8 Capteurs et circuits associés aux capteurs

On peut distinguer deux types de circuits :

des circuits indispensables au fonctionnement des capteurs passifs. (indispensables car ils ne génèrent pas spontanément de sortie)
des circuits de conditionnement du signal, qu’ils soient générés par des capteurs actifs ou passifs.

8.1 Capteurs à résistance variable (passif)

voir les TP de Résistance des Matériaux

Les jauges sont des résistances dont la valeur varie sous l’effet d’une déformation (extension, compression, flexioin, torsion) ou par pression.
Lorsqu’elles sont collées sur une structure, elles permettent d’en mesurer les déformations, même à des fréquences élevées, jusqu’à 50 kHz.
Lorsque l’on déforme un fil résistant, il s’allonge, sa section diminue, et sa résistance électrique augmente.
Dans une limite d’utilisation dépendant de la réalisation de la jauge (matériaux et géométrie), la variatiion relative de la déformatioin est proportionnelle à l’allongement relatif : \frac{\Delta R}{R_0}= K \frac{\Delta \ell}{\ell} où R_0 est la résistance de la jauge au repos, \Delta R la variation de longueur, \ell la longueur au repos, \Delta \ell la variation de longueur (de 10^{-1} à 10^{-7} selon l’allongement), et K est un facteur de jauge, nombre sans dimension, valant de 0 à 4 pour des jauges métalliques, 2 pour le constantan (alliage métallique), >100 pour des semi conducteurs.
On insère cette résistance dans un circuit électrique (généralement un pont), afin de mesurer la déformation.
Utilisé dans de nombreuses applications et dans divers capteurs (jauges d’exensiométrie, capteurs de force, capteurs de pression, balances, accéléromètres, … )
Utilisé dans des capteurs “classiques” avec des conducteurs métalliques ou en matériaux semi conducteurs dans des MEMS

Exemple : jauge simple dans un pont de Wheastone.

On insère la jauge dans un pont de Wheastone alimenté par une source de tension E
Si la résistance d’entrée de l’appareil mesurant la tension V est très grande devant les autres (courant négligeable), et en tenant compte que la variation de résistance \Delta R est faible devant R_0, alors le signal de mesure vaut approximativement: V \simeq \frac{\Delta R}{4 R_0} E

jauge simple jauge simple dans un pont de pont de Wheastone

Si on colle une jauge sur une lame dont on connait la géométrie, le matériau et les propriétés (notamment le module d’Young), et que cette lame est étirée sous l’action d’une contraine, alors en mesurant sa déformation, on peut en déduire la contrainte. La lame est dans ec cas un corps d’épreuve. On peut avec ce principe mesurer indirectement une force, un couple, une pression (via la mesure de la déformation d’une membrane).
On trouve des jauges plus complexes pour mesurer le cisaillement, la torsion, etc.
On utilise souvent des montages à plusieurs jauges, selon différents montages
- Montages à 2 jauges pour augmenter la sensibilité
- Montages à 4 jauges pour compenser les variations résistance dues aux varations de température
  - deux jauges mesurent les déformations, mais sont aussi sensibles aux vaariations de température
  - deux autres sont sur un support indéformable, leur résistance varie aussi avec la température \Longrightarrow jauges de compensation thermique.

Comme la tension mesurée est faible avec les capteurs de ce type monté en jauge, il faut amplifier le signal avec des amplificateurs précis et stables (amplificateurs d’instrumentation).

voir le TP de thermométrie (BUT 1, SAE 2;5)

  [wikipedia](https://fr.wikipedia.org/wiki/Thermocouple)

La capacité d’un condensateur dépend :
- de la surface active S
- de la distance entre les armatures d
- de la permittivité relative \varepsilon_r du milieu diélectrique entre les armatures du condensateur

C = \varepsilon_0 \varepsilon_r \frac{S}{d}

En fonction de la conception et de la réalisation, on peut réaliser des capteurs pour mesurer différentes grandeurs en faisant varier l’un de ces 3 paramètres
- capteurs de proximité
- capteurs de pression, microphones
- capteurs de déplacement linéaire ou angulaire
- capteurs de niveau de liquide ou d’humidité
Différents types de circuits peuvent être associés à ce type de capteur
- amplificateurr de charge (convertisseur charge - tension), comme pour les capteurs de pression à membrane
- mesure de tension aux boornes d’un pont alimenté en alternatif
- modification de la fréquence de résonance d’un oscillateur dont la fréquence dépend de la capacité.

a compléter

Sources

Références