CONCOURS EXTERNES IT 2017 EPREUVE TECHNIQUE D’ADMISSION Durée : 2 heures Coefficient : 2 CONCOURS N° 144 Corps : Assistant ingénieurs BAP : C : Sciences de l'ingénieur et instrumentation scientifique Emploi type : Assistant-e ingénieur-e en instrumentation et techniques expérimentales Délégation organisatrice : Ile de France Ouest et Nord, Meudon

REMARQUES IMPORTANTES

_ Aucun matériel n’est autorisé _ Les téléphones portables sont interdits _ Les questions sont indépendentes entre elles, vous pourrez les traiter dans l’ordre souhaité _ Ne pas mettre votre nom ou signer de votre nom dans aucun des exercices

Page introductive à lire attentivement par le candidat

1. Environnement/organisme

1.1 Que signifie le sigle CNRS ? Pouvez-vous indiquer quel est son effectif ?

1.2 Le CNRS est un EPST : que signifie ce sigle ? Pouvez-vous citer 1 autre EPST ?

1.3 Pouvez-vous citer un événement récent qui vous a marqué en lien avec le CNRS ?

1.4 Pouvez-vous citer le nom de deux prix Nobel français et leurs domaines d’activité ?

1.5 Que signifie le sigle BAP au CNRS ? Dans quelle BAP le poste sur lequel vous candidatez est-il rattaché

(intitulé de la BAP) ?

1.6 Vous allez travailler au sein du laboratoire CRAN, que signifie ce sigle?

1.7 Pouvez-vous nous citer deux de ses thématiques de recherche ?

1.7 Le CRAN est une UMR. Que signifie ce sigle ? Précisez votre réponse.

2. Capteurs et Instrumentation

2.1 Donner les symboles de ces grandeurs physiques. Donner leurs unités de mesure et les abréviations

correspondantes :

Symbole usuel Unité (nom et abréviation)

Pression

Force

Température

Longueur d’onde

Fréquence

Tension électrique

Intensité de courant électrique

Capacité électrique

Résistance électrique

2.2 Donner approximativement dans les unités usuelles la valeur de la pression atmosphérique normale au

niveau de la mer.

2.3 Donner la valeur de la température en Kelvin si un capteur affiche 100°C.

2.4 Le photo-transistor

Un photo-transistor est associé à un détecteur de lumière qui allume automatiquement une lampe lorsque la

luminosité est trop faible. On donne sa réponse sur la courbe suivante :

2.5.a. Quelle est la grandeur physique d’entrée de ce capteur ?

2.5.b. Quelle est la grandeur physique de sortie de ce capteur ?

2.5.c. S’agit-il d’un capteur actif ou passif ?

2.5.d. La réponse de ce capteur est-elle linéaire ? Argumenter et commenter l'allure générale du graphe.

2.5.e. La sensibilité de ce capteur est-elle constante ? Argumenter.

2.5.f. Calculer la sensibilité de ce capteur. Commenter éventuellement les unités données sur la courbe.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Intensite (A)

Flux de lumière (W/m²)

2.6. Capteurs et régulation :

2.6.a. Citer au minimum deux capteurs de température et leurs principes physiques.

2.6.b. Quel(s) type(s) de thermocouple peut-on utiliser de préférence pour mesurer et réguler la température d'un

four d’une aciérie industrielle ? Voir le tableau :

Lettre Domaine d’utilisation (°C) Sensibilité moyenne ( μV/°C)

T -200 à 370 51

J -40 à 800 55

E -270 à 870 78,5

K -270 à 1270 41

S -50 à 1600 11,4

R -50 à 1600 12.9

B 0 à 1700 10,6

N -270 à 1300 38

G C et D 0 à 2600 20

Pt/Au 0 à 1000 25

2.6.c Quelle méthode de mesure alternative est préférable ?

2.6.d Dans la liste ci-dessus quel thermocouple utilisera-t-on pour avoir la plus grande précison sur une chaine de

mesure entre 10 et 90°C ?

2.6.e En quelques mots et/ou un schéma quel est le principe de fonctionnement d’un thermocouple ?

2.6.f Réaliser le schéma fonctionnel d’une boucle de régulation fermée.

2.6.g Que signifie les lettres P, I et D pour un régulateur PID ?

2.6.h Sur le schéma suivant, quelle est la grandeur physique régulée ? Justifier.

3. Mécanique

3.1 Sur cet exemple de protoype construit dans un laboratoire, quelle(s) machine(s) peut-on utiliser pour fabriquer la

« roue » de 25 centimètres de diamètre en matériau composite ?

3.2 Quels sont les noms de ces deux machines ? Quelles sont leurs fonctions et leurs particularités ?

Machine 1 Machine 2

3.3 Dessinez à main levée une vue de face de la pièce ci-dessous, avec les normes de dessin industriel (cette

pièce est photographiée du dessus, les trous aux quatres coins sont débouchants) :

3 .4 Quelles seront-les phases de fabrication et les machines utilisées pour réaliser cette pièce en Inox de 400 x

100 x 20 mm

3.5 3.5.a Citez un logiciel utilisé pour réaliser ce dessin d’un ensemble de pièces à usiner ?

3.5.b Comment est représentée cette vue ?

3.5.c Comment vont s’organiser le concepteur dessinateur et le technicien sur machine outil pour usiner les

différentes pièces sur un centre d’usinage à commande numérique ? En abréviation comment s’appelle cette

procédure ?

4. Métrologie

Pour cette partie, argumenter en rapport avec le Vocabulaire International de Métrologie.

4.1 Expliquer les termes métrologiques de « fidélité », « justesse » et « exactitude ». Ajouter une représentation

symbolique si besoin.

4.2 Donner la définition des termes « sensibilité » et « résolution ».

4.3 Convertir dans le Système international d'unités le résultat de mesurage suivant : (5.00 ± 0.02) pouces ?

Pour ce calcul, utiliser l'approximation : 1 pouce = 2.54 cm. Donner le résultat avec le nombre de décimales

pertinent ? Quel instrument de mesure a permis ce type de mesurage.

5. Optique

5.1. A quelle couleur correspond la longueur d'onde 532 nm du spectre visible ?

5.2. Quelle est la plage approximative de longueurs d'onde du spectre visible ? Donnez les valeurs en nm.

5.3. Donner au moins une application industrielle, médicale ou scientifique du rayonnement ultra-violet ?

5.4. Décrire le phénomène optique de fluorescence.

5.5. Donnez au moins un exemple de phénomène de fluorescence naturelle ou marquée.

5.6. Donner au moins une source potentielle de lumière pour des applications scientifiques.

5.7. Donner au moins un type de capteur de lumière.

6. Informatique pour l’instrumentation

6.1 Donner la signification de « CAO ». Décrire en quelques lignes un exemple en électronique dans ce

domaine : objectif recherché, moyens utilisés, gains réalisés, résultat obtenu. Comment peut-être

complétée la CAO pour communiquer avec une machine.

6.3. ARDUINO, RASPBERRY, PIC18F, STM32, ZYNQ-7000 : commentez en quelques lignes les

caractéristiques principales d'au moins trois de ces systèmes matériels en fonction de leur principe

(microcontrôleur, microprocesseur, ...) et de leurs applications potentielles.

6.4. Classer ces protocoles de communication dans les familles « série » ou « parallèle » : bus PCI, RS232, USB,

GPIB IEE-488, Ethernet, I2C, RS485, Fibre Optique.

Série :

Parallèle :

6.4. Turbo-Pascal, Labview, C, C++, Python2.7, QT-Designer, Delphi, Visual-Basic, Matlab, Scilab. Donner en

quelques mots-clés les caractéristiques essentielles de ces différents logiciels de programmation. Vous

pourrez éventuellement les assimiler par groupes et utiliser le style télégraphique.

6.6. Commenter ce Sketch Arduino et proposer le logigramme correspondant :

void setup() Serial.begin(9600); // digital IO init : pinMode(2, INPUT_PULLUP); pinMode(13, OUTPUT);

void loop() int sensorVal = digitalRead(2); Serial.println(sensorVal);

if (sensorVal == HIGH) digitalWrite(13, LOW); else digitalWrite(13, HIGH);

6.7. Récrivez ce programme dans le langage de programmation de votre choix.

6.8

Sous quel langage a été écrit ce programme ?

Que réalise cette séquence ?

7. Électronique

7.1 Donner la valeur des résistances R1 (brun-noir-rouge-doré), R2 (brun-noir-orange-doré), R3 (jaune-violet-

noir-doré) du schéma suivant :

7.2 Que signifie AOP?

7.3 Quel type de montage est représenté ci-dessus ?

7.4 Dans le montage ci-dessus, quelle est la valeur de la tension de sortie Us ?

Dans un premier temps donner l’équation. Pour l’application numérique nous prendrons : R1=470 Ohm,

R2=47 Ohm et R3=1kOhm.

7.5 Sur cet autre montage, exprimer Vout en fonction de Vin, R1 et R2:

Calculer la valeur de R2 pour avoir un rapport Vout/Vin = 0.25 en prenant R1 = 30k ?

7.6 Proposer un montage à base d’un seul amplificateur opérationnel pour transformer une tension variant de

-4V à + 2V en une tension variant de 0 à 12 V (Référence de tension disponible Vref=- 5V ).

7.7 Transmission d’information sur un bus serie

L’écran d’un oscilloscope numérique a une résolution de 512 x 300 pixels.

L’image est monochrome (deux couleurs).

7.7.a Combien de bit(s) faut-il pour coder la couleur d’un pixel ?

7.7.b Quelle est la taille mémoire d’une image en octets ?

7.7.c On relie l’oscilloscope à un ordinateur via un câble d’interface RS-232. La liaison est configurée avec les

paramètres suivant :

vitesse 9600 bps (bits par seconde)

1 bit de START

8 bits de données

Pas de parité

1 Bit de STOP

Quelle est la durée du transfert de l’image de l’oscilloscope vers l’ordinateur ?

7.8 On mesure deux tensions u1 et u2 avec un oscilloscope. L’écran de l’oscilloscope est représenté par la figure

suivante :

7.8.a Déterminer à partir du graphique la période et la fréquence des tensions u1 et u2.

7.8.b Déterminer le décalage en temps Δt existant entre les deux tensions (en ms)

7.8.c Calculer l'angle de déphasage φ en ° entre les deux tensions u1 et u2

7.8.d U2 est il en avance ou en retard sur U1 ?

7.9 Caractéristique d’une photodiode

On souhaite visualiser à l’oscilloscope la caractéristique i = f(u) d’une photodiode.

Pour cela on réalise le montage suivant :

7.9.a Peut on brancher directement l’oscilloscope en mode -X, Y comme indiqué sur la figure ?

Sinon, quel est le problème ? Quelles précautions sont à prendre ?

Sensibilité max pour λ=560nm : 0.3 A/W

BPW21

Temps de réponse : 1µs

On utilise une photodiode du type BPW21 pour mesurer un signal lumineux en provenance d’une diode laser de

longueur d’onde 650nm. La puissance maximum du laser est de 20mW.

On réalise le montage ci-dessous pour conditionner le signal de la photodiode :

Quelle est la sensibilité de la photodiode dans ce montage ?

7.9.b La diode laser est pilotée en courant. Elle émet une intensité lumineuse de la forme :

φ = φ 0 cos(wt) + φ 0

La fréquence du signal lumineux est de 1 KHz. Le laser est utilisé à 25% de sa puissance maximum. Le

courant dans la photodiode est de la forme :

I = I0 cos(wt) + I0 avec I0 = 10uA.

Quel est la fonction de l’amplificateur A0 ?

7.9.c Calculer la valeur de R pour avoir une tension de sortie S0(t) d’amplitude 2V ?

7.9.d Donner l’expression de S0(t)

7.9.e On souhaite numériser le signal S0(t) avec un convertisseur analogique numérique ayant une plage

d’entrée de +-1V.

On réalise le montage suivant. La tension S(t) est envoyée sur le convertisseur non représenté ici.

La référence de tension 1 V très précise, ne peut fournir aucun courant. Quel est la fonction de l’ampli

A1 et sa cractéristique principale ?

7.9.f Finalement la tension S0(t) sera connectée directement sur l’entrée du convertisseur en intercalant un

condensateur de liaison.

L’impédance d’entrée du convertisseur est de 100KΩ

Quel est le rôle de ce condensateur ?

7.9.g A quelle fréquence faut-il échantillonner le signal S0 pour le restituer correctement ? Quel est le nom du

théôrème que l’on applique.

7.9.h Un convertisseur analogique 12 bits numérise le signal S0. De combien de niveaux de quantification

dispose ce convertisseur ? Exprimer cette valeur en hexadécimal.

7.10 Citer 1 transducteur permettant de convertir une intensité lumineuse en signaux électrique

7.11 Quel grandeur physique (variant avec l’intensité lumineuse) est mesurée par le capteur choisi ?

Donner son unité et son ordre de grandeur.

7.12 Quel conditionnement de signal est il nécessaire pour rendre cette grandeur mesurable ?

7.13 Citer 1 transducteur permettant de convertir une force mécanique exercée sur lui en signaux

électrique

7.14 Quelle grandeur physique (variant avec la force exercée) est mesurée par le capteur ?

Donner son unité et son ordre de grandeur

7.15 Quel conditionnement de signal est il nécessaire pour rendre cette grandeur mesurable ?

8. Hygiène et sécurité

8.1 Qu’est-ce que l’habilitation électrique ?

8.2 Quelles sont les tensions électriques qui définissent la limite entre les domaines de tension BT et HT ?

8.3 Quelles sont les tensions de sécurité en continu et en alternatif ?

8.4 Que signifie EPI ?

8.5 Citer plusieurs EPI et donner des exemples d’application.

8.6 Qu’est-ce qu’un SST et un PCR ?

8.7 Décrire cette photo. Quels sont le ou les dangers derrière cette porte ? Quels sont les moyens de protections

utilisés ? Quels sont les EPI à utiliser ? Argumenter.

8.8 Donner la signification des pictogrammes suivant :

-1- -2- -3- -4-

-5- -6- -7- -8-