Construction d'un capteur Lehman 

 

L'origine de cette expérimentation vient d'un café pris un dimanche soir de 1989 au buffet de la gare de Nantes avec mon ami Gilles Piedebout. Celui-ci me confia la copie d'un article technique sur la réalisation d'un sismographe. L'expérience de base fut notablement modifiée par l'utilisation de l'outil informatique.

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Du fait des mouvements des plaques tectoniques, la terre tremble en permanence. Tout un chacun peut, avec des moyens modestes, enregistrer les séismes. Il n'est pas de ma prétention d'affirmer que les résultats que vous obtiendrez rivaliseront avec les instituts de recherche. Mais l'expérimentation présentée permet d'enregistrer et de relire des courbes issues des séismes.

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Pour enregistrer les séismes il faut, un capteur, un amplificateur et un enregistreur de données.

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Le capteur que j'utilise est du type Lehman, du nom de l'universitaire américain qui fit, le premier, la description d'un capteur expérimental à la portée du néophyte. Pour obtenir l'article en anglais, sur la toile, tapez dans votre moteur de recherche " sensor lehman".

 

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séisme turquie

La reprise d'écran montre la courbe du séisme d'Izmit en Turquie, le convertisseur analogique numérique est en 8bits (256 niveaux d'échantillonnages), le programme à ce moment là était en quickbasic de Microsoft.

 

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Pour l'assemblage purement mécanique du capteur, je suis passé par le montage en tubes carrés soudés. Tout est envisageable, pour peu que l'on respecte la rigidité de l'ensemble.

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Le capteur.

 

Le capteur est constitué d'un socle très lourd et rigide, une plaque d'acier de 15 à 20 mm d'épaisseur du genre ancien marbre d'ajusteur en fonte ou un tablier porte étau de fraiseuse partant à la casse. Le socle est en contact avec le sol. Le socle est équipé trois points de réglage pour modifier son assiette. Sur le socle se trouve une potence en forme de "U" à l'envers, elle est soit soudée, soit boulonnée. Sur le haut de la potence, vient en liaison souple une corde à piano qui rejoint un tangon.

dessin Lehman

 

La longueur de la corde à piano peut être modifiée par un tendeur mécanique. Le tangon est terminé par un biseau, de sorte que le point de contact soit le plus réduit possible, en lame de couteau. Sur la partie basse du "U", un plan réglable permet le contact du biseau du tangon. La liaison entre la lame du tangon et la base de la potence se produit sur une vis dont la tête est préalablement surfacée à la lime ou au tour à métaux. La modification de la longueur de la vis, permet de varier l'angle entre le point de contact du tangon et la sortie de la corde à piano en haut de la potence. Le réglage de cette vis, ouvre ou ferme l'angle ainsi formé. La modification de cet angle permet de modifier la fréquence de résonance du sismographe. Sur le tangon est fixé un porte aimant en fer à cheval, les aimants viennent de récupération: soit sur des magnétrons hors service de fours à micro-ondes, à la casse chez un électroménagiste, soit des aimants venant d'une casse automobile, les haut-parleurs sont dans les portières. Ils sont munis de bagues magnétiques de 60mm de diamètre pour une épaisseur de 10 mm.

Pour la fabrication de la masse en plomb, utilisez une canette en acier. Vous coulez du plomb dedans.

ATTENTION, la moindre particule d'humidité dans la canette provoque un puissant dégagement de vapeur d'eau, qui provoque des projections de plomb en fusion. TOUJOURS, gants en cuir, lunettes de meulage et masque en Plexiglas couvrant tout le visage, tablier en cuir ou en coton, travailler en extérieur, pas d'enfants autour de vous pendant cette opération. Laissez refroidir une nuit.

Le plomb est un métal toxique, vous coulez uniquement pour vos besoins, pas de rejet dans la nature !

Il est préférable de réaliser la masse en béton.Il faut prévoir un tube creux dans l'axe qui guidera le tangon. 

Un manchon en P.V.C, ou un cylindre de bois, ( en gris sur le dessin ), éloigne l'extrémité du tangon du champ magnétique du frein de Foucault. Le frein de Foucault est constitué d'une plaque d'aluminium (en jaune sur le dessin) qui vient brasser le champ magnétique de deux gros aimants. Les bobines se trouvent dans les moteurs synchrones des programmateurs de machine à laver le linge ou la vaisselle. . Le moteur se présente sous forme d'un boîtier en acier à peine plus gros qu'une boite de cachous LAJAUNIE. Le moteur s'ouvre comme une huître, attention , le fil est très très fin, il ne faut pas abîmer le bobinage sous peine de coupure. La bobine présente à l'ohmmètre une résistance de l'ordre de 3 à 11 Kilo-ohms.

Le tangon:

tangon

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Le "U" a une hauteur de l'ordre de 500 mm, le tangon est en acier de 8 à 10 mm de diamètre pour une longueur de 700 mm, le manchon en P.V.C. a une longueur de 300 mm, pour un diamètre de 30 à 40mm. Les cotes en longueurs ne sont pas critiques. Ménagez vous un espace de l'ordre de 50 mm entre le plan du socle et la barre horizontale dans le "U", qui maintien l'écrou de la vis de tangon.

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Bobine de capteur sismique Lehman

 

Cliquez sur l'image pour agrandir.

Sur la photo , le porte aimants, la patte de renvoi de la corde à piano, la masse en plomb (jaune), le manchon en P.V.C. La bobine sur la photo a servi pendant des années, de fabrication artisanale, 10 000 tours de fil de cuivre, elle était suivie d'un amplificateur de thermocouple industriel permettant une sortie aux normes de l'industrie. Le plan de l'interface analogique numérique que j'utilisais alors, et qui fonctionne fort bien, se trouve dans le magazine Elektor , *CONVERTISSEUR A/N UNIVERSEL* numéro 99 pages 19 à 23, Septembre 1986 et janvier 1987 page 63.

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Pied de réglage pour sismographe lehman

 

Pied de réglage .

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Le frein de Foucault.

Frein de foucault

 

Au bout du manchon de P.V.C. est fixée une plaque d'aluminium. Le manchon de par sa longueur, isole le tangon de l'influence du champ magnétique du frein de Foucault. La plaque d'aluminium vient brasser le champ magnétique, il naît alors dans la plaque des courants qui s'opposent aux mouvements, le freinage très doux ainsi obtenu évite les longs amortissements qui nuisent à la qualité des enregistrements.

J'utilise aussi à la place des aimants, un bain d'huile. La plaque plonge dans un petit bac, sur un centimètre de haut. J'utilise de l'huile de moteur automobile genre 20w40 ou de l'huile de photocopieur.

Le frein à courants de Foucault marche très bien avec une plaque en cuivre   ( Cu ).

 

Le Schéma théorique.

amplificateur

Cliquez sur l'image pour agrandir.

Les 2 bobines du capteur comportent 25000 spires en fil de 10/100. Elles sont espacées d'environ 20 mm et sont montées en opposition de phase sur les 2 entrées + et - du 1er ampli IC1. L'aimant annulaire solidaire du bras mobile du sismographe se déplace entre les 2 bobines. Le signal est ensuite amplifié à nouveau par IC2 suivi du filtre passe-bas du 4ème ordre (IC3) de 24 db par octave dont la fréquence de coupure est d'environ 10 Hz. Le signal sorti du filtre, passe par un étage tampon IC4A suivi de l'ampli de sortie IC4B qui amène ce signal à un niveau correct en amplitude et offset pour attaquer le convertisseur A/N MAX187 de MAXIM.

 


On peut supprimer momentanément l'action de détection par l'interrupteur DIP ou définitivement IC6 et IC7 sans inconvénients. Le circuit IC6 de détection commande IC7 qui est un optocoupleur avec sortie photodétection bilatérale symétrique, spécial pour commande de signaux analogiques bas niveau sans distorsion.

RÉGLAGES

Pendant les réglages, immobiliser le bras mobile du sismographe. Les potentiomètres P1 et P2 sont les potentiomètres d'offset de IC1 et IC2. Les ajuster en position médiane. Ajuster ensuite P1 pour obtenir 0 Volt au point A (borne de test) mettre P4 au maximum de gain ajuster P3 pour avoir une tension continue de 2,5 volt en sortie B. P3 et P4 interagissent. Réajuster P3 si on modifie le gain. Les résistances de 100 ohms au pied des bornes 6 et 7 de IC6 peuvent être modifiées en fonction du seuil de détection désiré. On utilise la borne 14 de la DB25 (tension fixe de 5 volts) pour alimenter le MAX187. La diode Schotky empêche l'entrée du convertisseur A/N de devenir négative. Elle a été choisie pour son très faible seuil; elle est du type MBR050L T1. On peut l'approvisionner chez FARNELL (code 708136).

Auteur Roland Massinot.

 

 

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Le Circuit Imprimé de l'Interface 12 bits

L'avantage de ce module, est qu'il est capable de découper un signal électrique en 4096 niveaux, au lieu de 256 pour la première interface que j'ai utilisée pendant des années. Plus le signal électrique est découpé en tranches fines, meilleure est la lisibilité du signal fourni par le capteur. La liaison avec l'ordinateur se fait sur le port parallèle ( LPT1 ou LPT2).

L'interface tient sur un seul circuit imprimé simple face.


composants

 

Liste des composants

La position de chaque composant se fait par coordonées. Quand il y a deux lettres qui se suivent, le composant est à mi chemin entre les deux, pareil pour les chiffres.

Exemple:GH23

L'intersection des deux droites donne un ovale rouge, le condensateur de 0,3µF.


C1 100µF , D1 2.2K , H2 CONNECTEUR 3 POINTS , GH23 0.3µF , HI23 0.3µF , L12 1K , A23 22µF, CD2 LED, JK2 4.7K , KL23 4.7K , J3 OP177 , B4 1N4001 , CD4 22µF , E4 REG 7906 , FG4 LED , KL34 12K , L34 47nF , LM34 1K , EF5 100µF , FG5 2.2K , HI45 100K , JL45 1K , H5 22nF , J5 OP177 , L5 20KLIN , C56 1N4001 , G56 1µF , CD67 10K , E6-H11F1_OPTO , GH67 27K , H67 18K , H7 18K , I67 1µF , IJ7 22K , J7 3.3K , K78 18K.18K , M6 10µF , C7 180 , D78 10K , A89 100_100 , D9 LM393 , B10 LED , C10 1.5K , E11 INTERX2 , H8 1µF , GH9 1µF , I9 TLO72 , G910 27K , G10 1KLIN , J1112 10K

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L'alimentation se fait en + 12 Volts /0/ - 12 Volts régulé, sur le connecteur à gauche sur le dessin:

12Vcc

0 V (GND)

-12Vcc.

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Coté cuivre:

Circuit imprimé coté cuivre

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La double bobine:

Monsieur Massinot concepteur du circuit de l'interface recommande des bobines de 25000 spires en fil de 20/100. Le support écarte les bobines de 20 mm. Elles sont montées en opposition de phase.

 

oreilles de mickey

 

Il est possible de remplacer les modèles 25000 spires par des bobines de micro-moteur synchrone de marque CROUZET. Les deux bobines CROUZET se câblent en opposition de phase. Pour déterminer la polarité, brancher une bobine sur un millivoltmètre à aiguille ou sur un oscilloscope. Arbitrairement, marquez la bobine sur un des flancs avec un signe distinctif.

Mettre les fils qui sortent de la bobine vers vous. Le signe distinctif vers le haut (donc vous le voyez). Branchez les fils de la bobine avec les cordons du millivoltmètre ou de l'oscilloscope. Les cordons de mesure doivent pouvoir se distinguer l'un de l'autre par une couleur différente. Déplacer au dessus de la bobine, en partant de la gauche et en allant vers la droite, un petit aimant.

Notez le déplacement de l'aiguille, ou du balayage de l'oscilloscope. Marquez les fils de la bobine aux couleurs de vos cordons de mesure.

Sur la deuxième bobine, que vous aurez aussi marquée, recommencer la manipulation, peut être que l'aiguille partira dans l'autre sens, alors inversez le branchement des cordons sur la bobine. Quand vous obtiendrez des déplacements identiques de l'aiguille ou de la courbe de l'oscilloscope pour les deux bobines, la manipulation sera terminée. Il suffit ensuite d'assembler le fil de la même couleur de chaque bobine, ce sera le point milieu de la bobine (S2). Le fil restant de chaque bobine, sera le point extrême ( S1, S3). Il faut monter le tout dans une planchette de bois évidée en oreilles de Mickey. Il faut que les signes distinctifs de chaque bobine soient du même coté. Un peu de mousse assurera le calage avant de refermer et de vernir. Les fils peuvent être sortis sur des connecteurs ou directement soudés au câble 3 fils qui remonte vers l'interface.

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Une petite interface en 12 bits

Une autre interface, toujours en 12bits, en fait ce fut la première interface conçue par Roland Massinot. Allez à Mini-sismographe.

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Nous travaillons avec une seule bobine, soit une 25000 tours en 30/100 eme de mm, soit 11000 tours en 30/100eme de mm,(modèle Lehman), soit avec une bobine de micromoteur synchrone pour programmateur de lave linge de marque Crouzet. Tout autre modèle de bobine peut convenir si il présente à la mesure plus de 8 Kilo-Ohms.

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Modification de la page sous Linux Mint le 27 décembre 2014.

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