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Mesure de vitesse par effet Doppler
Ce TP est coopératif. Vous n’aurez pas le temps d’effectuer toutes les mesures.
Vous devrez vous entendre avec 2 autres groupes afin que les manipulations de la partie I soient toutes effectuées.
1) Présentation
Le système mis à disposition est constitué d’un émetteur et d’un récepteur ultrasonore et d’une chaîne de mesure permettant l’amplification, la multiplication et le filtrage de tension.
Dispositif de mesure L’étiquetage des bornes correspond à :
• Emetteur : tension aux bornes de l’émetteur. Ce dernier devra être alimenté par un GBF, on choisira sauf mention contraire une tension sinusoïdale de 10,0 Vpp à 40 kHz.
• Récepteur : tension aux bornes du récepteur
• Récepteur amplifiée : tension du récepteur amplifiée d’un coefficient β (cf. I.2)
• Sortie multiplieur : tension correspondant au produit de la tension amplifiée du récepteur par la tension appliquée à l’émetteur.
• Fréquence Doppler : tension après un filtre passe-bas appliquée à la sortie du multiplieur.
Chaine de mesure de vitesse par effet Doppler
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I. Caractéristiques des composants de la chaine de mesure
(partie coopérative)1) Etude de l’amplificateur difficulté : * a) Dispositif
Le composant TL081 permet l’amplification d’un signal sous réserve que la tension ne dépasse pas 15 V environ. La relation aux bornes du dispositif est
s = β e
Ce composant, au programme des autres filières est un Amplificateur Linéaire Intégré
(ALI). Montage amplificateur non-inverseur
b) Expérimentation
En mesurant les tensions aux bornes de l’amplificateur, déterminer le coefficient β. La valeur sera accompagnée de son incertitude élargie à 95%.
Choisissez une représentation graphique adaptée pour expliquer la valeur obtenue aux autres groupes
u(𝛽𝛽)
𝛽𝛽 = ��u(𝑒𝑒)𝑒𝑒 �2+�u(𝑠𝑠)𝑠𝑠 �2 et 𝑈𝑈95%(𝛽𝛽)≈ 2𝑢𝑢(𝛽𝛽) 2) Etude du multiplieur difficulté : ***
a) Dispositif
Le composant AD633 est un circuit intégré multiplieur. La fonction de transfert du circuit correspond à la formule
w = k [ (x1 -x2) . (y1-y2) ] + z .
Dans le dispositif installé, les tensions x2, y2 et z sont reliées à la masse de sorte que x2 = y2 = z = 0. La tension de sortie vérifie :
w = k x1 y1
Schéma de principe du composant b) Expérimentation
Connecter les sorties du GBF sur l’émetteur et le récepteur avec deux fréquences différentes (40 kHz, et 1,0 kHz. L’amplitude d’alimentation du récepteur sera de 1Vpp maximum.
En vous aidant des spectres des tensions en entrée et en sortie du multiplieur (S0 S2 et S3), justifier expérimentalement que le dispositif proposé effectue la multiplication de tensions.
En utilisant des fréquences identiques, déterminer le coefficient k. La valeur sera accompagnée de son incertitude élargie à 95%. On note Ai l’amplitude du signal Si.
Choisissez une représentation graphique adaptée pour expliquer la valeur obtenue aux autres groupes.
Rappel : cos(𝑎𝑎) cos(𝑏𝑏) =12(cos(𝑎𝑎+𝑏𝑏) + cos(𝑎𝑎 − 𝑏𝑏))
u(𝑘𝑘)
𝑘𝑘 =��u(𝐴𝐴𝐴𝐴0)
0 �2+�u(𝐴𝐴𝐴𝐴2)
2 �2+�u(𝐴𝐴𝐴𝐴3)
3 �2 et 𝑈𝑈95%(𝑘𝑘)≈2𝑢𝑢(𝑘𝑘)
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3) Estimation de la bande passante. difficulté : **
a) Modélisation
Les émetteurs ultra-sonores utilisés sont constitués d’un résonateur piezo électrique ne pouvant fonctionner que dans une certaine gamme de fréquences.
Construction de l’émetteur
Caractéristiques techniques
b) Protocole :
Placer une surface plane pour permettre la réception d’un signal sur le récepteur après réflexion sur cette surface.
Pour différentes fréquences d’émission comprises entre 38,5 kHz et 42,5 kHz, relever l’amplitude du signal de réception S1. L’amplitude S0 du signal d’émission est maintenue constante.
c) Exploitation
Proposer une représentation graphique pour déterminer la bande passante.
En déduire le facteur de qualité de l’émetteur piezo-électrique.
II. Mesure de vitesse Partie commune
1) Validation de la chaine de mesure
• S1 : la tension aux bornes du récepteur
• S2 : la tension du récepteur amplifiée
• S3 : la tension après le multiplieur
• S4 : la tension en sortie du filtre passe- bas de fréquence de
coupure fC Chaine de mesure de vitesse par effet Doppler
A l’ORAL
o A l’aide de l’exercice préparatoire, prévoir l’allure du spectre attendu pour les tensions S3 et S4 en donnant l’expression théorique des tensions.
o Proposer un montage pour effectuer le filtre passe-bas à partir de grandeurs réalistes.
o Déterminer les paramètres d’acquisition (Ttotal et Te) pour visualiser le spectre attendu.
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Effectuer une acquisition de la tensions S4 pour un déplacement de l’écran de quelques cm.s-1 . Vous estimerez cette vitesse en utilisant un chronomètre.
Imprimer les spectres obtenus à l’aide de LatisPro en indiquant les paramètres utilisés Te et Ttotal.
Déterminer la vitesse de déplacement à partir d’une mesure de fréquence judicieusement choisie.
Conclure.
2) Justification des choix expérimentaux à posteriori : a) Choix des fréquences
À partir de l’expression du décalage en fréquence par effet Doppler (cf. prépa TP), et de la bande passante des émetteurs (partie I.3), conclure sur l’étendue des vitesses accessibles par ce
dispositif.
b) Intérêt de la détection synchrone
À l’aide des résultats expérimentaux obtenus en partie I.1 et I.2, justifier la présence d’un amplificateur dans la chaîne de mesure.
À l’aide des documents ci-dessous, justifier du choix de la détection synchrone pour mesurer le décalage de fréquence par effet Doppler :
Données issues de https://fr.farnell.com/
CAN 10 bits / Fe = 22 kHz, MCP302
Prix : 0,94 €
CAN 10 bits / Fe = 800 kHz ADC10064
Prix : 13,28 €
Multiplieur analogique AD633
Prix : 6,28 €
3) Baffovélocimètre1
Proposer et effectuer un protocole pour effectuer la mesure de la vitesse d’une baffe.
Dans votre compte rendu, vous présenterez la courbe exploitée et préciserez la valeur de la vitesse obtenue accompagné de son incertitude élargie à 95%.
Pour faciliter l’acquisition, il est possible d’utiliser un
déclenchement sur une valeur seuil. Si la tension S4 est sur EA0, Imposer les conditions suivantes :
1 Vous remercierez chaleureusement M. Pernette pour avoir trouvé la dénomination adéquate de ce dispositif.
