Analyse du fonctionnement des automatismes PDF

UNITÉ 2 Analyse du fonctionnement des automatismes Objectifs de l’unité L’environnement technologique qui nous entoure nous offre beaucoup d’objets connectés et de sy...

UNITÉ 2 Analyse du fonctionnement des automatismes Objectifs de l’unité L’environnement technologique qui nous entoure nous offre beaucoup d’objets connectés et de systèmes automatisés qui réalisent des tâches sans même, parfois, que nous nous en rendions compte. Comment comprendre et schématiser le fonctionnent de ces objets ? Quelles sont les énergies et les informations dont ils ont besoin ? Comment effectuent-ils des mesures pour prendre en compte leurs environnement ? Avant de commencer ton unité 2, réalise le test diagnostique sur ton espace inscrit. SÉANCE 1 Comment réaliser l’analyse fonctionnelle systémique d’un objet ? 50 SÉANCE 2 Comment schématiser le fonctionnement d’un automatisme ? 55 SÉANCE 3 Comment décrire les échanges d’énergies et d’informations dans un système automatisé ? 61 SÉANCE 4 Comment utiliser des instruments de mesure usuels ? 67 SÉANCE 5 Comment fonctionnent les capteurs ? 73 SÉANCE 6 De quelle nature est l’information et le signal issu d’un capteur ? 77 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 49  SÉANCE 1 Comment réaliser l’analyse fonctionnelle systémique d’un objet ? Objectifs de la séance Comprendre le fonctionnement d’un objet technique, le rôle des pièces et des sous-ensembles. Associer des solutions techniques à des fonctions techniques. JE SAIS DÉJÀ Au cours du cycle 4, tu as vu que : Des pièces ont un rôle précis dans le fonctionnement d’un OT. Un sous-ensemble est un ensemble de pièce ayant un rôle précis. Une fonction technique c’est un ensemble de pièce et de techniques permettant d’assurer une action attendue. À chaque fonction technique correspond une solution technique. Pour assurer sa fonction d’usage, un OT dispose de plusieurs fonctions techniques. JE DÉCOUVRE Activité 1 : Les fonctions techniques d’un détecteur de fumée Activité expérimentale : Observons le fonctionnement d'un détecteur de fumée. Pour cela regarde la vidéo explicative (Démonstration fonctionnement détecteur de fumée.mov). 50 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 1 Observons ensuite le schéma suivant qui illustre la détection de fumée à l’intérieur du détecteur de fumée : Description du fonctionnement du détecteur de fumée : Pour détecter et prévenir un incendie, les détecteurs de fumée détectent la présence de fumée dans un local et émettent une sonnerie aiguë et puissante pour avertir les occupants d’une habitation. Pour cela, le système est ali- menté par des piles qui fournissent l’énergie. Des ouvertures (fentes) sont prévues pour que les fumées parviennent jusqu’au dispositif de détection. Le système doit être fixé au plafond au moyen de vis grâce à un support. Les diffé- rentes pièces sont contenues dans un boîtier. La détection, proprement dite, est faite par un ensemble constitué d’une DEL : une émettrice de lumière infrarouge et d’un phototransistor récepteur. Si de la fumée se trouve dans la chambre noire qui renferme les deux DEL, la lumière émise par la DEL émettrice sera déviée et arrivera jusqu’au phototransistor, les deux n’étant pas face à face, la lumière ne peut pas parvenir directement de l’une à l’autre sans présence de fumée. Le phototransistor donne l’information à une carte électronique de traitement qui déclenchera une sonnerie à l’aide d’un buzzer. Pour témoigner du bon fonctionnement du détecteur, une DEL rouge clignote régulièrement et un bouton test permet de déclencher le système. JE M’EXERCE 1- Complète la légende du schéma fonctionnel d’un détecteur de fumée à l’aide des réponses ci-après en te servant des éléments de l’activité expérimentale et de la description du fonctionnement : Buzzer ; logement pour piles ; ouvertures ; DEL rouge ; Plafonnier ; boîtier ; DEL émettrice infrarouge ; Phototransistor récepteur d’infrarouge. Réponds aux questions 2 à 4 sur ton cahier d’exercices. 2- Que montre le plan du détecteur de fumée démonté de la question 1 par rapport à l’objet monté ? 3- En quoi, la présence d’ouvertures est importante dans le dispositif de détection de la fumée ? CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 1 51 4- Quelle est la fonction attendue d’un détecteur de fumée ? 5- Complète le tableau suivant en trouvant les rôles respectifs des pièces ou des sous-ensembles (note : les noms de toutes les pièces du schéma sauf le boîtier sont à inscrire dans le tableau). FONCTION TECHNIQUE PIÈCES ASSURANT LA FONCTION Maintenir au plafond Témoigner du fonctionnement et tester Bouton poussoir + Alimenter en énergie Piles + Détecter la fumée Commander le système Avertir les habitants 6- Complète le diagramme des fonctions techniques associées aux solutions techniques à l’aide des exercices précédents (1, 2, 3). JE RETIENS L’analyse fonctionnelle systémique est une méthode de description graphique qui permet de comprendre le fonctionnement d’un objet technique, elle comporte un schéma fonctionnel et un diagramme fonctionnel. Le schéma fonctionnel est un croquis (ou une photo) légendé d’un objet technique sur lequel on peut voir les pièces et leurs noms. Il est facilement compréhensible. Le diagramme fonctionnel est un schéma qui décompose les sous-ensembles d’un objet afin d’identifier leur fonction. Ainsi, on repère aisément le rôle des pièces d’un objet technique. Pour réussir une analyse fonctionnelle systémique il faut : 1. Démonter l’objet technique étudié, repérer et nommer les pièces et les grands sous-ensembles ; 2. Comprendre la description du fonctionnement de l’objet ; 3. Connaître la fonction attendue les fonctions techniques (souvent données dans le cahier des charges fonc- tionnel) ; 4. Établir le lien entre les fonctions et les solutions (pièces, sous-ensembles) dans un schéma fonctionnel. Schéma fonctionnel : 52 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 1 JE VÉRIFIE MES CONNAISSANCES Exercice 1- J’interprète une expérience Vidéo montrant le fonctionnement d’une souris-blanco « tippex » à visionner (fonctionnement_souris-blanco.mov) La photo montre une souris-blanco (type « tippex ») démontée avec les noms des pièces : Schéma détaillant le fonctionnement d’une souris-blanco : Principe de fonctionnement : Lorsque l’utilisateur fait glisser la souris blanco, l’applicateur plaque la bande impré- gnée d’effaceur contre le papier ; la bande enroulée sur un grand rouleau fixé à la grande poulie est tirée et entraîne l’ensemble en rotation. Cela entraîne la courroie qui elle-même met en rotation la petite poulie et le petit rouleau fixé dessus pour enfin enrouler la bande vide. Fonction attendue : Appliquer une bande correctrice sur du papier Fonctions techniques : contenir la bande correctrice ; dérouler la bande correctrice sur papier ; récupérer la bande usée. Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. 1- Sur le schéma de la description du fonctionnement du blanco « tippex », fais des flèches pour indiquer les mou- vements de rotation et de translation des pièces qui bougent lorsque la souris-blanco fonctionne ? 2- Quelles pièces sont utilisées pour réaliser la fonction « dérouler la bande correctrice sur papier » ? 3- Quels sont les rôles respectifs des deux rouleaux (le grand et le petit) ? 4- Complète le schéma fonctionnel d’une souris-blanco à partir des éléments présentés dans les différents docu- ments ressources et à l’aide des questions 3 et 4. CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 1 53 Exercice 2 Coche les bonnes réponses. Vrai Faux 1- Plusieurs pièces peuvent assurer une fonction technique   2- Une seule pièce peut assurer une fonction technique   3- Il y aura autant de solutions techniques qu’il y a de fonctions techniques   4- Il n’est pas nécessaire de comprendre en détail le fonctionnement d’un objet   pour en faire l’analyse fonctionnelle systémique. 5- Pour un objet au fonctionnement très simple, il peut y avoir une seule fonction   technique POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 3 – Store automatisé Faisons l’analyse fonctionnelle systémique d’un store automatisé à partir du schéma et de la description qui suivent : Fonctionnement : la fonction attendue d’un store au- tomatique est de plier ou déplier un store de manière automatique pour obtenir de l’ombre. Pour cela, des capteurs détectent les évènements climatiques savoir s’il faut plier ou déplier le store. En fonction de la météo (vent et ensoleillement), l’unité de contrôle qui reçoit les informations de l’anémo- mètre et du capteur solaire décidera d’agir ou non sur le store. Si les conditions changent ou si l’utili- sateur le décide, l’unité de contrôle commandera le moteur afin de plier ou déplier le store. Le moteur entraîne un tambour autour duquel s’enroule ou se déroule le store. Un capteur de fin de course permet de déterminer les positions extrêmes du store afin de stopper le moteur lorsque le store est entièrement plié ou déplié. 1- Compléter le tableau suivant pour indiquer le comportement du store en fonction des conditions climatiques : Vitesse du vent perçue Taux d’ensoleillement perçu Position du moteur perçue Action à prévoir par l’anémomètre par le capteur solaire par le capteur fin de course sur le store Faible Faible Store enroulé Ne rien faire Faible Faible Store déroulé Faible Élevé Store enroulé Dérouler le store Faible Élevé Store déroulé Élevée Faible Store enroulé Élevée Faible Store déroulé Élevée Élevé Store enroulé Élevée Élevé Store déroulé Enrouler le store 54 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 1 2- Complète le schéma fonctionnel d’un store automatique à partir des éléments du schéma simplifié et de la des- cription du fonctionnement. Des compléments sont disponibles sur ton espace inscrit. SÉANCE 2 Comment schématiser le fonctionnement d’un automatisme ? Objectifs de la séance Schématiser le fonctionnement d’un objet technique automatisé du point de vue des informations d’entrée et de sortie. Comprendre et donner les rôles des capteurs et des actionneurs. Comprendre les flux d’informations circulant dans un automatisme. JE SAIS DÉJÀ Au cours du cycle 4, tu as vu que : Les capteurs ont un rôle de détection dans un automatisme Les actionneurs ont un rôle de mise en action d’un automatisme. Une interface est l’intermédiaire entre l’Homme et une machine mais aussi que son rôle est de percevoir les informations des capteurs et d’envoyer des ordres aux actionneurs. Les capteurs ont un rôle dans la perception des évènements déclenchant un automatisme. Qu’un automatisme donne des ordres aux actionneurs et que les informations sont perçues par des capteurs. CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 2 55 JE DÉCOUVRE Étude de document : Comme pour les hommes, les automatismes possèdent des organes qui vont le renseigner, des organes qui vont agir et un élément qui prend les décisions. Cette comparaison permet de comprendre le cheminement des informa- tions dans un automatisme. Pour l’homme, le cerveau est un organe de commande qui reçoit des informations des cinq sens. Ces derniers perçoivent notre environnement et envoient, par l’intermédiaire des nerfs, des informations. Le cerveau envoie des ordres au corps (muscle essentiellement) pour le faire agir. Pour l’automatisme, des capteurs (les « 5 sens ») vont détecter l’environnement dans lequel il évolue et des infor- mations seront acheminées et traitées par une partie de commande (« cerveau » du système). Pour agir, la partie de commande va donner des ordres à des actionneurs (les « muscles ») afin que l’automatisme réalise ce pour quoi il est destiné. 1- Associe, pour faire une comparaison entre l’être humain et un automatisme, les organes humains aux pièces d’un automatisme : Homme : Automatisme : Cerveau Actionneurs Partie opérative Sens (toucher, goût, odorat…) Capteurs Corps (muscle) Partie de commande Explication : Un système automatisé peut être représenté comme une « boîte » dans laquelle des opérations nécessaires au fonctionnement ont lieu. On le représente comme un cadre dans lequel entrent et sortent des informations : Pour agir, un système automatisé dispose de deux parties distinctes : une pour décider des actions à mener en fonction des évènements extérieurs et une autre pour exécuter les actions. On identifie les entrées et les sorties d’informations et d’énergie : Un système automatisé utilise des informations qui vont circuler et être traité, on parle de cheminement de l’infor- mation. Ce cheminement décrit les interactions entre l’utilisateur et le système qui est constitué d’une partie qui traite les informations et une autre qui les exécutent. Ce schéma ressemble au précédent mais celui-ci insiste sur le parcours de l’information. 56 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 2 Activité 1 : Schéma de cheminement des informations d’un système de prévention incendie Schéma de circulation les informations dans un dispositif de prévention des incendies : 2- À partir de recherche internet, trouve parmi les propositions ci-après, le nom adéquat à la légende manquante d’un élément du module de gestion incendie ci-dessus (barre les réponses incorrectes et note la bonne sur le schéma). Interlude – Interface – Contrôleur – Configurateur 3- Relie les éléments du système de prévention des incendies à la bonne catégorie (capteur ou actionneur). Pour rappel, un capteur détecte un phénomène physique (température, luminosité, vitesse du vent…) À titre de rappel, un actionneur est un élément qui produit une action (mouvement, lumière, son…) Trappe de désemfumage Avertisseur sonore Détecteur de fumée Capteur Bloc d’éclairage de sécurité Actionneur Dispositif pour porte coupe-feu Déclencheur manuel incendie Sonde de température Avertisseur lumineux 4- Note la définition du terme que tu penses être correct :...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 5- Mets, sur le schéma, les flèches manquantes afin de relier le module de gestion incendie aux éléments de la partie opérative. 6- Quel est le rôle de la partie de commande ?...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 2 57 Activité 2 : Schéma global de la chaîne d’énergie et d’information d’une barrière automatique de péage. 7- Que représentent les flèches vertes du schéma (coche la bonne case)  Des informations  Des énergies  Des actions  Des données 8- La chaîne d’information d’une barrière automatique de péage automatisé est représentée dans le schéma par un cadre vert et des flèches vertes. Que représentent les deux flèches vertes à gauche du schéma ?...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 9- Que représentent les flèches rouges ?  Des informations  Des énergies  Des actions  Des données 10- Plusieurs flèches représentent les entrées et les sorties du système. Relève les informations concernant les entrées et les sorties du système « barrière automatique de péage » et mets-les dans les bonnes catégories. Entrées du système Sortie du système INFORMATION ÉNERGIE État final JE RETIENS La représentation fonctionnelle est un schéma qui décrit les interactions d’un objet technique avec son envi- ronnement extérieur. Le schéma peut prendre deux formes montrant chacun des détails différents du système et qui aident à comprendre le fonctionnement d’un automatisme. Schéma de cheminement des informations : D’une autre façon, la représentation fonctionnelle peut aussi mon- trer les éléments qui vont détecter et agir au sein d’une partie opérative. Cette autre description montre l’élé- ment qui gère le système et qui communique, via une interface, avec l’utilisateur. 58 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 2  Le schéma global de la chaîne d’information et d’énergie décrit les informations à prendre en compte pour le fonctionnement et ce qui est DÉCIDÉ : c’est la chaîne d’information. Il décrit aussi la façon dont il agit sur son environnement en utilisant de l’énergie afin d’ÉXECUTER les actions : c’est la chaîne d’énergie. On peut voir dans ce schéma les entrées du système et les sorties JE VÉRIFIE MES CONNAISSANCES Activité 3 : Représentations fonctionnelles d’un système d’alarme. Pour fonctionner, un système d’alarme détecte des évènements anormaux (ouverture de porte, présence…) dans une maison et prévient les propriétaires d’une intrusion ou d’un incident domestique (inondations, incendie…). L’alarme est configurée par l’utilisateur au moyen d’une télécommande et d’un panneau de contrôle muni d’un cla- vier (interface). Voici comment peuvent se schématiser les interactions entre les éléments du système d’alarme : CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 2 59 Exercice 1 – Circulation des informations D’après le schéma des interactions d’un système d’alarme, complète les cadres « interface », « AGIR » et « DÉTEC- TER » du schéma de circulation des informations. Schéma de circulation les informations dans un système d’alarme : Exercice 2 – Schéma global de la chaîne d’énergie et d’information D’après le schéma des interactions et le schéma de circulation des informations précédemment complété, nomme les éléments manquants du schéma global de la chaîne d’énergie et d’information d’un système d’alarme. Schéma global de la chaîne d’énergie et d’information d’un système d’alarme : 60 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 2 POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 3 – Store automatisé Trouvons les entrées et les sorties d’un store automatique (voir information de la leçon précédente). 1- Complète le tableau suivant pour trouver la nature des entrées et des sorties de système « store automatisé ». Entrées du système Sortie du système.................................................. =.................................................. = INFORMATION Affichage digital.................................................. = Contrôle de l’utilisateur ÉNERGIE Énergie électrique État final 2- Établie, dans ton cahier d’exercices, le schéma de cheminement des informations du store automatisé. (Même type de schéma que l’exercice 1) Des compléments sont disponibles sur ton espace inscrit. SÉANCE 3 Comment décrire les échanges d’énergies et d’informations dans un système automatisé ? Objectifs de la séance Repérer les sources d’énergie alimentant un système. Décrire les transformations énergétiques au sein d’un système. Analyser et justifier les flux d’énergie et d’information dans un objet. JE SAIS DÉJÀ Au cours du cycle 4, tu as vu que : Les énergies proviennent de différentes origines. Certaines pièces ou sous-ensemble convertissent une énergie en une autre énergie Un actionneur converti une énergie en une autre. Un capteur converti un phénomène physique en une énergie exploitable. Une carte de traitement analyse les données des capteurs. CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 3 61 JE DÉCOUVRE Un système automatisé peut être décrit schématiquement afin de visualiser les transformations énergétiques qui s’y opèrent et de comprendre le cheminent des informations permettant et savoir comment les décisions sont prises : c’est le schéma de la chaîne d’énergie et d’information. Activité 1 : Chaîne d’information d’une partie d’un ascenseur Dans un ascenseur, le système de gestion de l’ouver- ture et de la fermeture des portes est assuré par un ensemble de capteurs d’ouverture et de fermeture, d’une carte électronique et d’un voyant lumineux. Le capteur d’ouverture de porte détecte l’état de la porte de l’ascenseur et transmet l’information à une carte électronique de contrôle qui prendra la décision ou non d’agir sur les portes. La carte de gestion déclenchera un voyant lumineux pour informer l’utilisateur de l’état des portes. L’information suit un chemin qui se schéma- tise ainsi : 1- Que montre ce schéma (coche les bonnes cases) ?  Le cheminement des informations  Le cheminement de l’énergie  Les transformations énergétiques  Les décisions prises par le système  Les pièces intervenant dans le parcours de l’information  Les pièces intervenant dans le parcours de l’énergie  La détection des évènements extérieurs  La fonction de l’objet 2- Quel est le rôle des capteurs d’ouverture de porte ?...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3- À quoi sert le voyant lumineux dans cet exemple ?...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 4- Donne un synonyme des mots « acquérir », « traiter » et « communiquer » qui correspondent le plus aux fonc- tions des pièces du schéma. Acquérir :......................................................................................................................................................................... Traiter :............................................................................................................................................................................ Communiquer :............................................................................................................................................................... Activité 2 : La chaîne d’énergie d’un ventilateur. Dans un ventilateur, l’énergie électrique est utilisée pour alimenter le système avec une prise électrique. Des fils vont véhiculer cette énergie jusqu’au moteur qui va transformer l’énergie électrique en énergie mécanique. Enfin, le moteur entraîne en rotation des hélices qui tournent pour produire de l’air pulsé. L’énergie suit un cheminement qui peut se schéma- tiser ainsi : 62 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 3 5- Que montre ce schéma (coche les bonnes cases) ?  Le cheminement des informations  Le cheminement de l’énergie  Les transformations énergétiques  Les décisions prises par le système  Les pièces intervenant dans le parcours de l'information  Les pièces intervenant dans le parcours de l’énergie  La détection des évènements extérieurs  La fonction de l’objet 6- Quelles sont les pièces du système qui convertissent l’énergie dans un ventilateur ?...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 7- Donne un synonyme aux mots « alimenter », « distribuer », « convertir » et « transmettre » qui correspondent le plus aux fonctions des pièces du schéma....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... JE M’EXERCE Activité 3 : chaîne d’information d’une porte automatique de magasin. 8- Complète le schéma ci-dessous à l’aide des propositions suivantes : Passage / Porte obstruée / Carte électro- nique / DEL rouge et verte / Bord de porte sensible / Capteur de présence / Lumières de couleur Activité 4 : chaîne d’énergie d’un éclairage extérieur automatique. 9- À partir des photos ci-dessous, complète le schéma de la chaîne d’énergie : CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 3 63  JE RETIENS Dans un système automatisé, la chaîne d’énergie et d’information est représentée par un schéma dans lequel on distingue deux parties : une chaîne d’information pour DÉCIDER et d’une chaîne d’énergie pour EXÉCUTER. Dans le schéma, les deux parties comportent plusieurs blocs qui correspondent à des éléments, des sous-en- sembles, du système automatisé. Voici comment se schématise la chaîne d’énergie et d’information : I. Chaîne d’information ou DÉCIDER.  Définition : partie du système qui capte et traite l'information afin de décider des actions à mener en fonction des circonstances. Elle comporte trois blocs : acquérir, traiter et communiquer. Acquérir : Son rôle est de prendre connaissance des conditions extérieures à l’aide de capteurs. Traiter : C’est l’élément principal de la chaîne d’information qui analyse et décide du comportement de l’auto- matisme en fonction des circonstances. Communiquer : Sa fonction est d’avertir l’utilisateur de l’état de l’automatisme, c’est l’interface. II. Chaîne d’énergie ou EXÉCUTER.  Définition : ensemble des procédés qui permettent d’exécuter une action dans un système automatisé. Elle comporte quatre (+ 1) blocs : alimenter, distribuer, convertir, transmettre + agir. Alimenter : Dispositif visant à fournir de l’énergie nécessaire pour l’automatisme. Distribuer : Son rôle est d’acheminer l’énergie vers les éléments qui en consomment. Convertir : Sa fonction est de transformer l’énergie d’alimentation en une énergie permettant d’actionner les éléments qui participent à l’action. Ce rôle est assuré par un actionneur. Transmettre : C’est l’adaptation de l’énergie provenant de l’actionneur en énergie utile à l’action de l’appareil. Agir : C’est la fonction attendue par l’automatisme. JE VÉRIFIE MES CONNAISSANCES Exercice 1 - Fonctionnement d’un robot programmable Observons le fonctionnement d'un robot programmé pour être, en partie, autonome. Pour cela, regarde la vidéo explicative (Démonstration fonctionnement robot mBot.mov). 1- À partir des vidéos et de tes observations, complète les schémas en indiquant leurs noms des composants à l’aide des propositions suivantes : Module Bluetooth / Moteur / Clip piles / Carte électronique / Capteur ultrason / Batterie / Capteur suiveur de ligne / Pince / Afficheur digital/ Fils 64 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 3 2- Complète le tableau à partir des questions précédentes. Trouve les quatre noms manquants, barre la mauvaise réponse dans la colonne type d’élément et donne une fonction lorsque celle-ci est absente. Nom Photo Type d’élément Fonction (rôle) Capteur / Actionneur Signalisation sonore d’un évè- nement pour l’utilisateur LED rouge, verte, bleu Capteur / Actionneur Récepteur infrarouge Capteur / Actionneur Reçois des signaux infrarouges de la télécommande Capteur de luminosité Capteur / Actionneur Capteur / Actionneur Détecte un appui volontaire d’un utilisateur Capteur ultrason Capteur / Actionneur Permet de mesurer la distance entre le capteur et un objet (obstacle) Suiveur de ligne Capteur / Actionneur Détecte une piste noire sur fond blanc Capteur / Actionneur Mets en rotation les roues du robot Capteur / Actionneur Permets la préhension de petits objets CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 3 65 3- Complète le schéma à l’aide du vocabulaire vu dans les questions 1 et 2. POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 2 4- À partir des informations sur le fonctionnement d’un système de freinage ABS, complète le schéma de la chaîne d’énergie et d’information. Antiblocage System ABS : Lors d’un freinage, il est important pour la sécu- rité de ne pas bloquer les roues car cela permet de conserver une bonne adhérence avec la route et évite la perte du contrôle du véhicule en cas de changement de trajectoire ou de sol (flaque d’eau, bitume sec…). La structure matérielle d’un équipement ABS est représentée sur la figure ci-contre : Lorsque le chauffeur appuie sur la pédale de frein, le maître-cylindre ali- mente en huile le groupe hydraulique qui régule la pression d’huile dans le circuit hydraulique. Les pistons portés par les étriers et disposés de part et d’autre du disque sont poussés par l’huile sous pression, ils pincent forte- ment le disque solidaire de la roue qui ralentit. Si le pincement est trop fort, la roue peut se bloquer. Pour éviter cela, un capteur détecte la vitesse de la roue et délivre l’information au calculateur. Si la vitesse devient trop faible et proche du blocage, le calculateur donne l’ordre au groupe hydraulique de diminuer la pression d’huile. 66 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 3  Des compléments sont disponibles sur ton espace inscrit. SÉANCE 4 Comment utiliser des instruments de mesure usuels ? Objectifs de la séance Mesurer une grandeur de manière directe ou indirecte Connaître les principaux instruments de mesure et savoir les utiliser. Analyser et comprendre les résultats de mesures. JE SAIS DÉJÀ Au cours du cycle 4, tu as vu que : Des mesures sont nécessaires pour vérifier des résultats ou contrôler des fabrications. Les valeurs lues à l’aide d’instrument de mesure doivent être interprétées et analysées. Il faut utiliser le bon outil ou instrument de mesure pour contrôler. Des tolérances sont à prendre en compte lors de l’interprétation des résultats de mesure. JE DÉCOUVRE Depuis très longtemps, l’Homme cherche à mesurer le monde qui l’entoure. Quelle est la taille de la terre ? À quelle distance est la lune de la terre ? Quel est le poids de son bébé ? Quelle température fait-il ? Quelle est l’intensité lumineuse d’une ampoule ? Autant de questions qui trouvent leurs réponses avec l’utilisation des instruments de mesure, qui n’ont cessé d’être de plus en plus précis et de plus en plus performants. Lors de la fabrication d’un objet technique, du réglage d’automatisme ou encore pour effectuer une mesure d’un phénomène physique, on utilise des instruments de mesure. Ils permettent de donner une valeur à ce qui est observé. Activité expérimentale 1 : mesure de la température extérieure d’une ampoule Pour relever la température d’une ampoule, deux instruments de mesure peuvent être employés : un thermomètre à sonde ou un thermomètre infrarouge. Réalisons l’expérience de mesure de température d’une ampoule halogène avec les deux types de thermomètres. Les photos qui suivent illustrent l’expérience : CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 4 67 Explication : La mesure de la température avec le thermomètre à sonde est longue mais la valeur mesurée sera précise lorsqu’elle est stabilisée. Le thermomètre touche la source de chaleur et il faut lire la valeur de la température sur l’écran de lecture. Cette méthode de mesure est dite « directe ». La mesure de la température avec le thermomètre infrarouge est instantanée mais la valeur mesurée varie en fonction de la distance qui sépare le thermomètre de la source de chaleur et de l’angle de prise de mesure. Le thermomètre infrarouge émet une lumière infrarouge sur l’objet et par un calcul, il détermine la température. Cette méthode de mesure est dite « indirecte ». Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. 1- Quelles valeurs sont données par les deux instruments de mesure dans l’expérience ? 2- Quelles sont les causes des différences de relevés de température dans les 2 méthodes de mesures ? 3- Quel est le principal avantage de la mesure indirecte ? 4- Comment se nomment les 2 méthodes de mesures ? Activité expérimentale 2 : contrôle de fabrication Lors de la réalisation d’objet technique, des contrôles sont nécessaires pour vérifier les critères du cahier des charges. Aussi, observons un objet technique réalisé dans un laboratoire de technologie : un support de téléphone portable. Le cahier des charges précise pour ce produit que l’ouverture pour passer le chargeur doit être de la forme adé- quate et de dimensions 36 × 15 mm au minimum. Pour contrôler l’ouverture, après usinage, on procède à la mesure. On utilise soit un réglet pour une mesure directe ou un pied à coulisse numérique pour une mesure indirecte. 68 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 4 Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. 5- Comment se nomment les deux instruments de mesure et que mesurent-ils ? 6- Quels sont les résultats observés avec les deux méthodes de mesure ? 7- Quel instrument de mesure permet une mesure directe du résultat et lequel permet une mesure indirecte ? 8- Quelle méthode de mesure est la plus précise, avec quel instrument et pourquoi ? 9- Existe-t-il une autre façon de contrôler la longueur de l’ouverture obtenue lors de la fabrication du support de téléphone ? Si oui, laquelle ? Activité expérimentale 3 : Mesure de la luminosité d’une ampoule Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. 10- Sachant que les 4 résultats indiqués par le luxmètre indiquent la même luminosité, pourquoi l’affichage est-il différent pour chaque photo ? 11- Quel est le calibre utilisé qui donne le résultat le plus juste et le plus précis ? 12- Quelle est la luminosité précise mesurée par le luxmètre ? CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 4 69  JE RETIENS D  éfinition d’instrument de mesure : Dispositif destiné à obtenir expérimentalement des valeurs qu’on puisse attribuer à une grandeur avec une unité choisie. Les instruments de mesure sont utilisés pour : - mesurer des phénomènes physiques ; - contrôler une fabrication ; - vérifier le fonctionnement des objets techniques ; - calibrer un mécanisme ; - simuler un comportement. Il est possible d’utiliser des instruments de mesure de façon directe ou indirecte. Mesure directe Mesure indirecte Instrument de mesure simple Instrument de mesure à calibre ou Instrument de mesure et de simu- automatique lation virtuelle Réglet, rapporteur, mètre ruban, Multimètre numérique, pied à cou- Caméra thermique, logiciel de si- équerre rapporteuse d’angle, pied lisse automatique, luxmètre, télé- mulation assistée par ordinateur à coulisse, balance mécanique (ou mètre laser, radar de vitesse, oscil- (ExAO …) de Roberval), thermomètre… loscope, thermomètre infrarouge, wattmètre… - Une mesure directe est la lecture du résultat obtenu à partir d’un instrument de mesure. - Une mesure indirecte est la lecture du résultat obtenu à partir d’un instrument de mesure effectuant des calculs ou des conversions. JE VÉRIFIE MES CONNAISSANCES Exercice 1 Coche les bonnes réponses. Vrai Faux 1- Un instrument de mesure donne une valeur obtenue par expérimentation.   2- Une règle permet d’effectuer des mesures de manière indirecte.   3- Un ampèremètre permet d’effectuer des mesures de manière indirecte.   4- Un instrument de mesure sera utilisé pour fabriquer un objet   5- Lors de l’utilisation d’un instrument de mesure avec calibre, il faut correcte-   ment le régler avant de lire la valeur obtenue. 6- Il est possible d’utiliser des instruments de mesure virtuel.   7- Un microphone est un instrument de mesure.   8- On utilisera un instrument de mesure pour calibrer un mécanisme   70 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 4 Exercice 2 - J’interprète une mesure. Pour mesurer la tension électrique aux bornes d’une ampoule, on utilise un voltmètre. Les photos suivantes montrent l’expérimentation de la mesure de la tension d’une lampe alimentée par une tension continue de 12 Volts Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. 1- Quel est le type d’instrument de mesure utilisé pour cette expérience : un instrument de mesure simple, à calibre ou automatique, de simulation virtuelle ? 2- Quel type de mesure est effectué : directe ou indirecte ? 3- Quelle est la valeur exacte de la tension mesurée et avec quel calibre cela a été obtenu ? 4- Que signifie l’affichage « 1. » sur la photo où le calibre 2 Volts a été réglé ? CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 4 71 POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 3 – Classement de divers appareils de mesure 5- En effectuant éventuellement quelques recherches internet, donne la grandeur mesurée pour chacun des ins- truments de mesure. Balance :......................................................... ; Équerre rapporteuse d’angle :.................................................. ; Équerre :......................................................... ; Oscilloscope :......................................................... ; Niveau à bulle :............................................... ; Wattmètre :......................................................... ; Pied à coulisse :.............................................. ; Pied à coulisse numérique :..................................................... ; Double décamètre ruban : une dimension ; Logiciel de CAO :....................................................................... ; Sonomètre :......................................................... ; Thermomètre infrarouge :......................................................... 6- Repartie les numéros correspondant aux instruments de mesure dans le tableau suivant : Mesure directe Mesure indirecte Instrument de mesure simple Instrument de mesure à calibre Instrument de mesure et de simulation ou automatique virtuelle Des compléments sont disponibles sur ton espace inscrit. 72 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 4  SÉANCE 5 Comment fonctionnent les capteurs ? Objectifs de la séance Comprendre et analyser le principe de fonctionnement de plusieurs familles de capteurs. Citer les transformations énergétiques effectuées par un système. Savoir schématiser le fonctionnement d’un capteur. JE SAIS DÉJÀ Au cours du cycle 4, tu as vu que : Les capteurs ont un rôle de détection dans un automatisme Les énergies peuvent être de plusieurs natures : musculaire, mécanique, électrique… Les capteurs ont un rôle dans la perception des évènements déclenchant un automatisme. Les capteurs convertissent l’énergie. JE DÉCOUVRE Les capteurs jouent un rôle essentiel dans le fonctionnement des automatismes, ce sont les sens des systèmes autonomes. Ils peuvent aussi bien détecter une luminosité, une distance, une température qu’une pression, l’ouver- ture d’une porte et bien d’autres choses encore… La détection de phénomène par les capteurs peut se faire de deux manières possibles : soit par contact ou alors sans contact. Ces modes de détection sont schématisés dans les croquis suivants : Expérience 1 : fonctionnement d’un capteur de luminosité Les photos ci-dessous montrent les relevés de tensions électriques sur un multimètre aux bornes d’un capteur de luminosité soumis à des éclairages différents : 1- Donne, en complétant le tableau, les valeurs des tensions mesurées aux bornes du capteur de luminosité pour les éclairages différents : Luminosité Obscurité Lumière faible Lumière ambiante Lumière intense Tension (volts) CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 5 73 2- Complète la phrase suivante, à partir des données du tableau : Plus la lumière est................................, plus la tension est faible aux bornes du capteur de luminosité. 3- Complète la phrase suivante qui décrit simplement le principe de fonctionnement du capteur solaire : Le capteur solaire converti, de manière proportionnelle, l’énergie............................ en énergie............................. 4- Complète le schéma suivant à l’aide des questions précédentes. 5- Le phénomène physique à détecter (le taux de luminosité) est-il en contact mécanique avec le capteur ?  OUI  NON Expérience 2 : fonctionnement d’un capteur de fin de course Les photos ci-dessous la tension relevée aux bornes d’une ampoule commandée par un interrupteur fin de course : 6- Complète le schéma suivant à l’aide des questions précédentes. 7- Le phénomène physique à détecter (un appui par une porte par exemple) est-il en contact mécanique avec le capteur ?  OUI  NON 8- Complète la phrase suivante pour donner une comparaison à l’interrupteur fin de course ? Un capteur fin de course agit comme un simple..........................., ce n’est pas un appui d’un utilisateur qui le déclenche mais l’........................... par un objet (porte, fenêtre…) Expérience 3 : fonctionnement d’une barrière optique Les photos ci-après montrent l’intérieur de deux barres qui forment une barrière optique dont voici l’explication du fonctionnement : La barrière infrarouge contrôle l’accès périmétrique d’un lieu. Elle est composée de 2 parties, une partie émettrice infrarouge et une partie réceptrice. Les 2 parties doivent être placées face à face. Elles détectent le passage d’une personne qui passe entre les deux éléments en coupant des faisceaux lumineux invisibles (infrarouge). 74 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 5 Lorsque la barrière optique détecte le passage, un signal radio informe une centrale d’alarme que ce capteur est actif. Lorsque tous les faisceaux lumineux sont coupés, que les Phototransistors récepteurs ne reçoivent plus de lumière infrarouge envoyée par les diodes émettrices, alors le passage est effectif et capté par la barrière. Des circuits élec- troniques analysent que les infrarouges sont reçus ou non par rapport aux infrarouges envoyés. 9- Pourquoi, sur la troisième photo, lorsque le bras est entre les deux barres, la détection est effective ? Explique le phénomène de détection.................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. 10- Donne un exemple d’utilisation de ce capteur............................................................................................................................................................................................ JE RETIENS  Définition de capteur : Système qui sert à détecter un phénomène physique (température, vitesse du vent, accélération, luminosité…) et qui le transforme en un signal représentatif du phénomène qui servira à des fins de mesure ou de commande. Il entre dans le fonctionnement d’une chaîne d’information.  Définition de détecteur : Type de capteur qui permet de déceler un phénomène ou corps caché.  Définition de codeur : Type de capteur qui code numériquement le signal. CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 5 75  Fonctionnement des types de capteurs : AVEC CONTACT SANS CONTACT Action Action Réflexion Réflexion Barrière Capacitif Magnétique Inductif mécanique manuelle de lumière de son (détecteur (détecteur de proxi- de proxi- mité de mité de conducteur) métaux) - Inter- - Bouton- - Détecteur - Capteur - Barrière - Écran de - Capteur - Détecteur rupteur de poussoir de présence de distance optique téléphone ILS d’ouver- de métaux position - Interrup- - Ther- ultraso- - Détecteur ture - Portique - Détecteur teur momètre nique de passage de sécurité de fin de infrarouge course JE VÉRIFIE MES CONNAISSANCES Exercice 1 : fonctionnement d’un télémètre ultrason Un télémètre ultrason permet de déterminer la distance qui le sépare d’un objet en utilisant les ondes sonores dont la vitesse de déplacement est connue. Pour cela, un émetteur d’ultrason émet une onde sonore qui va se propager jusqu’à la rencontre d’un obstacle qui réfléchira l’onde sonore avant de revenir vers le capteur. Le temps de faire l’aller-retour, l’onde sonore met un cer- tain temps qui est proportionnel à la distance de l’obstacle. Un signal électrique représentatif de la distance sera créé par le capteur 1- Établis le schéma de fonctionnement de ce capteur. 2- Dans quelle situation ce capteur peut être utilisé ?...................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... 3- Complète le tableau de correspondance entre les distances séparant le capteur d’un obstacle et la durée de propagation de l’onde sonore (aller-retour) Distance de l’obstacle Durée de propagation de l’onde sonore Très courte Proche Assez lointaine Lointaine 76 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 5 POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 2 – Capteurs courants 4- Associez chaque dispositif présenté en photo aux définitions énoncées ci-après : A. Mesure la température à l’intérieur d’un récipient et la chiffre en degrés :............................................................ B. Dispositif de détection des mouvements permettant de déplacer un curseur :..................................................... C. Appareil capable de convertir un signal sonore en signal électrique :.................................................................... D. Mesure la quantité de monoxyde de carbone dans une pièce :............................................................................... E. Mesurer la vitesse du vent et de la chiffrer en mètre par seconde :........................................................................ F. Envoie des informations à une unité centrale sur des caractères sur lesquels on a appuyé :............................... G. Permet de détecter l’ouverture d’une porte sur une alarme :................................................................................. H. Détecte l’ouverture d’une barrière ou d’une porte :................................................................................................. 5- Parmi les détecteurs et capteurs ci-dessus, indique (par les lettres) ceux qui doivent être en contact avec le phénomène à détecter pour réagir (détecter) : C (l’onde sonore, qui est un entrechoquement des molécules qui se propage, touche le micro) ;........................................................................................................ Des compléments sont disponibles sur ton espace inscrit. SÉANCE 6 De quelle nature sont l’information et le signal issu d’un capteur ? Objectifs de la séance Connaître la différence entre la nature et le signal d’une information. Savoir reconnaître un signal numérique et un signal analogique. Savoir identifier une information logique ou numérique. JE SAIS DÉJÀ Au cours du cycle 4, tu as vu que : Un signal représente l’état d’un système numérique, électronique. Un signal binaire est un signal qui ne peut prendre que deux valeurs : 0 ou 1. Un signal analogique est un signal qui peut prendre une multitude de valeurs. CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 6 77 JE DÉCOUVRE Étude de document n°1 : nature d’une information Une information est la nature du phénomène qui est détectée par un capteur. Cette information peut avoir deux natures possibles : logique ou analogique. Une information est logique lorsque seuls deux états de détection sont possibles. Une information est analogique lorsque plusieurs valeurs variables dans le temps sont possibles. Pour mieux comprendre, voici un schéma illustrant les deux natures d’une information : Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. 1- Quels sont les phénomènes physiques suivants qui ne peuvent présenter que deux valeurs lors d’une détection : ouverture de porte ; température d’une pièce ; présence d’une personne ; vitesse du vent ; intensité sonore ; passage d’un colis ; position d’un interrupteur bipolaire ; direction du vent. 2- Trouve deux informations dont les états peuvent présenter plusieurs valeurs, exemple : le taux d’humidité dans l’air peut prendre plusieurs valeurs. Étude de document n°2 : nature d’un signal Pour transmettre l’information provenant d’un capteur, le signal (souvent électrique) est de deux natures : analo- gique ou numérique. Mais pour le signal numérique, il peut être représentatif soit d’une information numérique ou analogique. Pour résumer, il existe trois types de signaux : Le signal numérique binaire ne peut prendre que deux valeurs et représente une information logique. Le signal numérique ne peut prendre qu’un nombre fini de valeurs et peut représenter une information analo- gique. Le signal analogique peut prendre une infinité de valeurs et représente une information analogique. 78 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 6 Réponds aux questions sur ton cahier d’exercices. 1- Associe les capteurs suivants aux différents types de signaux vus dans le document 2. Girouette 8 directions du vent ; anémomètre ; interrupteurs fin de course ; capteur de luminosité ; capteur d’humidité ; barrière optique de passage ; capteur de jauge d’essence. 2- Donne les 8 directions du vent possibles que codera une girouette. 3- En sachant que, pour un clavier, chaque lettre est codée par une suite de 0 et de 1, de quelle nature est le signal qui sera fourni à l’unité centrale par le clavier ? L'appui sur la touche envoie un signal binaire au contrôleur, qui enverra à l'unité centrale l'adresse de la touche sous forme hexadécimale, composée de valeurs binaires. 4- Combien d’état peut avoir le signal électrique d’un détecteur de passage comptabilisant le nombre de carton qui passe dans une journée sur un tapis roulant ? Justifiez en prenant par exemple 1000 cartons par jour. JE RETIENS Les capteurs détectent des phénomènes physiques qui sont des informations collectées par ces capteurs. Une information est la nature du phénomène détecté. L’information est soit de nature logique lorsque le phénomène à détecter ne peut avoir que deux états. L’information peut aussi être de nature analogique si le phénomène à détecter peut avoir plusieurs ou une infinité d’états. Les signaux délivrés par les capteurs sont représentatifs des natures informations captées. Aussi, les signaux peuvent avoir plusieurs natures : Le signal binaire ne présente que deux valeurs ; Le signal numérique présente un nombre limité de valeurs ; Le signal analogique présente une infinité de valeurs. Schéma récapitulatif des natures des informations et des signaux : JE VÉRIFIE MES CONNAISSANCES Exercice 1 Coche les bonnes réponses. Vrai Faux 1- Une information analogique ne présente que 2 valeurs.   2- Un interrupteur collecte une information logique.   3- Un capteur de vitesse de roue de voiture détecte un phénomène analogique.   4- Un signal binaire est représentatif d’une information analogique.   5- Une information analogique peut être représentée par un signal numérique et   analogique. 6- Un signal analogique présente une infinité de valeurs.   7- Un microphone qui détecte les niveaux sonores et la fréquence détecte une   information analogique. 8- Un microphone va délivrer, dans son câble électrique de sortie, un signal   numérique binaire. CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 6 79 Exercice 2 : signaux provenant de divers capteurs Grâce à l’ExAO (expérimentation assistée par ordinateur), il est possible de tester des capteurs et d’observer la nature des informations captées et les signaux issus de ces détecteurs. Voici des photos montrant le matériel et des copies d’écran du logiciel d’ExAO : 1- Associe les informations captées et détectées aux capteurs : 2- De quelle couleur sont les tracés des signaux binaires sur la copie d’écran du logiciel d’ExAO ?......................... 3- En sachant que l’interrupteur de position a été retourné avant que ne soit actionné le bouton-poussoir et qu’une musique a été jouée et captée en continu par le microphone ; associe les signaux aux capteurs correspondants. 80 CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 6 POUR ALLER PLUS LOIN Exercice 3 – Capteur suiveur de ligne d’un robot Afin de suivre une ligne noire au sol, certain robot dispose d’un capteur suiveur de ligne. Ce module suiveur de ligne détecte les contrastes de couleurs du support sur lequel il évolue (zone blanche ou noire). Il est composé de 2 capteurs optiques, un à gauche et l’autre à droite qui détecte indépendamment la couleur de la surface (noire ou blanche). Grâce à ces 2 capteurs optiques combinés, le module suiveur de ligne permet de rensei- gner le robot sur sa position sur la ligne qu’il doit suivre et envoie un signal représentatif de ce qui est capté à une carte électronique de traitement. Ce capteur suiveur de ligne peut présenter 4 états possibles qui sont illustrés dans le schéma et tableau ci-dessous : 4- De quelle nature est l’information perçue par le capteur optique de gauche (ou de droite) ?  Logique ;  analogique 5- Quel nombre d’information différente peut capter le capteur suiveur de ligne ?  1 ;  2 ;  3 ;  4 6- De quelle nature est l’information perçue par le capteur suiveur de ligne ?  Logique ;  numérique 7- Complète la suite du graphique qui correspond au signal électrique fournit par le capteur en fonction des 4 com- binaisons présentées. 8- De quelle nature est le signal électrique dessiné ? Numérique binaire, numérique, analogique. Des compléments sont disponibles sur ton espace inscrit. Bravo, tu as terminé la 2e unité de cours. Tu peux aborder maintenant la rédaction du devoir numéro 2 que tu dois trans- mettre au Cned pour qu’il soit corrigé. CNED – Collège 3e TECHNOLOGIE – Unité 2 – Séance 6 81