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Transducteurs − Modélisations et Applications Page 1 sur 27

Cours de Master 2 - UE xxx - Module yyyUniversité du Havre, Janvier 2009.

Transducteurs Ultrasonores:Modélisations et Applications

Université du Havre, Laboratoire Ondes et Milieux Compl exes, Groupe Ondes Acoustiques , CNRS FRE 3102, Le Havre

Pierre Maréchal


RéalisationModélisation

Caractérisation

Méthode/ Précision

Homogénéité/ Reproductibilité

Précision / Rapidité

Conception

Introduction

Conception d’un transducteur ultrasonore


Plan

I. CapteurI.1) ConversionI.2) MesureI.3) Incertitude

II. AdaptationII.1) ElectriqueII.2) Acoustique

III. TransductionIII.1) Matériaux piézo-électriquesIII.2) Modes de vibrationIII.3) Couplages électro-mécaniques

IV. ModélisationIV.1) 1DIV.2) 2D ou axisymétriqueIV.3) 3DIV.4) Rayonnement

V. ExpérienceV.1) Résultats


Capteur : organe chargé de prélever une grandeur physique à mesurer et de la transformer en une grandeur exploitable.

CapteurMesurande

e s

Processusphysique

Affichage

Variablephysique

Variablesignal

Mesure

s = f(e)Lois physiquesrégissant 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


e(t)

ts(t)

t

Capteur

e(t)

s(t)

Courbe d’étalonnage ou calibration d ’un capteur

e

s

→ Inconnu

→ Connu

ee2e1

s2

s1

ei

si

s

Etablissement ⇒⇒⇒⇒ étalons de m Exploitation

I. Capteur

1) Définitions

Correspondance entre s(t) et e(t): fonction de transfe rt


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


Sensibilité d’un capteur

ee0

s

∆e

∆s

- réponse linéaire pour e< e0

- sensibilité: ds sS

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’influenc e)

1) Définitions

I. Capteur

Domaine de saturationdu capteur

dsS

de=

0ds

Sde

= →

- réponse faible pour e> e0

- sensibilité:


Température →→→→ Caractéristiques électriques, mécaniques et dimensi onnelles� enceinte thermostatée

Pression, accélération →→→→ Déformations� enveloppe rigide, supports antivibratoires

Humidité →→→→ Constante diélectrique, résistivité (isolation élect rique ↓↓↓↓)� enceinte étanche

Champs magnétiques variables ou statiques →→→→ f.e.m. induites pour les premierset augmentation de la résistivité pour les seconds ( matériau magnéto-résistant)

� blindages magnétiques, liaison à la terreTension d’alimentation (amplitude, fréquence) →→→→ Caractéristiques électriques

� alimentation régulée

I. Capteur

1) Grandeurs d’influence

e s

Variable physique

Variable signal

Grandeur d’influence

CapteurDéduire ede smalgré 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 cha ngement du signal de sortie ⇒⇒⇒⇒ Minimiser leurs effets


• 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


DéfinitionFonctionne en générateur . Le capteur actif est généralement fondé sur un effe t physiquequi assure la conversion en énergie électrique (cou rant, tension, quantité d’électricité) del’énergie propre au mesurande (thermique, mécanique , rayonnement).

Principaux effets exploités

Effet thermo-électrique : circuit de 2 conducteurs de nature différentedont les jonctions sont à des températures T1 et T2 est le siège d ’unef.e.m. e(T1, T2). Application : détermination d’une température à partirde la mesure de e.

Effet pyro-électrique : polarisation électrique de certains cristauxfonction de la température. Application : mesure d’ un flux derayonnement lumineux absorbé par un tel cristal.

Effet piézo-électrique : l’application d ’une contrainte mécaniquesur des matériaux piézoélectriques entraîne une déf ormation et l’apparition de charges électriques de signes contr aires sur les deux faces. Application : mesures de forces ou de g randeurs s’yramenant (pression, accélération). Mesure de pressi on acoustique.

e

T1T2

M1

M2 M2

2) Capteur actif

I. Capteur



Effet d ’induction électromagnétique :un conducteur se déplace dans un champ d’induction fixe⇒⇒⇒⇒ f.e.m. proportionnelle à la vitesse de déplacementApplication : mesure de vitesse de déplacement

Effets photoélectriques :libération de charges électriques dans la matière s ous l’effetd’un rayonnement EM dont la longueur d’onde est car actéristiquedu matériau (formule d’Einstein)

Effet photoémissif :des électrons libérés sont émis hors du matériau éc lairé⇒⇒⇒⇒ courant collecté en appliquant un champ électrique

Effet photovoltaïque :des électrons et des trous libérés au voisinage d’u ne jonction PN éclairée⇒⇒⇒⇒ modification de la tension aux bornes de la jonctio n.Applications : mesure de grandeurs photométriques

en exploitant I ou U fonction de l’éclairement.

Ecin = h.f − WA

I. Capteur

2) Capteur actif


I. Capteur

2) Capteur actif


Effet Hall :matériau (semi-conducteur) parcouru par un courant Isoumis à une induction B faisant un angle θθθθ avec I⇒⇒⇒⇒ tension V H ⊥⊥⊥⊥ à B et I :

VH = KH.I.B.sin θθθθ

où K H : dépend de la nature et dimensions du matériau

Application : capteur de positionUn aimant lié à l ’objet étudié détermine les valeurs d e Bet θθθθ au niveau du matériau ⇒⇒⇒⇒ VH fonction de la positionde l’objet (traduction électrique).


Mesurande Effet utilisé Grandeur de sortie

Température Thermoélectricité Tension

Flux de rayonne-ment optique

PyroélectricitéPhotoémissionEffet photovoltaïque

ChargeCourantTension

ForcePressionAccélération

Piézoélectricité Charge

VitesseInductionélectromagnétique Tension

Position Effet Hall Tension

I. Capteur

2) Capteur actif

Tableau de synthèse


Mesurande Caractéristiqueélectrique sensible

Matériaux

Température

Très basse température

Résistivité

Cste diélectrique

Métaux, semiconducteurs

VerreFlux de rayonnementoptique Résistivité Semi conducteur

Déformation RésistivitéPerméabilité électrique

Alliage de Ni, SI dopéAlliages ferromagnétiques

Position (aimant) RésistivitéMatériaux magnéto-résistants : bismuth, …

Niveau Cste diélectrique Liquides isolants

HumiditéRésistivitéCste diélectrique

Chlorure de lithiumPolymères

I. Capteur

2) Capteur passif

DéfinitionImpédance dont l’un des paramètres déterminants est sensible au mesurande.

Tableau de synthèse


• 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


Chaîne de mesure = Capteur + Ensemble des dispositi fspermettant la détermination optimale du mesurande.

I. Capteur


A l’entrée de la chaîne :Injection du signal électrique issu du capteur soum is à l’action du mesurande.

A la sortie de la chaîne :Conversion du signal électrique pour sa lecture dir ecte:

→→→→ 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 + voltmèt re


Pour des raisons de coût et/ou de facilité d’exploit ation, le capteur n’est pas sensible au mesurande mais à un de ses effets.

Corps d’épreuve:Permet de traduire le mesurande primaire en mesurande secondaire .

Structure d’un capteur composite:

Corps d’épreuveCapteur passifou secondaire

mesurandeprimaire

mesurandesecondaire

signalélectrique

Très utilisé pour la mesure des grandeurs mécaniques ⇒⇒⇒⇒ déformationsou déplacements du corps d’épreuve auxquelles est s ensible le capteur.

Exemple: Microphone électrodynamique La membrane constitue le corps d’épreuve.

�� Mesurande primaire: pression acoustique�� Mesurande secondaire: déplacement de la membrane

I. Capteur

2) Corps d’épreuve, capteur composite


Mais contraintes : - environnementales- exploitation optimale du signal d ’entrée

MUXanalogique

N voies��1

Disques

Ech-bloqueur CAN

Mémoireprogramme

donnéesMicropro

Interfacesentrée/sortie

AffichageClavier Calculateur

1

2

N

N capteurs

Ampli

Contrôle

I. Capteur


Cas 1: Chaîne contrôlée par microprocesseur


Cas 2 : Chaîne avec conversion tension-fréquence : transmission bifilaire

1

2

n

N capteurs

MUXanalogiquen voies -> 1

ampliConvertisseurtension-fréquence

Compteur

Diviseur

horloge

Décodeur

Affichagemesure

Affichagen°°°° voie

Décodeur

Compteur

Décodeur

Compteur

I. Capteur



Corps d ’épreuve(éventuel)

Capteur passifou actif

mesurande Electroniqueassociée

Liaisons(signal et

alimentation)

Substrat Si

Contrainte thermique: −50°C < T < 150°C

Intégration ⇒ miniaturisation, coûts ↓, fiabilité ↑, protection contre parasites

Capteur simple → Exploiter la sensibilité du Si à différentes grandeurs physiques:- Résistances thermométriques, jauges extensiométriques,photocapacités, plaquettes à effet Hall, photo-diodes etphoto-transistors, transistors thermométriques, ISFET, GASFET.

I. Capteur

2) Capteur intégré

Composant réalisé par les techniques microélectroniques


a) Accéléromètre (poutre) b) Capteur de pression (diaphragme)

I. Capteur


Capteur composite: � Corps d’épreuve en Si (ESi≈Eacier) par micro-usinage chimique.


Accéléromètre intégré

Cas général électronique intégrée :compensation thermique, linéarisation, amplificatio n, conversion pour transmission, ….

I. Capteur



Grandeur à mesurer

Grandeur d’in

fluence

Domaine Nominal d’Utilisation

Etendue de Mesure (EM)

DNU : Répétabilité sans que les caractéristiques du capteur soient altérées

I. Capteur

2) Caractéristiques métrologiques


Grandeur à mesurer

Grandeur d’in

fluence

Domaine de Non Détérioration

DNDétérioration : plage de surcharge que le capteur peut supporter



I. Capteur



Domaine de Non Destruction

DNDestruction : les caractéristiques sont irréversiblement altérées >étalonnage

Grandeur à mesurer

Grandeur d’in

fluence

Domaine de Non Détérioration



I. Capteur



• Erreur de mesure: Ecart entre valeur mesurée et valeur vraie:- Erreur systématique (corrigée ou non),- Incertitude de mesure (estimée).

• Erreurs systématiques (causes systématiques que l’on peut calculer et éventuellement corriger): - de zéro, d’étalonnage,- provoquées par les grandeurs d’influence,- dues aux sources d ’alimentation, dérives, offset,- de linéarité.

• Incertitudes (causes accidentelles non répétitives non corrigibles) liées: - indéterminations intrinsèques au système (hystérésis),- signaux parasites (nature aléatoire),- grandeurs d’influence non contrôlées.

I. Capteur

3) Erreurs et incertitudes


• Fidélité: Aptitude d ’un instrument à donner des indications exemptes d ’erreurs systématiques (faible écart-type).

• Justesse: Aptitude d ’un instrument à donner des indications exemptes d ’erreurs systématiques.

Pas juste Juste

Pas fidèle

Fidèle

Le centre représente la valeur vraie

I. Capteur

3) Fidélité, justesse et exactitude

• Exactitude: Un système exact est juste et fidèle.

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