L’assistance au déplacement

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Classe(s) : Tle STI2D - Tle STL | Thème(s) : L'assistance au déplacement

L’assistance au déplacement

Les transports individuels ou collectifs représentent un enjeu majeur pour notre civilisation. C’est la demande de plus en plus forte de mobilité qui explique le très important développement des transports modernes aussi bien pour l’automobile, les poids-lourds, les trains que les avions. Pour organiser, réguler et surveiller ces différents moyens de transports, il devient impératif d’en connaître l’état à tout instant. Il faut donc disposer de moyens de mesure performants pour quantifier les informations telles que comptage, vitesse, débit, distance de sécurité…

1Les capteurs et les détecteurs

Un capteur est un dispositif qui transforme l’état d’une grandeur physique observée en une grandeur utilisable par un système de traitement. Il contient un transducteur qui est un dispositif convertissant une grandeur physique en une autre. Le plus souvent la grandeur transformée est de nature électrique. Suivant la nature de l’information, on distingue deux familles de capteurs :

– les capteurs à sortie analogique : elle peut varier entre un minimum et un maximum en prenant toutes les valeurs possibles dans cet intervalle. Par exemple, les sorties 0-10 V et 4-20 mA sont des standards très utilisés ;

– les capteurs à sortie numérique (ou digitale) : elle est disponible sous forme d’un nombre compris entre 0 et 2N-1 où N est le nombre de bits (c’est un entier), la valeur 0 correspondant au minimum de la grandeur physique et 2N-1 au maximum. Les nombres N standards vont de 8 (faible précision) à 16 (haute précision), voire 24 (très haute précision).

Les détecteurs font partie de la famille des capteurs, leur fonction est d’établir une présence ou une absence. L’information en sortie d’un détecteur est donc de type numérique ici binaire (0 ou 1) car N = 1. On nomme souvent ces détecteurs des capteurs TOR (Tout ou rien).

A Un exemple de détecteur : la boucle inductive

Principe de fonctionnement : une boucle (rectangulaire ou trapézoïdale), formée de plusieurs spires de fil conducteur, est noyée dans le goudron d’une route ou le ciment d’une dalle. Elle constitue ainsi une inductance de l’ordre de 60 à 300 µH.

En associant cette inductance avec un condensateur, un dispositif électronique crée un oscillateur d’une fréquence de quelques centaines de kHz. Si un objet essentiellement métallique tel qu’une automobile, un vélo, un autobus pénètre à l’intérieur de cette boucle, l’inductance est modifiée.

C’est cette variation qui, en modifiant la fréquence de l’oscillateur, permet au système électronique de détecter la présence de ce mobile.

En détectant la présence du mobile pendant un temps minimal, on peut agir sur le fonctionnement de feux de circulation, lever une barrière d’accès… On peut aussi compter le nombre de véhicules qui franchissent la boucle, la séquence absence-présence-absence du véhicule fournissant une impulsion de comptage.

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© DRIEA-DiRIF

EXERCICE résolu : mesure de vitesse

Énoncé

Dans l’axe de circulation d’une rue à sens unique, on installe deux boucles inductives identiques espacées de 5,0 m. Lors du passage d’un véhicule dans le bon sens la seconde boucle délivre une impulsion 25 ms après l’impulsion délivrée par la première boucle.

1. Quelle est la vitesse du véhicule ?

2. Peut-on connaître le sens de circulation du véhicule ?

Corrigé

1. La vitesse est le rapport de la distance pour aller d’une boucle à l’autre sur le temps mis pour parcourir cette distance. Ainsi :

V=ΔxΔt=5,00,025=20m.s1=72km.h–1

Ce qui est nettement supérieur à la vitesse autorisée en ville !

Avec un calculateur, on peut utiliser cette méthode pour informer le conducteur de sa vitesse sur un panneau d’affichage électronique.

2. Il suffit de savoir quelle boucle délivre la première impulsion : si c’est la seconde boucle, c’est que le véhicule circule en sens interdit.

B Un exemple de capteur : le radar à effet Doppler-Fizeau

Ici, l’objectif est de connaître la vitesse d’un véhicule sans liaison physique entre lui et le système de mesure. On utilise pour cela des ondes électromagnétiques à très haute fréquence (pour complément, voir chapitre 4, Communication dans l’habitat).

Principe de fonctionnement : on utilise le principe de l’effet Doppler-Fizeau. Une source immobile envoie vers une cible (en l’occurrence le véhicule) des ondes électromagnétiques de façon continue. À l’arrivée sur la cible, une petite partie du rayonnement se réfléchit et revient vers la source. Si la cible est immobile, les fréquences des signaux aller et retour sont identiques. Si la cible se rapproche de la source, la fréquence de retour est légèrement plus élevée que celle de l’aller (et légèrement plus faible si la cible s’éloigne). En connaissant la différence des fréquences entre celle de l’onde émise et celle renvoyée, on peut calculer la vitesse de la cible.

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On montre que la vitesse de la cible est égale à :

vcible=c×(faller-fretourfaller)=c×Δffaller=c×(1fretourfaller)

Et que la fréquence de retour vaut :

fretour=faller×(1vciblec)

avec c la vitesse de la lumière dans l’air très proche de 3,0 × 108 m.s-1.

EXEMPLE

Un radar fixe indique une vitesse de 108 km.h1 pour un véhicule roulant sur autoroute. La fréquence d’émission du radar est de 24,125 Ghz (elle se situe en bande K qui va de 18 à 27 GHz). Calculer le décalage en fréquence Δf correspondant si le véhicule s’approche du radar.

Conversion de la vitesse en m.s:

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108km.h1=108km1h=108000m3600s=30m.s1

Δf=vcible×fallerc=30×24,125×1093×108=2412 Hz

Ce qui constitue un très faible décalage en fréquence comparé à la fréquence très élevée d’émission.

La vitesse mesurée qui est une valeur analogique sera convertie en valeur numérique pour être affichée avec une précision de l’ordre de 0,5 km.h1 sur l’écran de contrôle.

C La chaîne de mesure

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Une chaîne de mesure est l’ensemble des dispositifs qui part d’une grandeur physique à mesurer jusqu’à sa visualisation ou (et) à son utilisation.

La chaîne classique comprend le capteur lui-même suivi du conditionneur de signal appelé souvent transmetteur. Son rôle est de mettre en forme l’information sous forme standard (par exemple analogique 0-10 V ou 4-20 mA ou numérique) pour la rendre exploitable par l’unité de visualisation ou (et) de traitement.

2Les signaux périodiques

Un signal périodique est un signal qui se reproduit de manière identique toutes les T secondes. T est appelée la période et f = 1/T est sa fréquence (Hz). Il suffit de connaître la forme du signal sur une période pour le connaître entièrement. Les signaux périodiques présentent une propriété intéressante.

On montre en effet qu’un signal périodique de forme quelconque est décomposable en une somme de signaux sinusoïdaux de fréquences multiples de la fréquence f. C’est la décomposition en série de Fourier.

La fréquence f est appelée fréquence fondamentale ou fondamental, les fréquences multiples de f sont appelées harmoniques.

Elles sont telles que : fharm=n×f avec n entier positif supérieur ou égal à 2.

EXEMPLE

Le signal carré

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Ici, on voit que la reconstitution du signal carré est imparfaite. Pour bien reconstituer un signal carré, il faut ajouter un grand nombre d’harmoniques, c’est-à-dire que n doit être grand.

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A Le spectre en fréquence

On appelle spectre en fréquence un diagramme montrant les amplitudes des différentes fréquences contenues dans la décomposition de Fourier.

Ci-dessous le spectre du signal carré. On remarque qu’il ne contient que des harmoniques impaires (n = 3, 5, 7…). Les amplitudes décroissent en 1/n quand n augmente.

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B L’importance des harmoniques

D’une manière générale, la présence d’harmoniques est néfaste, hormis quelques applications très particulières.

En effet, dans nombre d’applications industrielles, elles sont responsables de pertes donc de dégradation des rendements, de la « pollution radioélectrique »… À titre d’exemple, on peut citer la création de vibrations mécaniques et d’échauffement dans les moteurs électriques, de propagation de parasites sur les réseaux électriques.

On cherche donc à les éliminer soit à la source en utilisant des dispositifs pauvres en harmoniques, soit avec des filtres destinés à ne conserver que la fréquence fondamentale.

EXEMPLE

C’est l’utilisation d’onduleurs à modulation de largeur d’impulsion (MLI) et de moteurs synchrones efficaces qui permet d’obtenir de très bons rendements pour les véhicules électriques. Les onduleurs MLI génèrent des harmoniques de rangs élevés (n grands) et d’amplitudes modérées facilement filtrables.