Physique: Thermique, Capteurs, Mécanique - Semestre 2

📋 Description du cours

Cours de physique appliquée couvrant trois domaines essentiels pour l’ingénieur électricien : la thermique, les capteurs et la mécanique. Ces connaissances sont indispensables pour comprendre les systèmes physiques et leur instrumentation.

🎯 Objectifs pédagogiques

• Comprendre les phénomènes thermiques
• Maîtriser les principes de fonctionnement des capteurs
• Appréhender les bases de la mécanique
• Choisir et utiliser des capteurs adaptés
• Dimensionner des systèmes physiques simples

📚 Contenu du cours

Thermique

Transferts thermiques

• Conduction thermique (loi de Fourier)
• Convection (naturelle et forcée)
• Rayonnement thermique
• Résistance et capacité thermiques
• Analogie électrique-thermique

Applications

• Refroidissement de composants électroniques
• Dissipateurs thermiques
• Isolation thermique
• Régulation thermique
• Mesure de température

Capteurs et instrumentation

Principes de capteurs

• Définitions (capteur, transducteur, transmetteur)
• Caractéristiques métrologiques
  • Étendue de mesure
  • Sensibilité
  • Linéarité
  • Précision et exactitude
  • Répétabilité
  • Hystérésis

Types de capteurs

Capteurs de température

• Thermocouples (effet Seebeck)
• Thermistances (CTN, CTP)
• Sondes PT100/PT1000
• Capteurs à semi-conducteurs
• Pyromètres infrarouges

Capteurs de position et déplacement

• Potentiomètres
• LVDT (Linear Variable Differential Transformer)
• Codeurs incrémentaux et absolus
• Capteurs inductifs, capacitifs
• Capteurs à effet Hall

Capteurs de force et pression

• Jauges de contrainte
• Pont de Wheatstone
• Capteurs piézoélectriques
• Capteurs de pression (relatifs, absolus)
• Cellules de charge

Capteurs de vitesse et accélération

• Tachymètres
• Accéléromètres (piézo, MEMS)
• Gyroscopes
• Capteurs de vibration

Autres capteurs

• Capteurs optiques (photodiodes, phototransistors)
• Capteurs de proximité
• Capteurs de niveau
• Capteurs chimiques (pH, gaz)

Mécanique

Statique

• Forces et moments
• Équilibre des solides
• Centre de gravité
• Liaisons mécaniques

Cinématique

• Mouvement rectiligne
• Mouvement circulaire
• Vitesse et accélération
• Transmission de mouvement

Dynamique

• Lois de Newton
• Énergie cinétique et potentielle
• Travail et puissance
• Moment d’inertie
• Applications aux systèmes motorisés

🛠️ Travaux pratiques

TP Thermique

• Mesure de résistance thermique
• Étude de dissipateurs
• Régulation thermique PID
• Caractérisation de capteurs de température

TP Capteurs

• Étalonnage de capteurs
• Pont de Wheatstone et jauges de contrainte
• Mesure avec thermocouples et PT100
• Conditionnement de signaux de capteurs
• Capteurs de position et déplacement

TP Mécanique

• Mesures de forces et couples
• Transmission de puissance
• Caractérisation d’un moteur
• Mesure d’inertie

💻 Outils utilisés

• Multimètres et oscilloscopes : Mesures électriques
• Bancs de caractérisation : Tests de capteurs
• Logiciels d’acquisition : LabVIEW, Python
• Simulation thermique : COMSOL (éventuellement)
• Thermomètres infrarouges : Mesures sans contact

📊 Évaluation

• Travaux pratiques (40%)
• Comptes-rendus (20%)
• Contrôle continu (20%)
• Examen final (20%)

🔗 Liens avec d’autres cours

• SE (Systèmes Électroniques) : Chaînes d’acquisition
• ER : Interface électronique-physique
• Automatique : Systèmes physiques à commander
• Mathématiques : Modélisation de phénomènes physiques

📐 Choix et mise en œuvre de capteurs

Critères de choix

• Grandeur à mesurer
• Étendue de mesure
• Précision requise
• Environnement (température, humidité, etc.)
• Contraintes électriques (alimentation, sortie)
• Coût et disponibilité

Mise en œuvre

• Alimentation du capteur
• Conditionnement du signal
• Linéarisation si nécessaire
• Calibration
• Protection et filtrage

💡 Applications pratiques

• Contrôle de processus industriels
• Instrumentation de laboratoire
• Automobile et aéronautique
• Domotique et bâtiment intelligent
• Robotique et automatisation
• Électronique médicale

📖 Compétences développées

• Lecture de documentations techniques (datasheets)
• Dimensionnement thermique
• Sélection de capteurs appropriés
• Analyse de chaînes d’acquisition
• Étalonnage et validation
• Interprétation de mesures physiques

⚠️ Points d’attention

Thermique

• Ne pas sous-estimer les problèmes thermiques
• Importance de la gestion thermique en électronique
• Fiabilité liée à la température

Capteurs

• Importance de l’étalonnage
• Gestion des dérives et vieillissement
• Conditionnement adapté
• Influence de l’environnement

Mécanique

• Sécurité avec les pièces en mouvement
• Importance du dimensionnement
• Couplage mécanique-électrique