Bienvenue sur le Journal de Bord du Projet OpenAir suivi dans le cadre du projet instrumental du master Professionnel en ingénierie optique réalisé par GHAZOUANI Sondes, AOUDJIT Thinhinane, JOIE Mathieu et RABIA Sédick.

Présentation du projet:

La pollution aux particules fines provenant du trafic routier mais également de divers phénomènes de combustions (cheminées industrielles, Chauffages individuels,..) occupe une place de plus en plus importante dans la préoccupations des opinions publiques. Ce projet s'inscrit dans ce contexte, il s'agit de la réalisation d'un capteur “low cost” (10-100 euros) basé sur la diffusion de mie, c'est un capteur compacte autonome qui laisse envisager la possibilité de cartographier l'exposition individuelle aux moyens de réseaux denses de capteurs citoyens connectés à des smartphones par exemple.

Objectif du projet:

• Optimisation de l'angle entre l'émetteur et le récepteur.
• Optimisation de la longueur d'onde de la source de la lumière.
• Optimiser système d'amplification du signal détecté.
• Optimiser le signal sur bruit.

• Diffusion de mie (angle de diffusion)
• Détecteur(photodiode, photomultiplicateur)(Critère de sélection : sensibilité et rapidité)
• la source lumière (la longueur d'onde)
• l'Angle entre émetteur et le récepteur
• Le débit d'air de la ventilateur sélectionnée
• les particules à détecter ( influence de la taille de la particule sur la diffusion)

• Expérience 1: Sélection de la longueur d'onde
• Expérience 2: Sélection de la longueur d'onde de réémetteur
• Expérience 3: Choix du ventilateur(débit d'air)
• Optimisation de l'amplification du signal

Jour J: Forum de l'optique Préparation du poster scientifique du projet

Diagramme de Gantt:

la diffusion de Mie est le produit de l'impacte entre des particules ayant un ordre de grandeur supérieur ou égal à la longueur d'onde du rayonnement traversé. Les particules de forme généralement sphérique ont un rayon allant de 0.1 à 10 fois la longueur d'onde. Contrairement à la diffusion de Rayleigh, les particules diffusent plus vers l'avant que dans les autres directions.

le détecteur de particules fines qui sera mis en place durant ce projet fonctionnera suivant le principe de diffusion de Mie. Pour quoi la diffusion de Mie?par ce que les particules misent en jeux dans notre travail sont de l'ordre de 0.1µm à 10µm elle diffuse donc la lumière suivant le principe de Mie. Lors que l'air pénètre à l’intérieur du détecteur, les particules qui passent à travers le rayon lumineux diffusent la lumière, cette dernière est collecté par un détecteur ( photodiode).

Au premier lieu, nous avons commencé par une première expérience afin d'identifier un signal détecté par une photodiode Matériels utilisés:

Laser rouge Photodiode Ventilateur fumée Oscilloscope conduite

Pour pouvoir observé notre pic, on utilise une photodiode comme détecteur, cependant, on doit choisir LA photodiode idéal pour pouvoir observé l'impulsion, en effet, il faut que le temps de réponse de la photodiode soit inférieur à la durée de l'impulsion.

Pour se faire on a étudier le temps de réponse de deux diode différente données si dessous:

Photodiode 2 : Thorlabs DET 110 Temps de réponse: 406 μs

Photodiode 1 : PDA36A-EC 350-1100nm

Cette photodiode fonctionne à gain différent. on a alors mesuré son temps de réponse (t) en fonction des différent gains (G) on a obtenu.

La sensibilité de la photodiode en fonction de la longueur d'onde du rayonnement est donné par le fabricant dans la courbe suivante: Pour un laser de longueur d'onde de 630 à 680 nm (utilisé dans notre manipulation) la sensibilité est de 0.35 A/W.

A fin de faire le lien entre l'amplitude de l'impulsion observée sur l'oscilloscope donnée en volt et sa puissance, on a étalonné la puissance d'une LED en fonction de la distance qui la sépare du puissance-mètre et au même temps on lisait la tension délivrée par l'oscilloscope.

Dans notre projet, les particules traversent le cylindre par le billet d'un ventilateur qui aspire l'air pollué.

Le débit d'air du ventilateur donné par le constructeur (voir spécification ventilateur F16EA-03LLC) nous permet de connaitre la vitesse avec la quelle les particules traversent le conduit.

Application numérique

Q_int = 0.0002 m^3/s V_int = Q_int / S_int avec S_int = π*R^2 et R: le rayon du conduit On trouve V_int = 10.18 m/s

On suppose que Q_int = Q_out et S_in=S_out car la distance entre le conduit et le ventilateur est négligeable devant la longueur de la canalisation.

Durant la séance d'aujourd'hui nous avons utilisé un amplificateur virtuel Oscop12 pour détecter le signal émis et amplifié par …… oscilloscope: amplificateur: On trace les données de l'oscilloscope par Qtilot: On remarque très bien sur le graphe de l'intensité en fonction du temps qu'il y'a apparition de plusieurs piques différents durant toute la période d'enregistrement qui est de 27s, on lit sur le graphe le temps de détection de chaque pique la somme des différents temps de pique on l'appel time-on, dans notre cas time-on= 14.45s et le temps total de détection donné ultérieurement est 27s, on divisant le time-on/ temps total on trouve 53% autrement dit durant tous le temps de détection de la photodiode 53% de ce temps on arrive à détecter des piques.

Aujourd'hui on essaye un nouveau prototype tel que l'angle entre la photodiode et le laser est de 135°. En effet, la diffusion de Mie se fait vers l'avant et puis que nous ne pouvons pas détecter à un angle de 180° si non la photodiode sera saturé ou même saccagé par le rayonnement laser alors on se met juste à coté on se décalant d'un angle de 45°.

Lors du première essaye avec ce prototype on a du mal à avoir du signal exploitable au premier lieu on a remarqué que le signal était saturé donc on a donc rajouté un condensateur entre les deux amplificateurs pour ne pas amplifier le courant continu autrement dit on a créé un passe haut.

Le signal sature encore même après l'ajout du condensateur car le courant continu bloqué par le condensateur s’accumule à l'entré de ce dernier sans être évacuer alors on rajoute une résistance qui va du condensateur à la masse pour décharger le courant continu accumulé.

• *remarque: le gain de l'amplificateur de change pas après l'introduction du condensateur, en effet, on a un gain de 100 au première étage et un autre gain de 100 au deuxième au total on a un gain de 10000. Le résultat de la manipulation est: Pour plus de résultats on procède de la même manière que la dernière fois autrement dit on utilise l'oscillateur virtuel Oscope12 pour enregistrer le spectre de diffusion qu'on tracera avec Qtiplot. le résultat est donné sur la figure suivante: On remarque sur la figure des piques très fins et bien distingués. === Estimation de la taille de la particule === Lorsqu'une particule passe à travers le faisceau laser celle-ci va alors diffuser. Une photodiode va alors mesurer la puissance lumineuse diffusée. La photodiode délivre un signal, une tension. Cette tension est amplifiée par 2 étages amplificateur. La tension mesurée est alors 10.000 fois plus grande que sa valeur délivrée par la photodiode. Ainsi les 3.28 Volt mesurée correspondent à 328 µVolt. La photodiode possède un gain que l'on peut faire varier de 0dB à 70dB. Nos mesures ont été faites avec un gain de 30 dB. D'après la doc technique constructeur (“Performance Specifications” Chapter 6 Specifications), on a pour 30 dB un gain (Hi-Z) de 4.75 * 10^4 V/A. Il est alors possible de convertir la tension délivré par la photodiode en Intensité. Ainsi nos 328 µVolt correspondent à 6.9 nAmpère. La sensibilité de la photodiode varie en fonction de la longueur d'onde des photons incidents. Notre laser émets des photons à environ 630nm. D'après les données constructeur, la sensibilité de cette photodiode à cette longueur d'onde est de 0.3 A/W. Ainsi nos 6.9 nAmpère correspondent à 23 nWatt. La puissance lumineuse du laser est de 0.02 Watt/cm-².( Laser de 1mW pour une surface de 3*2 mm.) La section efficace de diffusion est l'interaction de la particule avec le faisceau lumineux incident. Elle correspond au rapport entre la puissance lumineuse diffusée et celle du faisceau. Ainsi nos 23nWatt correspondent à une particule de 1.151 * 10^-6 cm². En se basant sur le modèle de la sphère dure, on associe la particule à une sphère, le diamètre de la particule correspond donc à square((4*section)/pi). Ainsi le diamètre des particules que l'on a mesurée est estimé à 12.1µmètres. === 11/01/2018 === Ci-dessus, une simulation est faite sur le logiciel de calcule de diffusion “MiePlot V4610”. Dans notre cas on trace la puissance diffusée en fonction du diamètre de la particule. En introduisant la valeur de la longueur d'onde du laser, l'indice de réfraction, l'intensité incidente, la distance ainsi que l'angle entre l’émetteur et le récepteur, On peut donc remonté à la taille de la particule (Intervalle d'étude entre 0.1 µm et 10 µm) en fonction de la puissance détecté par la surface active de la photodiode (la puissance diffusé en W/m²) en fonction de la puissance qu'elle diffuse. ==== 25/01/2018 ==== sur la courbe suivante on a reproduit la diffusion de Mie suivant différents angle allant de 30 à 90, on remarque sur la figure que, pour un angle de 60° il y a absence de fluctuations de 1µm à 10 µm, on se placera alors sur cette angle pour ce qui est de la courbe d’étalonnage. les courbes d'étalonnage de la puissance en fonction de la tension et de la puissance au carré en fonction de la distance sont données sur la figure si dessous: === Documentation === on se place tous d'abord sur la diffusion de MIE tous en haut à droite, puis on choisi le type de courbe qu'on veut tracer “Intensity v. diameter” et l'angle de diffusion “scattering angle” dans notre cas on a c'est 60°. dans la case lignt on choisi en premier la langueur d'onde de notre source de lumière dans le vide en µm, dans notre cas, c'est un laser à 0.65 µm. les indices de réfraction réels et imaginaire sont caractéristique du corps diffusant, exemple pour le carbone on a un indice réel de 2.409 et imaginaire de 0.5 ( se sont les mêmes valeurs utilisées dans notre calcule), on a obtenu ces valeurs par une autre application nommée “refractiveindex.info” dont le lien est le suivant: https://refractiveindex.info/?shelf=main&book=C&page=Phillip. On peut choisir aussi le type de polarisation, dans notre cas, on travaille avec une lumière non polarisée. dans les cases horizantal scale et Intensity scale on ajuste nos axes suivant nos valeurs. La case information** tous à droite nous donne des informations sur l’intensité de la lumière incidente que nous avons fixé quand on a fait le choix des axes et la distance entre cette dernière et la la photodiode qui est de 0.03m.

On obtient la courbe suivante:

aujourd'hui on s’apprête à monter notre prototype final. alors on a réalisé une enceinte dans laquelle on intègre tous les éléments qui représente notre détecteur de particule fine. en résumé y aura à l'intérieur:

1. un banc en bois qui portera le laser, la conduite de fumé, la photodiode et le petit ventilateur.
2. un arduino.
3. un amplificateur.
4. un ventilateur accroché au dessus pour homogénéiser l'air à l'intérieur.