1. Acquisition d'une grandeur physique : capteur - Christian Ekstein

PROGRAMME DE SCIENCES PHYSIQUES - PHYSIQUE APPLIQUÉE


MODULE 1 : ACQUISITION D'UNE GRANDEUR PHYSIQUE: CAPTEUR


1.1. Transducteur, principe, caractérisation.
Cas des capteurs de température, de déplacement, de vitesse, de force:
aspects physiques et technologiques, conditionnement et transmission de
l'information représentative. Capteur intelligent.

1.2. Éléments de métrologie.
-Le système international d'unités; définitions des unités de base.
-Approche statistique de la mesure.

MODULE 2 : GRANDEURS ÉLECTRIQUES ET CIRCUITS

2.1. Propriétés temporelles: représentations temporelles d'une grandeur
électrique. Valeurs moyenne et efficace. Représentation complexe d'une
grandeur électrique sinusoïdale. Régimes transitoire et permanent. Régime
permanent sinusoïdal.
2.2. Propriétés fréquentielles : cas des signaux périodiques ; spectre en
amplitude.
2.3. Propriétés énergétiques : puissances instantanée et moyenne.

MODULE 3 : TRAITEMENT ANALOGIQUE DES GRANDEURS ÉLECTRIQUES


3.1. Systèmes linéaires :
-fonction amplification de tension, de puissance ;
-fonction filtrage analogique : filtre passe-bas, passe-haut et sélectif
;
-fonctions linéaires de traitement analogique à base d'ADI.

3.2. Systèmes non linéaires :
-fonction "comparaison" à un ou deux seuils.

MODULE 4 : DISCRÉTISATION ET TRAITEMENT NUMÉRIQUE DES GRANDEURS ANALOGIQUES
4.1. Fonction Échantillonnage : représentations temporelles des grandeurs
mises en jeu ; aspects
fréquentiels. Blocage.
4.2. Fonction Génération de signaux impulsionnels : réalisation et
applications.
4.3. Fonction Conversion Analogique-Numérique : principe(s) ; réalisation;
caractéristiques
instrumentales.
4.4. Fonction Conversion Numérique-Analogique : réalisation;
caractéristiques instrumentales.
4.5. Chaîne de mesure et de commande : organisation.
MODULE 5 : ÉNERGIE ÉLECTRIQUE: DISTRIBUTION ET CONVERSION

5.1. Distribution électrique et sécurité :
-notions générales sur le transport et la distribution électrique; rôle
d'un transformateur ;
-sécurité: danger d'électrocution ; limites des domaines de tension ;
régime de liaison à la terre.
5.2. Conversion électromécanique d'énergie :
-moteur à courant continu-réversibilité ;
-moteurs à courants alternatifs ;
-moteur pas à pas.
5.3. Conversion statique d'énergie :
-convertisseur alternatif-continu : redresseur ;
-convertisseur continu-continu : hacheur série ;
-convertisseur continu-alternatif : onduleur

MODULE 6: MODÉLISATION, COMMANDE ET CONTRÔLE DE SYSTÈMES LINÉAIRES
6.1. Identification d'un système analogique : réponse indicielle ; cas des
systèmes des premier et second ordre; retard pur ; caractérisation.
6.2. Systèmes asservis analogiques : représentation fonctionnelle ;
stabilité ; précision ; correction.
6.3. Asservissements numériques : structure de la chaîne de contrôle
commande ; algorithme de contrôle.

MODULE 7 : LE SOLIDE EN MOUVEMENT
7.1. Les systèmes mécaniques en mouvements.
-Système mécanique ; forces, couple, moments ; centre et moment
d'inertie d'un système ;
Référentiels ; vitesse et accélération .
-La seconde loi de Newton.
-Rotation d'un solide autour d'un axe fixe: théorème du moment cinétique
projeté sur l'axe de rotation
-Étude de quelques mouvements "simples" : application de la seconde loi
de Newton et du théorème du moment cinétique ; modélisation.
Frottements.

7.2. Systèmes mécaniques oscillants :
Pendule simple ; pendule pesant ; système élastique ; pendule de
torsion.
7.3. La résonance en mécanique :
-Oscillations forcées ; résonance ;
-Analogies électromécaniques ;
-Couplage électromécanique.
7.4. Aspects énergétiques.
-Travail d'une force ;
-Énergie cinétique, potentielle (pesanteur, élastique), mécanique.

MODULE 8 : OPTIQUE
8.1. Images données par un système optique :
-Propagation de la lumière: modèle du rayon lumineux; point objet ;
lois de la réflexion et de
la réfraction pour un dioptre plan ;
-Image donnée par un miroir plan ;
-Image donnée par une lentille mince convergente: centre optique ;
foyers ; point image
conjugué d'un point objet; distance focale ; vergence.
8.2. Sources et récepteurs de lumière :
-Grandeurs et unités photométriques : puissance énergétique;
intensité, luminance, éclairement.
-Émetteurs et Récepteurs de lumière: diode électroluminescente;
photodiode ; capteur optoélectronique.
-Une source de lumière cohérente: le laser. Monochromaticité,
puissance, directivité. Diode laser.
8.3. Modèle ondulatoire de la lumière.
-Présentation expérimentale du phénomène de diffraction et des
interférences en lumière monochromatique. Applications industrielles.
-Le spectre des ondes électromagnétiques.

MODULE 9 : CHIMIE DES MATÉRIAUX

Description microscopique et propriétés macroscopiques de la matière.
On étudie plus spécialement :
-les métaux et les alliages métalliques ;
-les polymères et les élastomères ;
-les céramiques et les verres ;
-les matériaux composites.


Consignes générales pour tous les TP




1) Câbler un circuit électrique en respectant les consignes de sécurité :

- mise en service de l'alimentation électrique et de la commande après
vérification du montage (par les élèves puis par le professeur)
- coupure de l'alimentation et de la commande (ou déconnexion) avant
toute intervention manuelle dans le circuit
- réalisation du circuit avant de brancher les appareils de mesure en
dérivation (voltmètres, oscilloscope)



2) Maîtriser l'emploi des appareils de mesure : ampèremètre, voltmètre,
ohmmètre, multimètre, oscilloscope :

- donner le résultat d'une mesure avec le maximum de chiffres
significatifs compatible avec les appareils utilisés
- prendre conscience :
- de l'impédance interne des appareils utilisés
- de l'influence de l'emplacement d'un appareil dans un montage



3) Relever de façon autonome les oscillogrammes en y faisant figurer : les
grandeurs représentées, les unités, les échelles et les coordonnées des
points remarquables.



Acquisition d'une grandeur physique : capteur


Rappels sur les lois générales, diviseur de tension





Schéma commun pour cette page :


1) Loi des branches, loi des mailles A B
(relation de Chasles)



E = UAD C
I4



D I3


2) Loi des n?uds
(( courants entrant = ( courants sortant)




3) Loi d'Ohm : UAB = RAB . I (de A vers B)










4) Association de résistances ( A.N. : R1 = R2 = R3 = R4 = 100 ?)


. En série (même courant) :


. En parallèle (même tension) :



5) Puissance absorbée par une résistance (A.N. : E = 10 V ; R1 = R2 = R3 =
R4 = 100 ?)




6) Diviseur de tension (R1 = 2,7 k? ; R2 = 5,6 k?, R3 = 3,3 k?, ?
' 6 V)

a) à vide (I3 = 0) A


. UCB = R2.I1
I3
[pic] C

UCB
. [pic]
B

. Effectuer l'application numérique et vérifier la valeur expérimentale
de UCB


b) en charge (I3 ( 0) A


. même calcul mais en remplaçant

R2 par [pic] C

UCB


B

. Effectuer l'application numérique et vérifier la valeur expérimentale
de UCB


7) Diviseur de tension variable (R1 = 2,7 k? ; Rp = 4,7 k?, ? ' 6
V)

a) premier schéma :
A
. Rp varie entre 0 et Rp = 4,7 k?



I3 = 0
. [pic] C

UCB

B

. Effectuer l'application numérique pour 0 ( RCB ( Rp et vérifier les
valeurs expérimentales de UCB
b) second schéma :


A
. RCB varie entre 0 et Rp = 4,7 k?



I3 = 0
. [pic] C

UCB

B

. Effectuer l'application numérique pour 0 ( RCB ( Rp et vérifier les
valeurs expérimentales de UCB


8) Pont de Wheatstone (R1 = 2,7 k? ; R2 = 5,6 k?, R3 = 3,3 k?, ? ' 6
V)

C


0 ( Rp ( 4,7 k?


UAB
A B




M

. Après avoir constaté que UAB = UAM - UBM exprimer UAB et en
déduire que l'on peut écrire : [pic]

. Faire l'application numérique pour 0 ( Rp ( 4,7 k? et vérifier les
valeurs expérimentales de UAB

. Calculer la valeur de Rp pour laquelle on a UAB = 0


9) Potentiomètre borne d'extrémité A curseur C

index






borne d'extrémité B


A
symbole :
RAC
Rp C
RCB


B


. Vérifier à l'ohmmètre que RAC + RCB = Rp quelle que soit la position
du curseur
. Précautions d'emploi : quelle est l'intensité maximale dans le