesure. I. Capteur Définitions 2) Chaîne de mesure Transducteurs −Modélisations et Applications Page 16 sur 27 Chaîne de mesure = Capteur + Ensemble des dispositifs permettant la détermination optimale du mesurande. I. Capteur 2) Chaîne de mesure A l’entrée de la chaîne: Injection du signal électrique issu du capteur soumis à l’action du mesurande. A la sortie de la chaîne: Conversion du signal électrique pour sa lecture directe: → → → →appareil à cadre mobile → → → →enregistrement graphique ou oscillographique → → → →affichage ou impression d’un nombre Nécessité détalonner toute la chaîne de mesure Cas le plus simple: Capteur - Etalonneur éventuel - Appareil de lecture Exemples: - thermocouple + voltmètre - jauge de contrainte + pont de Wheatstone + voltmètre Transducteurs −Modélisations et Applications Page 17 sur 27 Pour des raisons de coût et/ou de facilité d’exploitation, le capteur n’est pas sensible au mesurande mais à un de uploads/Sante/ transducteurs-1-capteurs-pdf.pdf