30/05/19 u-psud D7 2019 4 0
Construction et caractérisation d’un sismographe
Réalisation Margaux Khalil (École Estienne), Julien Bobroff et Frédéric Bouquet (Laboratoire de Physique des solides, Université Paris-Sud et CNRS). Toutes les informations et les autres projets sur opentp.fr
Niveau : Moyen
5 jours
L'objectif est de construire un sismographe fonctionnel, et de le caractériser à l'aide d'un simulateur de séismes
Principe physique
Le sismographe est un oscillateur harmonique amorti placé dans un référentiel accéléré. Il est ainsi constitué d’une masse suspendue à un ressort, l’amortissement choisit dans ce projet est inductif. Une masse métallique en mouvement par rapport à un champ magnétique B uniforme subit une force opposé à son mouvement proportionnelle entre autre à sa vitesse et au champ B. Les oscillations étant très faibles on amplifie le mouvement à l’aide d’un bras de levier supposé rigide.
On mesure les variations d’amplitude en plaçant un aimant de masse négligeable devant la masse du sismographe et on mesure l’évolution du champ magnétique à l’aide d’un capteur à effet de Hall fixe par rapport au sol.
Le simulateur de séismes est simplement une planche suspendue à deux potences excitée avec une masse reliée à des poulies et à un moteur à courant continue. On a ainsi accès à un référentiel fixe, ce qui permet de comparer les amplitudes du référentiel en mouvement dans le référentiel fixe et celle du sismographe dans le référentiel en mouvement.
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Arduino
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Capteur à effet Hall
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Shield Tinkerkit
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Scotch
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Poulie
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règle, rapporteur, équerre
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Multimètre
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Moteur
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Legos
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Platine d'expérimentation
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Bricolage général
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Ciseaux
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Fils
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Fils connecteurs
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Fils électriques
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Ficelle
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Fer à souder
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Carton
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Colle
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ressort
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aimants
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masse métallique
Matériel
Le ressort doit avoir une raideur d’environ 100 N/m, il faut au moins une masse de 200 g et une masse de 50 g, un aiment de 0,5 T et d’autres aimants d’intensité plus faible, et surtout très peut lourds. Tout ceci vise à obtenir un facteur de qualité de 1/racine(2), on pourra donc adapter ces valeurs en fonction du matériel à disposition. Il est important de noter que plus la masse du sismographe est lourde moins il sera capable de détecter de faibles excitations.
Si on veut récupérer les données transmises par la carte il faut également un ordinateur avec Python et la bibliothèque pyserial par exemple.
Construction du sismographe
Pour construire le sismographe, le plus simple est de ce reporter au schéma, la masse fait 50 g. Afin d’éviter des degrés de liberté trop important, nous conseillons de construire la structure fixe en Lego, cela a également l’avantage de ne pas trop absorber les excitations. Nous conseillons également de prévoir une vraie liaison pivot et de ne pas simplement poser le bras de levier sur un support.
Le bras de levier doit être le plus rigide et léger possible. Si on manque de matériel, il est toujours possible de procéder autrement : On choisit une longue tige élastique que l’on fixe à une extrémité. On peut fixer à l’autre extrémité un aimant qui fait office de masse. On dispose alors une plaque métallique à coté pour l’amortissement. Si on procède de cette façon il faut mesurer la raideur de la tige et adapter les autres variables pour avoir le bon facteur de qualité.
Construction du simulateur de séismes
Ici aussi, on peut directement se reporter au schéma pour la construction. Le moteur est relié à l’alimentation. Il est important que la plaque reste parfaitement horizontale, pour cela on peut utiliser des contre-poids.
La masse excitatrice fait 200 g, on peut en utiliser une autre si besoin. Le système de poulie fait que la masse se déplace sur la plaque, on peut la guider en utilisant un gobelet en plastique par exemple (voir image d’illustration).
Pour avoir une large bande de fréquence on peut construire une boite de vitesse pour le moteur.
Pour avoir un sismographe capable de détecter de faibles amplitudes, et surtout pour mieux représenter l’évolution du mouvement, on peut remplacer le capteur à effet Hall et effectuer un dispositif relativement similaire permettant de récupérer et d’amplifier les courants induits par le mouvement de la masse dans le champ magnétique.
Quel pourrait être ce dispositif ?
indice : la masse peut devenir un aimant
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