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1 OLYMPIADES DE PHYSIQUE France Année 2010-2011 XVIIIe édition Proteus Robot dé

1 OLYMPIADES DE PHYSIQUE France Année 2010-2011 XVIIIe édition Proteus Robot détecteur de mines. Elèves participants : Cano Manon Garric Justine Labat Bastien Kopp Paul-Emile Petitpas Guillaume Avec LACLAVERIE Jean-Michel Professeur encadrant Lycée Bernard Palissy- AGEN Académie de Bordeaux 2 Table des matières Résumé Partenaires Mots clefs Introduction 1- Détecteur de métaux à battements 1.1- Principe de la détection 1.2- Les détecteurs à battements 1.3- Montage et tests du détecteur à battements 1.3.1 L’oscillateur à réaction 1.3.2 La multiplication des signaux 1.3.3 Changements de perspectives 2- Le détecteur à filtre passe-bande de bande passante variable 2.1- Modification du montage précédent 2.2- Test d’un premier filtre 2.3- Performances et choix des composants 2.4- Les dispositifs d’alerte et d’arrêt 2.5- Le robot en fonctionnement Conclusion 3 Résumé : Nous avons fabriqué un détecteur de métaux, porté par une voiture télécommandée. Dans le cas de la recherche d’un modèle de mine anti-personnelle, seul le robot est en danger, pas l’opérateur. La détection d’un objet métallique par la bobine entraîne l’arrêt du véhicule et le signalement de l’objet par un son et l’allumage d’une lampe. La variation de fréquence est convertie en tension pour déclencher l’arrêt du robot, par l’intermédiaire d’un transistor de puissance et d’un montage comparateur. Nous avons essayé de réaliser un montage efficace et simple car nous n’avons aucun enseignement d’électronique au lycée. Notre système est suffisamment performant pour révéler la présence d’un objet métallique de 100 g enfoui à 10 cm. Toutes nos connaissances actuelles en électronique ont été acquises grâce à ce travail. Partenaires : Radio-modèle 47 Mots clefs : Induction, bobine détectrice, filtre actif à bande passante variable, robot. Introduction Le cours de physique de Première S aborde l’électromagnétisme, les aimants et les bobines, les moteurs et les haut-parleurs. Notre professeur de physique nous a montré en cours la bobine d’un détecteur de métaux. Nous cherchions un sujet pour les Olympiades de physique et nous l’avons trouvé ce jour-là : fabriquer un robot détecteur de métaux. Les premiers détecteurs de métaux sont apparus vers la fin de la 2nde guerre mondiale après les travaux de Józef Kosacki. Ils ont d’abord servi au déminage et à d’autres utilisations militaires avant d’être des outils pour l’archéologie et les chercheurs de trésors. Une caractéristique importante d’un détecteur de métaux est la sensibilité. Elle va déterminer le type d’objet qu’il est possible de trouver et leur profondeur. Notre première piste de travail a été un montage utilisant les battements de deux fréquences proches, celle d’un oscillateur fixe et celle de l’oscillateur dont la fréquence varie à cause de la présence de métal prés de la bobine détectrice. Le signal de sortie est un signal d’amplitude constante, mais de fréquence variable. Le traitement de ce signal pour commander l’arrêt d’un moteur demande de nombreuses étapes : filtre passe-bande, détecteur de crête pour la démodulation, conversion fréquence-tension, montage comparateur pour commander un transistor. Le nombre de composants et le nombre de pannes augmentant de manière inquiétante, nous nous sommes alors demandé s’il n’était pas possible de faire plus simple. Nous avons alors modifié l’oscillateur variable, pour le transformer en simple filtre passe bande actif à bande passante variable. Pas de multiplieur, plus de démodulation et de circuit intégré pour la conversion fréquence-tension. Les performances de détection sont comparables à celles de notre premier détecteur à battements. Sa sensibilité est cependant peu élevée car notre montage n’utilise pas de circuits électroniques complexes. Nous avons voulu nous limiter à ce qu’il nous semblait possible de comprendre. Le signal de sortie du détecteur sert à bloquer l’avancement d’une voiture télécommandée, si un métal est présent à proximité de sa bobine de détection. La commande d’arrêt de la voiture est obtenue grâce à un montage comparateur et un transistor de puissance. Nous vous présentons les différentes étapes de notre projet, dans l’ordre dans lequel nous 4 les avons réalisées. Dans une première partie, nous abordons notre travail sur le détecteur de métaux à battements. Puis la seconde partie présente la modification du montage à battements pour obtenir un détecteur à filtre passe bande à bande passante variable, moins sujet aux pannes. Nous avons fait varier les paramètres du circuit pour améliorer sa sensibilité. Dans la troisième partie nous abordons la commande du moteur et des dispositifs d’alerte. Pour finir, nous présentons les performances de notre robot. 1 Détecteur de métaux à battements 1.1- Principes de la détection Pour détecter les métaux, plusieurs voix sont possibles. On peut utiliser un champ magnétique variant dans le temps car les métaux réagissent aux champs magnétiques. Le champ magnétique est alors produit par une bobine parcourue par un courant alternatif. C’est le cas de la plupart des détecteurs du commerce. Un oscillateur électrique comportant une bobine permet de fabriquer le champ magnétique variable. Tout élément métallique présent dans ce champ, modifie la valeur de l’inductance L de la bobine et donc la fréquence de l’oscillateur auquel elle appartient. En effet, le métal a la faculté de conduire l’électricité. Le champ créé par la bobine peut induire des courants de Foucault dans les métaux, qui à leur tour créent des champs magnétiques induits. C’est ce phénomène qui modifie la fréquence de l’oscillateur. On appelle courants de Foucault les courants électriques créés dans une masse conductrice, soit par la variation au cours du temps d'un champ magnétique extérieur traversant ce milieu, soit par un déplacement de cette masse dans un champ magnétique constant. C’est la variation de fréquence de l’oscillateur qui est la première étape de la détection. Il existe aussi une autre voie expérimentale, que nous présenterons dans la seconde partie de ce mémoire. Au lieu d’utiliser un oscillateur à fréquence variable, il est possible d’utiliser un filtre passe-bande, centré sur une fréquence qui varie en présence d’un métal. Ce montage plus simple, moins sujet aux pannes, est celui que nous utiliserons dans le montage final. 1.2- Les détecteurs à battements Ces détecteurs utilisent la technique des battements de fréquences et des circuits résonants : - La technique des battements de fréquences est enseignée en spécialité physique de Terminale S, pour la chaîne de transmission des signaux radios et en acoustique, pour l’accord de deux instruments de musique. - Les oscillateurs sont des circuits résonants, dont l’un utilise la bobine du capteur comme inductance. Une variation de l’inductance L modifiera la fréquence des oscillations. Les oscillations d’un circuit LC sont enseignées en tronc commun. - Les champs magnétiques sont abordés en première S C’est pour cela que nous avons tout d’abord choisi de réaliser un détecteur à battements, pour avoir plus d’atouts pour comprendre le fonctionnement de notre système. Cette technique est la moins compliquée à mettre en œuvre, même si elle a des défauts et des limites. On peut utiliser un oscillateur fixe et un oscillateur variable utilisant la bobine de la tête de détection. En mélangeant le signal de ces deux oscillateurs, on obtient un battement, soit la différence des deux fréquences. Il faut créer un battement audible de quelques centaines de Hz, pour que la détection soit possible. 5 Le montage précédent n’est pas suffisant si l’on veut commander l’arrêt d’un moteur. Il faut alors rajouter un convertisseur fréquence tension, un comparateur et un transistor de puissance. La technique des battements présente deux inconvénients pour les démineurs ou les chercheurs de trésor. Les circuits résonnants ne sont pas stables en fréquence. Ils sont en particulier très sensibles à la température. Nous avons au cours de nos expériences observé des dérives en fréquences de nos oscillateurs et de nos générateurs de signaux. Mais nous avons la possibilité d’ajuster manuellement les fréquences sur nos prototypes, pendant les mesures. De plus, la bobine est sensible aux corps ferreux des sols minéralisés et la réponse du détecteur varie aussi avec la distance détecteur-sol. Ces deux problèmes occasionnent des variations de tonalité sans rapport avec une détection. Pour nos expériences, la voiture se déplacera sur une table en plastique ou en céramique. Il est impossible de la faire se déplacer sur le sol de la classe à cause des ferrailles qui sont inclues dans le béton. La bobine est fixée à 1cm du sol et cette distance ne varie pas, ce qui évite de fausses détections. La bobine va déterminer la fréquence de l’oscillateur variable. Elle doit donc être choisie avec soin pour que des battements soient possibles avec l’oscillateur fixe. Voici sur la photo 1, quelques unes des bobines que nous avons testées. Remarque : Il existe aussi des détecteurs à induction pulsée et balance d’induction, mais ils sont beaucoup plus complexes et coûteux. Nous avons téléchargé plusieurs articles de revue d’électronique présentant la construction de détecteur de métaux. Dans un article de la revue Nouvelle électronique de janvier 1997, p 42-51, un mini-détecteur est décrit. Il fonctionne à 40 kHz et utilise une antenne détectrice de ferrox-cube (ferrite), comme celle contenu dans les récepteurs radios grande ondes et moyenne-ondes. La bobine d’un détecteur de métaux n’est donc pas toujours circulaire et plate. La fréquence correspond à celle des émetteurs ultrasons du laboratoire que uploads/Sante/ memoire-pdf 1 .pdf