FABRICATION D’UN DETECTEUR A BOUCLE INDUCTIVE

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)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.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 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 facultativeLes caractéristiques pour différentes valeurs de sont représentées ci-contre. Les modélisations permettent bien de retrouver la valeur de R. On observe aussi la saturation haute (à gauche) et basse (à droite). Si on augmente trop la résistance R, la droite de charge (de pente –R0) coupe la caractéristique en trois points et le régime linéaire n’est jamais atteint. On observe alors de l’hystérésis, comme le montre la figure de la page suivante. La partie en pointillées (régime linéaire) n’est jamais observée si . Il faudrait pour cela intervertir les entrées inverseuse et non inverseuse de l’A.O. et transformer ainsi la caractéristique « en N » en une caractéristique « en Z ». A tester. Les pentes négatives de la caractéristique à hystérésis sont de : c’est celle de la droite de charge qui balaie la caractéristique lorsque U(t) varie dans le temps.. 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.