Photocapteurs en EXAO (exao: expérimentation assistée par ordinateur)

Matériel
• Photorésistance
• Photodiode
• Ampoule 6V
• Interrupteur-poussoir
• Platine de montage
• Résistances 1kΩ,5kΩ,10kΩ enfichables
• Amplificateur opérationnel
• Une vieille souris d'ordinateur démontée avec partie mécanique apparente

 
1. Exemples de photocapteurs
   
    
   1. Photorésistance
      
       
      1. Mesurer sa résistance à l'ohmètre dans l'obscurité, puis à la lumière, comparer les valeurs obtenues.
          
      2. Réaliser le montage ci-contre.
          
      3. Mesurer la valeur de la tension U₁ dans l'obscurité, puis à la lumière. (ne pas défaire le montage).
          
      4. Expliquer qualitativement les variations observées (revoir éventuellement le principe du montage diviseur de tension, TP 7).
          
         Dans tout ce qui suit, la photorésistance sera toujours utilisée avec ce même montage, à ne pas démonter par conséquent.
      
       
   2. Photodiode
      
       
      1. En reliant la photodiode uniquement au voltmètre (ci-contre), mesurer la tension U_PN à l'obscurité, puis à la lumière.
          
      2. Quelle est la particularité de la photodiode par-rapport à la photorésistance?
          
      3. Pourquoi dit-on que la photodiode et la photorésistance sont des photocapteurs ?
          
      4. Donner des exemples de dispositifs utilisant des photocapteurs dans la vie courante.
   
    
2. Comparaison des temps de réponse des deux capteurs.
   
    
   1. Réaliser les connexions ci-dessous. Relier toutes les masses à celle de la carte d'acquisition.
      
      
       
   2. Que mesure-t-on sur chacune des 3 voies de la carte d'acquisition ?
       
      En attendant la vérification du montage, lancer Synchronie et activer les entrées EA0,EA1 et EA2 ( mode automatique). L'ampoule va nous servir à éclairer les photocapteurs, que l'on placera l'un à côté de l'autre. On va étudier leur comportement lors du passage obscurité-lumière, puis lumière-obscurité.
       
   3. Passage obscurité-lumière
      
       
      1. Quelle est la valeur de la tension mesurée sur la voie EA2 lorsque l'interrupteur est ouvert et l'ampoule éteinte?
          
      2. Que devient-t-elle lorsqu'on ferme l'interrupteur pour allumer l'ampoule ?
          
         Paramétrage de Synchronie : Choisir initialement 4000 points d'acquisition et une durée totale de 400ms (échantillon 100µs).
         Compléter la partie 'déclenchement' pour que l'enregistrement se déclenche dès que l'on ferme l'interrupteur pour allumer l'ampoule. Voir fiche-résumé 4 et réfléchir !
          
         Réaliser l'enregistrement : appuyer sur F10 puis fermer l'interrupteur. Si tout va bien l'enregistrement ne se déclenchera que lorsque vous fermerez l'interrupteur. Eventuellement recommencer en modifiant les paramètres jusqu'à ce que le résultat soit satisfaisant. Aide : si l'acquisition se déclenche avant la fermeture de l'interrupteur, le niveau choisi est trop bas. Si l'acquisition ne démarre jamais, appuyez sur la touche 'Echap' pour reprendre la main et revoyez vos paramètres de déclenchement !
          
      3. Indiquer le paramétrage finalement choisi pour visualiser le mieux possible le comportement des capteurs lors du passage obscurité-lumière dans le compte-rendu . Comparer la rapidité de réponse de la photodiode et de la photorésistance lors du passage de l'obscurité à la lumière.
      
       
   4. Passage lumière-obscurité
      
       
      1. Changer le paramétrage de Synchronie pour que l'acquisition se déclenche cette fois lorsqu'on ouvre l'interrupteur pour éteindre l'ampoule. Après avoir vérifié qu'il convient, indiquer le paramétrage choisi sur le compte-rendu.
          
      2. Comparer la rapidité de réponse de la photodiode et de la photorésistance lors du passage de la lumière à l'obscurité.
          
      3. Quel est globalement le capteur qui a la réponse la plus rapide ?
   
    
3. Bruit de fond
   
   Modifier le paramétrage de Synchronie : 1000 points, durée totale 100ms, supprimer le déclenchement par la voie EA2. Faire une acquisition en gardant un éclairement constant (photocapteurs éclairés ou dans l'obscurité). Faire un 'zoom' (F9) sur les courbes obtenues .
    La tension est-elle tout à fait constante quand l'éclairement est constant ?
   Les variations observées sont du "bruit de fond". Il est dû en partie aux variations de l'éclairement de la salle, mais aussi aux capteurs eux-mêmes (bruit de fond électronique).Enregistrer dans K: sous le nom BRUIT14
   
    
4. Amélioration du 'rapport signal sur bruit'. Amplification
   
   L'éclairement des tubes fluorescents qui éclairent la salle n'est pas constant : le tube s'illumine et s'éteint périodiquement avec une fréquence de 100Hz. ( notre oeil n'est pas capable de discerner des éclairs de fréquence supérieure à 20Hz environ) .
    
   1. Orienter la la photodiode vers un tube fluorescent éclairé, faire une acquisition avec Synchronie. Enregistrer dans K sous le nom 'NEON_A'. Faire un "zoom" sur la courbe (touche F9).Le bruit (variations de tension aléatoires) altère-t-il beaucoup la forme du signal (variations de tension dues aux éclairs du tube) ?
       
   2. Montage amplificateur de tension
      
       
      1. Réaliser le montage ci-contre. Ne pas oublier d'alimenter l'amplificateur opérationnel en +/- 15V par les deux entrées +15V et -15V sur le dessus (voir TP9 ) . M est la masse du montage et doit être relié au point '0' de l'alimentation 0,+/- 15V
          
      2. Mesurer U_AM et U_SM pour U_AM valant (environ): 0 - 0,2V - 0,5V - 0,8V - 1V - 1,2V - 1,5V- 2V .
          
      3. Relever les résultats dans Lotus 123. Tracer un graphe XY avec en abscisse les valeurs de U_AM et en ordonnée celles de U_SM.
          
      4. Quelle relation a-t-on entre U_AM et U_SM lorsque U_AM<1,2V ?
         On dit alors que le montage constitué par l'amplificateur opérationnel et les deux résistances est un amplificateur linéaire de tension.
         
          
      5. Utiliser ce montage pour amplifier le signal fourni par la photodiode selon le montage ci-contre.
          
      6. Faire une acquisition avec la photodiode. Enregistrer dans K sous le nom 'NEON_B' .
          
      7. Conserver le montage. L'amplification du signal a-t-elle permis d'améliorer l'allure de la courbe ?
      
       
   3. Une autre application : détermination de la fréquence de balayage du spot sur l'écran de l'ordinateur.
      
      
      Sur les écrans usuels (à tube cathodique) l'image observée sur l'écran est dessiné par un faisceau d'électrons balayant ligne par ligne l'écran, qui est revêtu d'une couche fluorescente produisant de la lumière sous l'impact des électrons (comme dans un oscilloscope) . On va déterminer le temps qui s'écoule entre deux passages successifs du faisceau en un point de l'écran, c'est à dire le temps que met le faisceau à parcourir l'écran entier et à revenir à son point de départ : c'est ce qu'on appelle la période de balayage vertical. On utilise le même montage que précédemment, la photodiode est placée contre l'écran en choisissant de préférence une zone bien éclairée.
       
      Paramétrage de Synchonie : 800 points , échantillon 60µs.
      On peut mettre les entrées EA1 et EA2 en mode 'inactif".
      Lancer une acquisition. Enregistrer sous le nom"ECRAN".
      Déterminer la période et la fréquence de balayage vertical du spot.
   
    
5. Des photocapteurs dans ma souris

• Observer l'intérieur d'une souris d'ordinateur : chacune des deux roues perforées passe dans une 'fourche optique' constituée d'une source de lumière (ou plus exactement d'infrarouge) d'un côté, et d'un photocapteur de l'autre côté.
• Schématiser le dispositif sur le compte-rendu et expliquer comment ce dispositif permet de détecter les déplacements de la souris.
• Le même principe peut être utilisé pour étudier des mouvements rapides en physique.