Capteur piézoélectrique :circuit, spécifications et applications

Capteurs sont des dispositifs utilisés pour détecter ou capter les différents types de grandeurs physiques de l'environnement. L'entrée peut être de la lumière, de la chaleur, du mouvement, de l'humidité, de la pression, des vibrations, etc. La sortie générée est généralement un signal électrique proportionnel à l'entrée appliquée. Cette sortie est utilisée pour calibrer l'entrée ou le signal de sortie est transmis sur un réseau pour un traitement ultérieur. En fonction de l'entrée à mesurer, il existe différents types de capteurs. thermomètre à base de mercure agit comme un capteur de température , un capteur d'oxygène dans le système de contrôle des émissions des voitures détecte l'oxygène, le capteur photo détecte la présence de lumière visible. Dans cet article, nous décrirons le capteur piézoélectrique . Veuillez consulter le lien pour en savoir plus sur l'effet piézoélectrique.

Définition d'un capteur piézoélectrique

Un capteur qui fonctionne sur le principe de la piezoélectricité est connu comme un capteur piézoélectrique. Où la piézoélectricité est un phénomène où de l'électricité est générée si une contrainte mécanique est appliquée à un matériau. Tous les matériaux n'ont pas de caractéristiques piézoélectriques.

Il existe différents types de matériaux piézoélectriques. Exemples de matériaux piézoélectriques sont du quartz monocristallin naturel disponible, de l'os, etc. Fabriqués artificiellement comme de la céramique PZT, etc..

Fonctionnement d'un capteur piézoélectrique

Les grandeurs physiques couramment mesurées par un capteur piézoélectrique sont l'accélération et la pression. Les capteurs de pression et d'accélération fonctionnent tous deux sur le même principe de piézoélectricité, mais la principale différence entre eux réside dans la manière dont la force est appliquée à leur élément de détection.

Dans le capteur de pression, une fine membrane est placée sur une base massive pour transférer la force appliquée à l'élément piézoélectrique . Lors de l'application d'une pression sur cette fine membrane, le matériau piézoélectrique se charge et commence à générer des tensions électriques. La tension produite est proportionnelle à la quantité de pression appliquée.

Dans les accéléromètres , la masse sismique est attachée à l'élément cristallin pour transférer la force appliquée aux matériaux piézoélectriques. Lorsqu'un mouvement est appliqué, la charge de masse sismique est le matériau piézoélectrique selon la deuxième loi de Newton de mouvement. Le matériau piézoélectrique génère une charge utilisée pour l'étalonnage du mouvement.

Un élément de compensation d'accélération est utilisé avec un capteur de pression car ces capteurs peuvent capter des vibrations indésirables et afficher de fausses lectures.

Circuit de capteur piézoélectrique

Un circuit interne de capteur piézoélectrique est donné ci-dessus. La résistance Ri est la résistance interne ou résistance d'isolement. L'inductance est due à l'inertie du capteur. La capacité Ce est inversement proportionnelle à l'élasticité du matériau du capteur. Pour une réponse correcte du capteur, la charge et la résistance de fuite doivent être suffisamment grandes pour que les basses fréquences soient préservées. Un capteur peut être appelé un capteur de pression dans un signal électrique. Les capteurs sont également appelés transducteurs principaux.

Spécifications du capteur piézoélectrique

Certaines des caractéristiques de base des capteurs piézoélectriques sont

• • La plage de mesure : Cette plage est soumise à des limites de mesure.

• • Sensibilité S : Rapport du changement du signal de sortie ∆y au signal qui a causé le changement ∆x.
    S =∆y/∆x.
  • Fiabilité : Cela explique la capacité des capteurs à maintenir les caractéristiques dans certaines limites dans des conditions opérationnelles définies.

En plus de celles-ci, certaines des spécifications des capteurs piézoélectriques sont un seuil de réaction, des erreurs, un temps d'indication etc…

• Ces capteurs contiennent une valeur d'impédance 500Ω.
• Ces capteurs fonctionnent généralement dans une plage de température d'environ -20°C à +60°C.
• Ces capteurs doivent être conservés à une température comprise entre -30°C et +70°C pour éviter leur dégradation.
• Ces capteurs ont une très faible soudure température.
• La sensibilité à la déformation d'un capteur piézoélectrique est de 5 V/µƐ.
• En raison de sa grande flexibilité, le quartz est le matériau le plus préféré comme capteur piézoélectrique.

Capteur piézoélectrique utilisant Arduino

Comme nous devons savoir ce qu'est un capteur piézoélectrique, regardons une application simple de ce capteur à l'aide d'Arduino. Ici, nous essayons d'activer une LED lorsque le capteur de pression détecte une force suffisante.

Matériel requis

• Carte Arduino .
• Capteur de pression piézoélectrique.
• LED
• Résistance 1 MΩ.

Schéma de circuit :

• Ici, le fil positif du capteur indiqué par un fil rouge est connecté à la broche analogique A0 de la carte Arduino tandis que le fil négatif indiqué par un fil noir est connecté à la terre.
• Une résistance de 1 MΩ est connectée en parallèle à l'élément piézoélectrique pour limiter la tension et le courant produits par l'élément piézoélectrique et pour protéger l'entrée analogique des vibrations indésirables.
• L'anode LED est connectée à la broche numérique D13 de l'Arduino et la cathode est connectée à la terre.

Fonctionnement

Une valeur seuil de 100 est définie sur le circuit afin que le capteur ne soit pas activé pour des vibrations inférieures au seuil. Ainsi, nous pouvons éliminer les petites vibrations indésirables. Lorsque la tension de sortie générée par l'élément capteur est supérieure à la valeur seuil, la LED change d'état, c'est-à-dire que si elle est à l'état HAUT, elle passe à BAS. Si la valeur est inférieure au seuil, la LED ne change pas d'état et reste dans son état précédent.

Code

const int ledPin =13 ; //LED connectée à la broche numérique 13
const int Capteur =A0 ; // Capteur connecté à la broche analogique A0
const int seuil =100 ; // Le seuil est défini sur 100
int capteurLecture =0 ; // variable pour stocker la valeur lue sur la broche du capteur
int ledState =FAIBLE; // variable utilisée pour stocker le dernier état de la LED, pour basculer la lumière

configuration void()
{
pinMode(ledPin, OUTPUT); // déclare le ledPin comme OUTPUT
}

void loop()
{
// lit le capteur et le stocke dans la variable sensorReading :
sensorReading =analogRead(Sensor);

// si la lecture du capteur est supérieure au seuil :
if (sensorReading>=seuil)
{
// basculer l'état du ledPin :
ledState =!ledState ;
// mettre à jour la broche LED :
digitalWrite(ledPin, ledState);
delay(10000) ; // retard
}
else
{
digitalWrite (ledPin, ledState); // l'état initial de la LED, c'est-à-dire LOW.
}
}

Applications de capteurs piézoélectriques

• • Les capteurs piézoélectriques sont utilisés pour la détection des chocs .

• • Les capteurs piézoélectriques actifs sont utilisés pour la jauge d'épaisseur, le capteur de débit.

• • Les capteurs piézoélectriques passifs sont utilisés comme microphones, accéléromètre, micros musicaux etc…

• • Les capteurs piézoélectriques sont également utilisés pour l'imagerie par ultrasons.
  • Ces capteurs sont utilisés pour les mesures optiques, les mesures micro-mobiles, l'électroacoustique etc…

Ainsi, il s'agit de ce qu'est un capteur piézoélectrique, de ses propriétés, de ses spécifications et également de l'interfaçage simple du capteur à l'aide d'une carte Arduino. Ces capteurs simples d'utilisation trouvent leur place dans diverses applications. Comment avez-vous utilisé ces capteurs dans votre projet ? Quel a été le plus grand défi que vous ayez rencontré lors de l'utilisation de ces capteurs ?