Bancs didactique de traitement du signal en réemploi

Gipsa-Lab/Ense3

https://wiki.lowtechlab.org/wiki/Bancs_didactique_de_traitement_du_signal_en_r%C3%A9emploi

Dernière modification le 25/06/2024

Difficulté

Medium Moyen

Durée

3 day(s) jour(s)

Coût

50 EUR (€)

Description

L'objectif de ce tutoriel est de vous expliquer les étapes de fabrication d'une dizaine de banc de TP dans l'objectif d'enseigner le traitement du signal de façon Low-Tech !

Sommaire

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Introduction

Ce tutoriel s’adresse principalement aux enseignants travaillant sur le traitement du signal. L’objectif de ce TP est de comprendre le sens de la transformée de Fourier et de réaliser une utilisation concrète des outils de traitement du signal dans le cadre de l’étude d’une mini éolienne. Le sujet est disponible dans les fichiers joints et est utilisable sous licence libre CC BY 4.0.

Nous supposons que l’entité d’enseignement possède déjà les oscilloscopes à mémoire ou USB ainsi que les ordinateurs nécessaires à l’acquisition et au traitement de signaux électriques.

Le projet visait à créer un objet technologique en utilisant uniquement du matériel électronique obsolète et inutilisé, provenant de nos stocks au laboratoire de recherche Gipsa-lab et au fablab MASTIC. Les bancs de TP sont donc composés à 100 % d’éléments de réemploi et sont facilement réparables. Un autre objectif de notre projet est que les maquettes que nous allons fabriquer sont adaptées pour travailler avec des étudiants : elles sont sécurisées, robustes et facilement transportables.

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Matériaux

Structure :

• 1 Profilé en aluminium de 73 mm de longueur et de base carrée de 22 x 22 mm
• 1 Profilé de même format mais de 130 mm de longueur
• 1 Profilé toujours du même format de 155 mm de longueur
• 1 Cornière aluminium d'environ 30 mm et de longueur de 155 mm
• 1 Cornière similaire de 90 mm de longueur
• 4 Fixations équerre en métal de 20 x 20 mm
• 5 Jeux de vis/écrous/rondelles avec des écrous adaptés aux profilés (écrous rectangulaires)
• 4 Vis pour les autres fixations nécessitant un taraudage adapté au profilé

Connectique et alimentation :

• 5 Connecteurs femelles type "fiche banane"
• 1 Interrupteur on/off
• 1 Bloc secteur de 12 volts adapté au ventilateur (puissance supérieure ou égale)
• 1 Connecteur XT60 mâle et 1 Connecteur XT60 femelle
• 7 Fils électriques
• Colle époxy métal/plastique (ou colle la plus forte possible)

Le cœur du TP :

• 1 ventilateur de 12 volts et 85 mm de diamètre (souvent utilisé pour refroidir des PC ou mini ventilateurs de bureau ayant les mêmes dimensions)
• 1 hélice de 150 mm de diamètre (venant d’un drone ou toute autre hélice pouvant simuler l’éolienne)
• 1 petit moteur triphasé type moteur brushless (trouvé sur un drone usagé, petite robotique ou aéromodélisme)
• 1 bobine en cuivre provenant d’un relais (qu’on trouve par exemple sur des cartes électroniques de puissance de portails électriques, ou diverses machines industrielles), ou toute autre bobine de cuivre compacte
• 1 petit aimant de 5 g maximum
• 1 petite pince récupérée sur des portes-badges

On peut choisir des systèmes différents en fonction des ressources disponibles : hélices de mini-ventilateurs, moteurs synchrones à aimants permanents (brushless) de petits électroménagers ou imprimantes, autres types de bobines. L’important est que le ventilateur puisse entraîner en rotation l’ensemble moteur-hélice, que la tension entre phases du moteur soit suffisante pour être lisible par le système d’acquisition (> 200 mV), tout comme la tension en sortie de bobine. Les moteurs et hélices utilisés sont du matériel de modélisme et de robotique que l’on trouve typiquement dans des écoles d’ingénieurs, universités et Fab Labs. Au Gipsa-lab, nous disposons d’un stock de pièces usagées de ce type en raison de notre activité d’enseignement et de recherche dans le domaine de la robotique. Si vous souhaitez réaliser ces bancs de TP, n’hésitez pas à nous faire savoir quel matériel vous manque.

Matériel d’enseignement prérequis :

• Système d'acquisition TiePie Handyscope HS3 et HS5
• PC avec le logiciel TiePie Multi Channel

ou

• Oscilloscope à mémoire ou USB

Outils

Outillage:

• Outils de découpe et de perçage de métal
• De quoi tarauder de l’aluminium
• Fer à souder pour de l’étain
• Tournevis et clés adaptés à vos vis
• Gaine thermique et décapeur thermique
• Ébavureur

Tous ces outils se trouvent très facilement dans un Fab Lab ou dans la majorité des ateliers d’électronique.

Bancs_didactique_de_traitement_du_signal_en_r_emploi_TP_CTI_ENSE3_1A_2023_Micro_Eolienne.pdf

Bancs_didactique_de_traitement_du_signal_en_r_emploi_grille_ventilateur.svg

Étape 1 - Montage de la structure

Dans un premier temps, nous allons construire la structure en aluminium qui va porter tout le TP. Cette structure a l’avantage d’être légère, facile à démonter et composée de matériaux de base assez communs.

• Fixez d'abord le profilé de 130 mm de long à celui de 155 mm en formant un T (le profilé de 130 mm est la barre horizontale) grâce à une équerre et deux jeux de vis/écrous/rondelles adaptés au profilé (image 2). Le profilé de 130 mm est fixé en son centre.
• Fixez ensuite la cornière en métal de 155 mm au profilé de 155 mm en face du profilé de 130 mm. Pour cela, taraudez le centre du profilé et percez la cornière pour pouvoir fixer le tout avec une vis (image 3). Il faut que le bas d’un côté de l'équerre soit aligné avec le bas du profilé pour que le système repose de manière stable sur la table (image 4).
• Fixez le troisième profilé au-dessus du profilé de 155 mm à 55 mm de distance du bord avec la cornière (image 5). Pour le fixer, utilisez une équerre et des vis/écrous/rondelles adaptés au profilé.
• Pour finir avec la structure, fixez la deuxième cornière au-dessus du profilé de 130 mm en son centre. Pour cela, faites un taraudage au centre du profilé et utilisez une vis (image 6).

Les découpes des profilés et des cornières peuvent être coupantes et donc dangereuses. Il faut arrondir les angles tranchants et enlever les défauts de découpe à l’aide d’un ébavureur afin de rendre les bancs de TP inoffensifs, même pour les élèves les plus téméraires.

On peut facilement imaginer desserrer un peut la vis qui tient la cornière ou sera ensuite fixé le ventilateur. Comme ça on peut faire tourner cette cornière et donc le ventilateur autour de l'axe de la vis, ce qui permet de changer l'orientation du ventilateur par rapport à l'éolienne. C'est un moyen qui permet de facilement modéliser une évolution de la puissance reçu par l'hélice. Ce n'est pas trop exploiter dans le sujet proposé ici mais il y une piste à explorer !

Étape 2 - Le retour et l’alimentation

Il s’agit de placer le système d’alimentation avec le bloc secteur et les connecteurs XT60, les fiches bananes femelles pour récupérer les signaux qui nous intéressent, et un interrupteur afin de pouvoir éteindre le tout.

• Percez 5 trous sur la face avant de la cornière en métal de 155 mm, deux du côté de l’alimentation et trois de l’autre côté (image 1). Les trous doivent être équidistants et avoir un diamètre inférieur à 5 mm (à adapter aux dimensions des fiches bananes). Ensuite, sur la partie haute de la cornière métallique de 155 mm, coté alimentation, percez un trou pour y placer l'interrupteur. Attention à ne pas le mettre trop proche du bord car l’alimentation passera par là (image 2).
• Ensuite, fixez les connecteurs de fiches bananes dans ces trous (image 3) et l'intérupteur dans le trous prévu pour l'aceuillir (image 2). De plus, faites passer la phase qui sort de l’alimentation par l'interrupteur afin de pouvoir couper l’alimentation du banc de TP.
• Fixez l'arrivée de l’alimentation en la collant juste à côté de l'interrupteur avec de la colle époxy biomatériaux. Assurez-vous que la connectique XT60 mâle soit accessible pour pouvoir facilement brancher l’alimentation (image 2).
• Connectez la partie femelle du connecteur XT60 à l’alimentation avec une soudure. Ajoutez de la colle époxy (si vous enchaînez bien les deux étapes, vous n’aurez qu’un seul mélange de colle à réaliser), car la connectique XT60 est plutôt difficile à déconnecter. La colle augmentera donc drastiquement la durée de vie de la soudure. Ajoutez également une gaine thermique pour plus de sécurité (image 4).

Étape 3 -

Étape 4 -

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