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FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE Fiche professeur 2 Texte de TP

FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE Fiche professeur 2 Texte de TP 3 Grille d’évaluation commentée 5 Compte rendu succinct 6 Commentaires 9 Fiche Professeur Pré requis  Fin du cours d’électronique de la classe de PCSI.  Connaissance des méthodes possibles de tracé d’une caractéristique statique  Au moins un TP mettant en œuvre un amplificateur opérationnel  Bonne maîtrise des appareils usuels en électronique : GBF, oscilloscope et acquisition par ordinateur Conditions de mise en œuvre Effectif : 24 élèves répartis en 12 binômes Liste du matériel : Paillasse élèves :  Un ordinateur avec le logiciel « Synchronie » et sa carte d’acquisition  Grande plaquette intégrant un A.O.  Une alimentation +15/-15 V  Une boite de capacités réglables  Une boîte de résistances réglables  Un oscilloscope numérique  Un GBF  Une bobine de 1000 spires (inductance de l’ordre de 40 - 50 mH)  Une masse métallique : noyau de fer par exemple Matériel commun :  Un jeu d’une dizaine de résistances (non montées) de différentes valeurs : de 10 Ω à 1 MΩ  Un multimètre mesurant les inductances et les résistances Déroulement de l’activité Cette activité est une synthèse de savoir faire étudiés séparément dans des activités précédentes : tracé de caractéristique statique, utilisation d’un amplificateur opérationnel (montage, problèmes de saturation, etc.), acquisition d’un signal par ordinateur, sensibilisation aux contraintes de la liaison masse, etc. Ce TP a été testé après 5 TP d’électronique : 1 centré sur le continu, 2 sur l’utilisation du GBF et de l’oscilloscope, 1 sur les régimes transitoires et sinusoïdaux forcés et 1 sur l’A.O. en régime linéaire. Le texte est volontairement succinct pour laisser une relative autonomie à l’élève afin de le laisser réinvestir ce qu’il a appris précédemment et d’observer ses réactions face à des problèmes nouveaux. Cette activité est uniquement formative. Il est l’occasion de faire le point avec les élèves sur l’état d’avancement de leurs savoir-faire expérimentaux en électronique. Elle peut également être couplée à un devoir en temps libre sur l’oscillateur à boucle inductive comme celui de l’épreuve de Centrale PSI 2007 (texte adapté pour la classe de PCSI) 2/9 Durée 3 h Activité Formative Expérimentale Physique PCSI Fabrication d’un détecteur à boucle inductive ELECTROCINETIQUE FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE Les détecteurs de véhicules dits à boucle inductive sont actuellement de loin les plus répandus, tant pour le contrôle des flux sur autoroutes que pour la détection automatique pour le déclenchement de feux tricolores ou de barrières de sécurité. Cette activité propose d’étudier le principe et la mise en œuvre d’un tel détecteur. Instructions Cette activité expérimentale fera l’objet d’une évaluation formative codifiée, la grille d’évaluation jointe identifie les compétences mobilisées. Un seul compte rendu, concis, est demandé par binôme. Les questions placent en général le binôme dans une situation ouverte où toute initiative sera la bienvenue. Dans plusieurs questions, un « appel professeur » est indiqué par le pictogramme suivant : Si le professeur n’est pas disponible immédiatement, continuez d’avancer dans la réalisation du TP. Lors du passage du professeur, il s’agira d’exposer le protocole, d’indiquer les paramètres choisis, de présenter les résultats expérimentaux, mais cela peut être aussi l’occasion de discuter de la pertinence d’un modèle, de la précision des mesures, etc. Présentation Le principe de fonctionnement d’un détecteur à boucle inductive est le suivant : un enroulement de fil électrique placé dans une tranchée rectangulaire en travers de la chaussée (cf. figure ci- dessous) est relié à une borne contenant un oscillateur quasi-sinusoïdal. Ce dernier génère dans la boucle un courant sinusoïdal qui crée au dessus de celle-ci un champ électromagnétique lui-même sinusoïdal. Lorsqu’un véhicule est à proximité immédiate de la boucle, ce champ induit des courants de Foucault à la surface de celui-ci. Ces derniers ont pour effet de modifier l’inductance de l’enroulement et donc la fréquence de l’oscillateur. Un fréquencemètre permet ainsi de détecter le véhicule passant au dessus de la boucle. Le TP propose d’élaborer un oscillateur quasi-sinusoïdal simplifié et de mesurer la sensibilité de la boucle de détection. I – Fabrication d’une résistance négative On considère le dipôle AB ci-contre. Dans le cas où l’amplificateur opérationnel (supposé idéal et de gain infini) fonctionne en régime linéaire, le dipôle se comporte comme une résistance négative de valeur avec . On désire faire une acquisition par ordinateur (avec « Synchronie ») afin de tracer la caractéristique statique courant- tension expérimental V = f(I) de ce dipôle. 3/9 Circuit de détection V I R1 R2 R A B 1. Elaborer un protocole et un schéma de montage que l’on présentera oralement au professeur. 2. Réaliser le montage complet et présenter au professeur la courbe V = f(I) obtenue à l’ordinateur. Préciser le réglage des instruments employés, les valeurs choisies pour les différents paramètres, les grandeurs à mesurer, la durée d’acquisition, etc., et les raisons éventuelles de ces choix. 3. A partir de la courbe V = f(I), déterminer expérimentalement la valeur de Rn, en précisant la méthode utilisée. Comparer avec la valeur attendue. 4. Complément éventuel : Que se passe-t-il lorsque l’on s’éloigne trop de la zone centrale (V = 0, I = 0) de la caractéristique ? A quel phénomène cela est-il dû ? Indiquer un moyen de le vérifier expérimentalement et le faire apparaître sur la caractéristique statique. II – Elaboration de l’oscillateur On élabore dans cette partie un montage générant spontanément des oscillations, sans source alternative extérieure, la fréquence des oscillations dépendant des caractéristiques du circuit. Pour jouer le rôle de la boucle inductive, on prendra une bobine de 1000 spires d’inductance L. 1. Montrer rapidement que pour une valeur particulière de R, le montage ci-contre peut être le siège d’oscillations sinusoïdales non amorties dont on exprimera la fréquence . 2. Réaliser le montage afin d’observer des oscillations de fréquence voisine de 1 kHz. Observer le déclenchement des oscillations de V(t) en jouant sur R. 3. Déterminer expérimentalement la valeur de R à partir de laquelle démarrent les oscillations et la comparer à la valeur attendue. III – Détection d’un véhicule 1. Approcher une masse métallique de la bobine et observer quantitativement la variation de fréquence des oscillations. 2. Imaginer un système permettant de détecter qualitativement ces variations de fréquences. 3. Le mettre en œuvre si le temps le permet. 4/9 L C R0 V(t) I(t) R1 R2 R A B NOMS : Date : Prénoms : Fabrication d’un détecteur à boucle inductive Parties Observables Barème Comp Remarques : ACQ N.A - Appliquer les consignes APP Vous êtes en autonomie. Il faudra prendre des initiatives (concertées avec le professeur) en cas de problèmes. I. Fabrication de la résistance négative - Proposition du montage de base - Justification du protocole - Justification des valeurs des paramètres (R, fréquence) - Réalisation du montage (code couleur fil, organisation) - Maîtrise de l’AO (alimentation, masse) - Mesure de Rn et validation du modèle - Penser à tester différentes valeurs de R - Réactions face à la saturation - Explications ou hypothèses de l’hystérésis pour - Validation expérimentale des hypothèses ANA ANA ANA REA REA VAL AUTO AUTO ANA VAL Il faut une source externe car la caractéristique passe par l’origine. Au départ, montage de base avec GBF assez basse fréquence (pour se rapprocher du continu) + résistance et acquisition V et I. Tester à plus haute fréquence pour valider l’utilisation de la caractéristique à 1kHz (cf II) Choix de R1=R2 pour faire simple, valeurs raisonnables (~1k). Si R trop grand, hystérésis à cause de la saturation. Observer les réactions et aider en donnant l’allure de la caractéristique. En italique, partie facultative II. Elaboration de l’oscillateur - Mesure de L à l’impédance mètre - Choix de C et de R0 (sensibilité du montage) - Valeur de R pour oscillations (théo./exp.) AUTO ANA VAL Prendre R0 pas trop petite pour la sensibilité du réglage de R. Penser à mesurer L pour calculer C. III. Détection de véhicule - Comparer variation de fréquence et variation de L - Montage de détection complémentaire (Passe Bande) - Réalisation du montage complémentaire. AUTO ANA REA Penser à rapprocher variation de fréquence et variation de L. Penser à mesurerla variation de L à l’impédancemètre. Compétences communes - Maîtrise de l’oscilloscope - Maîtrise du GBF - Maîtrise de l’acquisition - Présentation orale - Recherche défauts éventuels - Organisation générale de la paillasse (couleurs des fils..) - Travailler en équipe REA REA REA COM AUTO REA AUTO AC/DC, Synchronisation Problèmes de masses communes Acquisition, modélisation adaptée. Présentation des incertitudes, nombre de chiffres significatifs Compte rendu écrit COM Grille d’évaluation 5/9 FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE I - Fabrication d’une résistance négative On réalise le montage ci-contre avec . Le GBF délivre une tension sinusoïdale de fréquence . On fait les acquisitions sur synchronie avec les entrées du montage. L’entrée EA_1 donne V(t). Le calcul (EA_0-EA_1)/R0 donne I(t). On effectue les acquisitions du tableau ci- dessous. Les fichiers portent le nom Acquisn.SN2 où n est le numéro de l’acquisition. On observe typiquement une acquisition comme uploads/Industriel/ boucle-inductive-psci-03-2011-7.pdf