Objectifs du projet :

Construire un détecteur de métal à l'aide d'une carte Arduino et d'un montage électronique simple. Nous expliquerons le principe, la démarche suivie et les expériences menées dans le cadre de ce projet.

Membres du projet :

Guilherme Carvalho
Lucie Jonkisz
Léo Londeix-Pagnard
Romain Tessier

Adresses email:

guilherme2802carvalho@gmail.com
Lucie.Jonkisz@gmail.com
leolondeixpagnard@gmail.com
romaintessier@gmail.com

Principe de base:

En alimentant une bobine avec un courant, elle émet un champ magnétique qui sera perturbé si un métal vient interférer avec ce champ. C'est cette variation que nous analysons à travers un circuit filtrant et une analyse Arduino.

Le circuit est composé d'une diode qui permet de filtrer et d'homogénéiser le signal de tension et d'un condensateur qui se chargera avec la tension transmise par la bobine. Nous allons donc analyser la tension aux bornes du condensateur et pas la tension directe de la bobine.

L'Arduino analyse les données traduites en base 2 c'est à dire que si il affiche la valeur de 2^10 = 1024, cela correspond à une tension de 5V. On réalise donc après l'initialisation du circuit une série de 100 mesures de la tension ce qui nous donne une moyenne. Nous avons régler notre Arduino pour déclencher une LED et un buzzer à partir d'une variation de tension de 24.4mV par rapport à la moyenne.

Carnet de bord:

26/01/21: Première séance de présentation de l'UE où l'atelier nous est présenté ainsi que le matériel à disposition (imprimantes 3D, découpeuse laser, kit Arduino et composants). Ainsi nous avons pu nous faire une idée des moyens disponibles pour conduire notre projet à terme.

Notre projet doit idéalement permettre la mesure d'une grandeur physique ou à la détection d'éléments. Ainsi nous avons après délibération choisi le détecteur de métaux pour sujet.

02/02/21: Séance de restitution des données et informations récoltées au sujet de notre projet pendant une semaine de renseignement sur le sujet par chacun d'entre nous.

Quelques expériences simples sont menées comme par exemple:

• Mesure de la tension aux bornes d'une bobine non exposées à un métal puis exposé à un aimant.

                 Réaction de la tension générée par la bobine en présence de métal ou non.

• Mise sous tension d'une bobine et observation du signal transcrit par l'oscilloscope.
• Détermination des composants nécessaire au montage.
• Impression d'un premier moule 3D nous permettant de fabriquer la bobine principale du projet.

13/02/21: Construction de la bobine avec du fil de cuivre d'épaisseur 1mm. Les caractéristiques de notre bobine sont donc: 10 tours de bobine de dimension 16cm de diamètre. Nous devons maintenant établir toutes les caractéristiques de la bobine en calculant et vérifiant par expérimentation l'inductance de notre bobine. Ainsi, nous utiliserons la propriété de résonnance d'un circuit du second ordre composé d'une bobine, d'un condensateur et d'une résistance. Ainsi la bobine et le condensateur possèdent tout deux une impédance que l'ont peut caractériser grâce au pont diviseur de tension.

On a donc le montage suivant:

Duquel on déduit l'équation du pont diviseur:

Avec l'impédance de la bobine et du conducteur que l'ont peut assimiler à une résistance. On a donc ZC l'impédance du condensateur: ZC= 1/j.C.w et ZL celle de la bobine soit: ZL=j.L.w avec w=2.π.f.

On a donc une pulsation w particulière: wo qui permet

C'est le phénomène de résonnance qui nous permet d'écrire

Ainsi, VS=VE ce qui se traduit par :

• Des modules identiques et de même amplitudes.
• VS et VE sont en phase. C’est cette propriété que l’on va utiliser car on peut l'observer avec l'oscilloscope.

On va donc mesurer la tension Vs et Ve sur les chaines 1 et 2 de l'oscilloscope et faire varier le générateur de fréquence afin de mettre les deux courbes en phase.

A partir de cette fréquence de résonnance: , on pourra en déduire l'inductance de notre bobine maison, soit:

15/02/21: Pendant cette séance nous avons appliqué le principe ci-dessus de résonnance du circuit. Nous avons donc réalisé ce montage:

En utilisant le matériel ci dessous:

• Générateur de fréquence
• Bobine fabriquée maison
• Condensateur de 100nF
• Résistance de 100 Ohm
• Oscilloscope

Nous réglons le générateur pour recevoir un signal sinusoïdal aux bornes du circuit. Nous mesurons la tension aux bornes du générateur avec la voie 1 et celle aux bornes de la résistance avec la voie 2.

Nous réglons l'oscilloscope pour faire correspondre leurs références de potentiels au centre de l'écran.

Nous faisons ensuite varier la fréquence pour obtenir deux courbes parfaitement en phase.

Ici, nous avons un exemple de fréquence à gauche qui n'est pas fo soit f'=250000Hz et à droite la fréquence de résonnance fo=260000Hz.

Nous avons donc déterminer fo à 260kHz. Nous pouvons donc utiliser la formule nous permettant d'obtenir la valeur de l'inductance: . Soit L≈4*10^-6H.

Nous avons donc réussi à caractériser notre bobine maison.

Par la suite nous avons vérifié que notre bobine réagissait à la présence de métal. Nous avons donc mesuré la tension aux bornes de notre bobine lorsqu'un aimant traversait son armature.

Ainsi, la tension varie en amplitude lorsque le métal perturbe le champ magnétique de la bobine.

La suite de la séance s'est composée de travaux manuels comme la construction de notre manche en bois qui compose notre détecteur de métal et la soudure d'un système permettant de brancher notre bobine à une breadboard.

Après avoir conçu un premier modèle 3D de l'objet (que nous modifierons après).

Nous avons découpé un manche de dimension: 3,5*2,2*90 cm dans du bois à l'aide d'une scie sauteuse après avoir appris les règles de sécurité, à savoir, le port de gants, de lunettes et le maintient de la planche à l'aide de serre-joint. Romain et Léo ont donc pu expérimenter ce nouvel outil.

Nos deux protagonistes se sont ensuite entrainés à la soudure pour rendre notre bobine plus pratique à connecter à un circuit.

Voici enfin le résultat:

25/02/21: Après avoir construit et déterminé les caractéristiques de notre bobine ainsi que les grandes pièces de notre montage, nous nous sommes attaqués au code. En Arduino, le langage informatique utilisé pour écrire des fonctions est le C et C++. Nous avons donc appris à l'aide de tutoriels et d'aide comment paramétrer notre code et écrire les fonctions principales de détection.

Ce jour là, nous avons réalisé le montage suivant, montage permettant la détection de métaux.

On alimente le circuit en 5V avec un signal carré commandé par la fonction void pulse. Puis on lit les valeurs que le condensateur prend lorsque la bobine le charge au travers de la diode.

On peut donc observer les variations liées à la présence de métal grâce à l'outil Traceur.

Malheureusement, une des précédentes soudures ayant cédée, nous avons du en faire de nouvelles dont le résultat est exposé ci-dessous:

09/03/21: Cette séance était essentiellement manuelle. Nous avons donc perfectionné notre circuit en le rendant plus petit et pratique. Nous avons également réalisé le boitier qui contiendra notre circuit à la découpeuse laser et ajouté un interrupteur pour contrôler l'allumage du système.

On a donc utiliser une mini breadboard pour notre circuit:

Voici ensuite la découpeuse laser en plein travail de découpage:

Nous avons donc une boite pour placer notre circuit que voilà:

L'allumage de la pile qui alimentera le circuit sera commandée par un interrupteur:

Au niveau de notre circuit nous avons cherché les différentes valeurs de nos composants pour améliorer la lecture du condensateur. On observe donc une meilleure variation de tension en présence de métal pour de petits condensateurs. Pour un condensateur de 10nF on relève une différence de 15 pour un téléphone. Pour le même téléphone on a donc respectivement pour un condensateur de 100nF une différence de 12. Pour 12pF on a une différence de 18. Et pour celui de 100pF on obtient le meilleur quota avec une différence de 20. On a donc opté pour ce condensateur dans notre circuit.

12/03/21: Durant cette séance au Fablab, nous avons pu placer la poignée sur notre manche à l'aide des visses adaptées et finaliser la connexion entre notre interrupteur, la pile et le circuit. Nous avons également terminé le code qui nous permet d'activer un buzzer et une led selon la distance entre la bobine et un métal quelconque.

Nous avons donc notre manche opérationnel:

avec un résultat final:

Le boitier contenant la pile et le circuit est lui aussi terminé:

Et la détection de métaux grâce au code est illustré avec la vidéo suivante:

23/03/21: La séance d'aujourd'hui à principalement permit les finissions de l'esthétique de notre projet.

Nous avons donc toujours notre montage :

Nous avons imprimé un support pour notre bobine grâce à l'imprimante 3D:

Puis nous avons utilisé la découpeuse laser pour découper le socle de la bobine que nous attacherons au manche:

Nous avons ici une photo et vidéo du détecteur avec son support et boitier:

Nous avons également essayé notre détecteur sur différents matériaux et comparé la distance de détection avec la différence de la tension aux bornes du condensateur selon le type de matériaux. La distance de détection de notre bobine n'est pas très élevée ce qui correspond à sa faible inductance. On a donc une détection entre 10 et 2cm de distance.

On a donc le tableau récapitulatif suivant:

Et le graphique correspondant:

Nous ne trouvons pas de réelle expression qui lierai la distance de la bobine à la variation de tension. Toutefois on peut remarquer un certain comportement exponentiel ou début d'exponentielle de nos courbes représentatives. De plus, ces objets sont tous des métaux ferreux contenant de l'acier ou du fer et seront donc magnétiques si l'on approche un aimant.

Les métaux non ferreux ne sont pas détectés par notre bobine comme les objets en aluminium ou encore en acier inoxydable.

Identification des incertitudes:

Concernant la caractérisation de notre bobine, nous pouvons exprimer les incertitudes sur le calcul de l'inductance:

On peut exprimer la valeur du condensateur à plus ou moins 5% de sa capacité et fo fournie à plus ou moins 1 Hz de précision. On calcule donc Lsup et Linf dans le but de faire une moyenne soit (Lsup-Linf)/2 nous donne l'incertitude du système.

On a donc C=100 +/- 5 nF et fo=260 000 +/- 1 Hz. On obtient donc une incertitude sur l'inductance de 1.878*10^-7 H. Soit un pourcentage d'erreur sur la valeur de 4.7% ce qui est acceptable et en deçà de 5%.

On exprime donc L= 4*10^-6 +/- 1.878*10^-7 H.

Après assemblage de notre système nous sommes fiers d'avoir présentés en soutenance un produit fini et fonctionnel. Mission accomplie

— Jonkisz Lucie 2021/04/13 18:16