LES COMPOSANTS ELECTRONIQUES POUR LA CONCEPTION D’UN MAGNETOMETRE FLUXGATE

Sonde magnétométrique

Plusieurs types de capteurs magnétiques ou sonde magnétométrique sont utilisés pour la mesure du champ magnétique. Les magnétomètres à protons ou à effet Overhaüser et les magnétomètres à pompage optique sont des capteurs scalaires qui mesurent l’intensité de champ magnétique. Les magnétomètres à protons ou à effet Overhaüser sont les seuls absolus ; ils ont une bonne précision de mesure (entre 0.1 et 0.01 nT) mais ont une cadence d’échantillonnage plus faible que les magnétomètres à pompage optique ce qui fait que ces derniers sont préférés en aéromagnétisme d’autant plus que leur précision est meilleure. Les magnétomètres à vanne de flux (fluxgate en anglais) permettent la mesure de l’intensité du champ magnétique dans une direction donnée. Généralement, trois sondes fluxgates sont montées orthogonalement dans un magnétomètre. La précision des mesures est moindre, de l’ordre du nT ; cependant la cadence des mesures est très grande, de l’ordre de la centaine de mesures par seconde. Le magnétomètre fluxgate a été développé en vue de réaliser un détecteur de sous-marins durant la deuxième guerre mondiale. À partir de 1945, elle était employée pour faire des mesures aéroportées appliquées à la prospection minière. Plus récemment, de nouveaux magnétomètres sont proposés, en particulier les magnétomètres « Superconducting Quantum Interference Device » (SQUID) qui permet la mesure du tenseur magnétique.

Bus Serial Peripheral Interface

SPI est l’acronyme de Serial Peripheral Interface. Dans le but de minimiser les échanges de données entre les composants (microcontrôleur, capteurs, …), les bus série sont créés. D’où la naissance du bus SPI. Les circuits communiquent selon un schéma maître-esclaves où le maître s’occupe totalement de la communication. Plusieurs esclaves peuvent coexister sur un même bus. Dans ce cas, la sélection du destinataire se fait par une ligne dédiée entre le maître et l’esclave appelée Slave Select (SS). Le bus SPI utilise quatre signaux logiques :
– SCLK – Serial Clock, (généré par le maître),
– MOSI – Master Output, Slave Input (généré par le maître),
– MISO – Master Input, Slave Output (généré par l’esclave),
– SS – Slave Select, actif à l’état bas (généré par le maître),
D’autres noms sont souvent utilisés pour désigner ces quatre signaux logiques:
– SCK – Horloge (générée par le maître),
– SDI, DI, SI — Serial Data IN,
– SDO, DO, SO – Serial Data OUT,
– nCS, CS, nSS, STE, CSN-SS,
Dans le cas de la convention de terminologie SDI/SDO, le SDO du maître doit-être reliée au SDI de l’esclave et vice-versa. Pour éviter les confusions au moment du câblage, il est souvent recommandé d’utiliser les dénominations MISO/MOSI.

Structure du signal émis par les satellites

Chaque satellite génère deux porteuses sinusoïdales de fréquence L1 et L2, avec L1=1575,42MHz et L2=1227,60MHz. Ces deux porteuses sont modulés en phase par des signaux numériques binaires (modulation BPSK ou Binary Phase ShiftKeying) qui sont des codes pseudo-aléatoires (code C/A ou Coarse Acquisition) destiné aux applications civiles et code P réservé aux applications militaires.
 Le code C/A est émis avec un débit binaire d1 de 1,203 Mégabit par seconde,
 Le code P est émis avec un débit binaire d2 tel que d2=10.d1
La porteuse L1 transmet le code C/A et le code P, ces deux codes sont émis en quadrature de phase tandis que la porteuse L2 transmet uniquement le code P. Les données proprement dites (position et état du satellite, heure exacte d’émission de message, …) à transmettre au récepteur ont un débit binaire d=50bits/s. Elles sont « insérés » dans chaque code mais n’en modifient pas le débit et ces données sont ainsi propres à chaque satellite.

Réalisation de la campagne magnétique

Cette étape consiste à se rendre sur le terrain loin des métaux qui pourraient créer une perturbation avant la prospection.
Levé magnétique On se sert des levés magnétiques pour localiser d’éventuel minerais susceptible d’être capté par le capteur. Il est commode pour le travail de terrain et pour l’interprétation ultérieure de faire des mesures sur des stations situées sur des profils rectilignes plus ou moins parallèles car le traitement avec le logiciel sera plus facile et plus rapide.
Magnétomètre L’appareil de mesure du champ magnétique et ses composantes est dénommé magnétomètre. La prospection magnétique est basée sur la mesure du champ magnétique. Ici, pour la prospection, nous avons utilisé un magnétomètre à base d’un capteur magnétique à 3axes avec un Arduino et toutes les données seront enregistrées dans une carte SD pour d’éventuelles manipulations. Les valeurs lues sont données en nano Tesla.

Interprétation des résultats

À Antananarivo, d’après l’IOGA le champ magnétique terrestre d’Antananarivo est d’environ 33000nT avec une perturbation c’est-à-dire avec la présence d’un élément perturbateur. Lorsque la mesure est effectuée avec le magnétomètre, on constate bien une variation du module du champ magnétique lorsqu’il est mis à proximité d’un élément perturbateur. Sur la figure 29 ci-dessous, on peut voir cette variation durant une prospection faite à Anosivato Ampangabe Ambohitrimanjaka. La variation du module du champ magnétique montre bien l’efficacité de notre magnétomètre.

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I: CADRE ET CONTEXTE DE LA MISSION
I.1. Institut et Observatoire de Géophysique à Antananarivo ou IOGA
I.1.1 Historique de l’IOGA
I.1.2 Services offerts par IOGA
I.1.3 Laboratoires de recherche
I.2. Activités
I.3 Champ magnetique
I.3.1 Notation
I.3.2 Intensité de la magnétisation
I.3.3 Susceptibilité magnétique
I.3.4 Moment magnétique
I.3.5 Induction magnétique
I.3.6 Champ magnétique terrestre
CHAPITRE II : MATERIELS ET METHODES
II.1 Mesures de l’intensite totale du champ
II .1.1 Familles de MAGNETOMETRE
II.1.1.1 Magnétomètres scalaires
III.1.1.2 Magnétomètres vectoriels
II.1.2 Sonde Magnetometrique
II.1.2.1 Principe de la mesure fluxgate
II.1.2.2 Performance d’un capteur fluxgate
II.2 Phénomènes physiques et grandeurs mesurables
II.2.1 Qu’est – ce qu’un magnétomètre ?
II.2.2 Caractéristique d’un magnétomètre
II.3 Capteur HMC5883L ou GY271
II.3.1 Principe de fonctionnement
II.3.2 Bibliothèque du capteur
II.3.3 Algorithme de fonctionnement du capteur HMC5883L
II.4 Protocole de communication ou bus supportés par la carte Arduino
II.4.1 Communication ou bus SPI et I2C
II.4.1.1 Bus I2C
II.4.1.2 Caractéristiques principales du bus I2C
II.4.1.3 Bus I2C et Arduino
II.4.2 Communication ou bus SPI
II.4.2.1 Bus SPI
II.4.2.2 Fonctionnement du bus SPI
II.4.2.3 Bus SPI et Arduino
II.5 Carte Arduino Mega2560
II.6 Montage du capteur HMC5883L avec Arduino
II.6.1Algorithme du capteur HMC5883L
II.7 Module carte SD
II.7.1 Prérequis à l’utilisation de la carte SD
II.7.2 Contenus de la librairie
II.7.3 Fonctions de manipulation de fichiers
II.7.4 Bibliothèque de la carte SD
II.7.5 Algorithme de fonctionnement de la carte SD
II.8 Ecran d’affichage
II.8.1 Bref aperçu de l’écran OLED
II.8.2 Prérequis à l’utilisation de l’écran OLED
II.8.3 Circuit intégré 4050 avec l’écran OLED
II.9 Bouton poussoir
II.9.1 Prérequis à l’utilisation du bouton
II.9.2 Contrainte pour le montage
II.9.3 Arduino et le bouton
II.9.4 Algorithme de fonctionnement du bouton poussoir
II.10 Algorithme de fonctionnement final du magnétomètre
CHAPITRE III : LOCALISATION DU SITE DE MESURE
III.1 Global Positioning System (GPS)
III.1.1 Présentation du système GPS
III.1.2 Strucuture du signal émis par les satellites
III.1.3 Calcul du point de position
III.1.4 NMEA 0183
III.1.5 Récepteur GPS
III.1.5.1 Le GPS avec Arduino
III.1.5.2 La librairie du GPS
III.1.6 Algorithme de fonctionnement du GPS
CHAPITRE IV : EXPLOITATION ET VALIDATION DE L’INSTRUMENT
IV.1 Interface graphique sous Matlab
IV.2 Description de la prospection magnétique
IV.2.1 Réalisation de la campagne magnétique
IV.2.1.1 Levé magnétique
IV.2.1.2 Magnétomètre
IV.2.2 Magnétomètre à Arduino
IV.2.2.1 Définition
IV.2.2.2 Principe de fonctionnement
IV.2.2.4 Description des travaux effectués
CHAPITRE V : RESULTATS ET INTERPRETATIONS
V.1 – RESULTATS
V.2 – Interprétation des résultats
V.2.1 Interprétation
VII.2.2 Problèmes liées au montage
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ET WEBOGRAPHIQUES
ANNEXES