1 - Département de physique, UFR Sciences et technologies

Sommaire
Pages
1. Introduction
3
2. Reprise de projet précédent
4
3. Etude mécanique du projet et réalisation d’un banc de mesure
6
4. Etude du montage conditionneur et de la carte électronique
16
5. Acquisition des données sur ordinateur
28
6. Conclusion
38
Annexes :
Annexe 1 : Schéma carte électronique
Annexe 2 : Devis jauges de contraintes
Annexe 3 : Documentation techniques de la carte NI 6229
Annexe 4 : Diagramme de GANTT
1
Remerciements
Nous tenons en premier lieu à adresser nos remerciements à M.Fabrice DUMAS, notre
tuteur de projet, pour son encadrement et pour la disponibilité dont il a fait preuve tout au
long de notre travail.
Nous souhaitons ensuite remercier Mme Varenne pour les précieux conseils qu’elle
nous a apporté en électronique ; ainsi que Messieurs Beaune et Miko qui étaient toujours
présents quand nous avions besoin d’eux.
Nous remercions enfin toutes les personnes qui ont pu nous apporter leur aide afin de
mener à bien le projet.
2
I°/ Introduction :
Dans le cadre de notre 3ème année de licence nous sommes amenés à réaliser un
projet. Ce projet a pour but de nous familiariser avec notre future vie professionnelle.
Le projet que nous avons choisi consiste en la réalisation d’un TP matériaux pour des
étudiants passant l’agrégation.
Ce projet a déjà été abordé par des étudiants de Master Mécatronique 1ére année.
Notre travail a donc été de reprendre celui commencé au préalable et de le compléter. Nous
l’avons divisé en trois parties distinctes.
-
Tout d’abord l’étude porte sur l’identification des principales caractéristiques
des matériaux (Contraintes, déformations), puis sur la réalisation d’un support de banc
de mesure.
-
Nous avons ensuite étudié un montage amplificateur adapté à la mesure de
contraintes (Pont de Wheatstone, amplificateur d’instrumentation).
-
Notre dernière partie concerne l’acquisition des données sur ordinateur. Pour
cela nous nous sommes renseignés sur les moyens d’acquisition et les interfaces
possibles (Cartes d’acquisition, logiciel Labview).
3
II°/ Reprise du projet précédent
Les étudiants de M1 MTN ont réalisé le schéma du pont d’extensométrie, permettant
la mesure de contrainte pour différents matériaux et avec différentes liaisons (encastrements
ou appuis simples). Une vue d’ensemble de ce dernier est représentée ci-dessous.
Les supports du banc de mesure, fixés sur le pont d’extensométrie, peuvent être
facilement inter changés afin de permettre des mesures selon diverses configurations
(encastrée, appui).
Le banc de mesure est soumis à une force nodale appliquée en son centre et provoque
une déformation de l’éprouvette.
Les jauges de contraintes, collées au centre de l’éprouvette, se déforment
proportionnellement à l’effort appliqué.
L’exploitation de leur variation de résistance permet d’identifier la contrainte
appliquée et ainsi les déformations du matériau.
4
Lors de notre projet nous avons conservé les dimensions de l’éprouvette conçue par
les précédents étudiants (longueur : 250mm, largeur : 20mm, hauteur : 2mm).
Nous avons choisi d’utiliser un banc de mesure en aluminium car le module d’Young
de l’aluminium est inférieur à celui de l’acier, donc la déformation du matériau est plus
importante ; ainsi que la variation de la jauge de contrainte associée.
Néanmoins, nous avons modifié la contrainte imposée au matériau :
L’étude préalable proposait de fixer une masse de 4kg sur l’éprouvette ; cependant la
contrainte maximale au sein du banc de mesure était supérieure à celle supportée par
l’aluminium. Notre étude est donc réalisée avec une masse de 1kg.
Le montage conditionneur associé aux jauges de contrainte est un demi pont de
Wheatstone, car le circuit amplificateur, conçu durant l’étude préalable, n’est adapté qu’à ce
type de montage. De plus la sensibilité est accrue et l’incertitude sur la mesure est réduite par
rapport à un montage quart de pont.
5
III° /Etude mécanique du projet et réalisation d’un banc
de mesure
Généralités sur les jauges de contraintes :
Une jauge de contrainte est un élément métallique collé sur la surface d’une pièce.
Lorsque la pièce est sollicitée, elle se déforme. La jauge subit alors la même déformation que
la pièce. Cette déformation modifie certaines caractéristiques physiques du matériau,
notamment sa résistance.
R=ρ
l
s
On peut montrer que :
ΔR
= K ×ε
R
où ε =
Δl
l
La variation de la résistance d’une jauge de contrainte est proportionnelle à la
déformation de la jauge donc de la surface de la pièce sur laquelle elle est fixée.
Depuis la déformation, on peut remonter jusqu'à la contrainte dans la pièce et donc à
l’effort qui lui est appliqué.
Le matériau le plus utilisé pour la fabrication de jauges est le constantan notamment
grâce aux caractéristiques suivantes :
-
Sensibilité constante même pour de grandes déformations.
-
Résistivité élevée, donc grande résistance pour de petite longueur, ce qui permet de
réaliser de très petites jauges.
-
Très stable et relativement peu affecté par les changement de température, ce qui
est le plus grand problème rencontré dans la mesure de déformations avec des
jauges.
6
Schéma d’une jauge :
Quelques caractéristiques :
-
la jauge collée sur un support à étudier est un capteur passif et nécessite donc un
circuit de conditionnement.
-
C’est la technique expérimentale la plus utilisée pour la mesure de contrainte pour
plusieurs raisons : Fiabilité des mesures, précision obtenu, simplicité de mise en
œuvre par rapport à d’autres méthodes et coût faible.
-
L’utilisation des jauges de contrainte se fait aussi bien en laboratoire qu’en
chantier, pour la mesure de contrainte (en statique ou dynamique), pour la
fabrications de capteurs ou comme indicateur de fissure.
7
Etude théorique d’une poutre sur 2 appuis simples :
On a :
Ya – F + Yb = 0
m(a) = 0 = - F ×
l
+ l × Yb
2
d’où, après simplification :
Ya =
F
2
et
Yb =
Moment fléchissant :
⎧ dT
⎪ dx = − f 2 ( x) = 0
⎪⎪T = cste
⎨
⎪T (l ) = Yb = cste
⎪
⎩⎪T ( x) = Yb
⎧ dm
⎪ dx = −T ( x) = −Yb
⎪
⎪m( x) = −Yb × x + cste
⎨
⎪m( x = 0) = 0 = cste
⎪
F
⎪m( x) = −Yb × x = − x
2
⎩
8
F
2
Analyse numérique :
Le moment fléchissant maximum se trouve au point
M Fgz
M Fgz
l
. D’où,
2
F × l mg × l 9,8 × 250.10 −3
=
=
=
4
4
4
= 0,6125 N .m
Calcul de la contrainte maximum appliquée :
σ MAX =
M Fgz . y
I gz
avec I gz =
et y =
σ MAX =
(2.10 −3 ) 3
b.a 3 l × h 3
=
= 20.10 −3 ×
= 1,33.10 −11 m 4
12
12
12
a h
= = 1mm
2 2
0,6125 × 1.10 −3
= 46 MPa
1,33.10 −11
La contrainte maximale imposée reste en dessous de la limite élastique de l’aluminium
(σ e = 70MPa)
Calcul de la flèche maximale de la poutre en x =
f =
l
::
2
− F × x3
− 100 × (250.10 −3 ) 3
=
= − 3,5mm
48 × E × I gz 48 × 70.10 ç × 1,33.10 −11
9
Etude théorique d’une poutre encastrée aux deux extrémités :
On a :
Xa – Xb = 0
Ya – F + Yb = 0
Ma − F
l
+ l × Yb + Mb = 0
2
D’où, après simplification :
Xa = Xb
Ya = F – Yb
Ma = F
l
− l × Yb − Mb
2
On a affaire à un système hyperstatique de degrés 3. Une fois l’hyperstaticité levée, on trouve
les réactions d’appui suivantes :
Y A = YB =
F
2
MA = MB =
− F ×l
8
10
Analyse numérique :
Le moment fléchissant maximum se trouve au point
M Fgz =
l
. D’où,
2
F × l 10 × 250.10 −3
=
= 0,3125 N .m
8
8
Calcul de la contrainte maximum appliquée :
σ MAX =
M Fgz . y
I gz
avec I gz =
et y =
σ MAX =
b.a 3 l × h 3
(2.10 −3 ) 3
=
= 20.10 −3 ×
= 1,33.10 −11 m 4
12
12
12
a h
= = 1mm
2 2
0,3125 × 1.10 −3
= 23,5MPa
1,33.10 −11
Calcul de la flèche de la poutre en x =
f =
l
:
2
− F ×l3
− 10 × (250.10 −3 ) 3
=
= − 0,87 mm
192 × E × I 192 × 70.10 9 × 1,33.10 −11
11
Simulation avec le logiciel Rdm le mans :
Cas de 2 appuis simples :
Résultats :
Contrainte max : σ MAX = 46,88MPa
Flèche max : f = −3,617 mm
12
Cas de 2 encastrements :
Résultats :
Contrainte max : σ MAX = 23,44 MPa
Flèche max : f = −0,9042mm
Les résultats trouvés analytiquement et par simulation sont très proches. La poutre
se déforme de façon élastique dans les deux cas. Par la suite, on cherchera à retrouver les
contraintes imposées en utilisant des jauges collées sur la poutre.
On s’est ensuite intéressé à réaliser un pont d’extensométrie sous CATIA.
13
Réalisation d’un pont d’extensométrie sous CATIA :
Le pont d’extensométrie doit permettre des mesures suivant différentes
applications (encastrement, appuis simples). Les supports fixés peuvent être facilement
changés suivant le type de mesure souhaité. Une contrainte peut être imposée en plaçant un
poids (1kg pour ne pas dépasser la limite élastique de l’aluminium) sur l’éprouvette. On peut
visualiser le banc réalisé ci-dessous :
Par manque de temps, nous avons décidé de ne pas fabriquer ce pont d’extensométrie.
En effet, un pont d’extensométrie est présent à l’université et nous l’avons donc utilisé pour
notre projet. Ce banc de mesure ne permet qu’une configuration sur deux appuis simples. Une
tige avec des poids permet l’application d’une force sur l’éprouvette. Des jauges
d’extensométrie (360 Ω ) sont présentes sur certaines éprouvettes et nous a permis de nous
familiariser avec ce type de mesure.
14
Photo du banc de mesure présent à l’université :
15
IV°/ Etude du montage conditionneur et de la carte
électronique :
Les jauges de contraintes étant des capteurs passifs, la mesure de leurs variations se
fait à l’aide d’un montage conditionneur.
Le conditionneur le plus usité pour ce type de capteur est le pont de Wheatstone car il permet
d’obtenir un signal facilement mesurable et caractérisant ΔR/R (i.e la variation relative de la
jauge).
Voici le principe de fonctionnement du pont de Wheatstone :
En appliquant le théorème de Millman en C et en D, on a :
16
Le pont est équilibré lorsque Vout est nulle quelle que soit l’entrée.
Cela se traduit par :
Nous avons dans notre cas un montage demi pont, c'est-à-dire que 2 résistances sont des
jauges de contrainte et les 2 autres sont des résistances.
Elles ont cependant toutes la même résistance nominale R afin que le pont soit équilibré
initialement.
L’avantage d’un montage demi pont est qu’il est insensible à la température et que sa
sensibilité est 2 fois plus grande qu’un montage quart de pont.
Les 2 jauges sont collées de part et d’autre du banc de mesure, donc quand l’une est allongée,
l’autre est compressée ; ce qui se traduit par une variation de +dR dans un cas et -dR dans
l’autre.
L’équation de base devient :
Vout = Vin
( R( R + dR) − R( R − dR))
( R + R)( R + dR + R − dR)
Vout = Vin
( R ² + R.dR − R ² + R.dR )
2R × 2R
Vout = Vin
2 R.dR
4R²
17
Vout =
Vin dR
2 R
Le pont de Wheatstone étant inclus dans le montage amplificateur, voici son fonctionnement :
Les jauges utilisées ont une résistance nominale de 120 Ω.
Nous observons que le pont n’est pas directement alimenté en +15/-15V ; il y a une
chute de tension aux bornes des résistances de 820 Ω.
La simulation de ce circuit avec le logiciel crococlip nous montre que le pont est
alimenté en +1/-1V :
18
La contrainte maximale (calculée dans la partie mécanique) est égale à 46MPa.
La loi de Hooke nous donne : σ = EY × ε
On a aussi ε =
On sait que
Δl σ
=
l
EY
Δl
σ
ΔR
=K
=K
, où K représente le facteur de jauge (i.e la sensibilité)
R
l
EY
D’où, ΔRmax =
Donc,
K .R.σ 2 × 120 × 46.10 6
=
= 0.158Ω
EY
70.10 9
V max =
E a lim ΔR 2 0.158
= ×
= 1.3mV
2 R
2 120
Les calculs ont été effectués avec un facteur de jauge égal à 2, un module d’Young de
l’aluminium de 70GPa et une tension d’alimentation du pont de 2V (i.e +1/-1V)
Nous allons désormais évaluer l’incertitude de mesure :
Pour un montage demi pont, nous avons 2 résistances et 2 jauges de contrainte.
En reprenant l’équation de base du pont :
Vout 0 = Vin
( R1 + σ R1 )( R J 1 + σ J 1 ) − ( R2 + σ R 2 )( R J 2 + σ J 2 )
( R2 + σ R 2 + R1 + σ R1 )( R J 1 + σ J 1 + R J 2 + σ J 2 )
19
Après avoir chargé la poutre et rééquilibré le pont, on obtient :
Vout1 = Vin
( R1 + σ R1 )( R J 1 + σ J 1 + dR ) − ( R2 + σ R 2 )( R J 2 + σ J 2 − dR )
( R2 + σ R 2 + R1 + σ R1 )( R J 1 + σ J 1 + dR + R J 2 + σ J 2 − dR )
La différence entre les deux expressions précédentes nous donne :
Vout1 − Vout 0 = Vin
dR ( R1 + σ R1 ) + dR ( R2 + σ R 2 )
( R2 + σ R 2 + R1 + σ R1 )( R J 1 + σ J 1 + R J 2 + σ J 2 )
Si l’on considère que R1 = R2 = RJ1 = RJ2 = R
Vout1 − Vout 0 = Vin
dR (2 R + σ R1 + σ R 2 )
(2 R + σ R 2 + σ R1 )(2 R + σ J 1 + σ J 2 )
On remarque que l’incertitude sur les résistances s’annule.
Les jauges possèdent la même incertitude, d’où σJ1 = σJ2 = σJ
Vout1 − Vout 0 = Vin
dR
2( R + σ J )
Sachant que Vout0 est réglé à 0V pour équilibrer le pont.
On obtient : dVout =
Vin dR
2 R
2
⎞ ⎛ σ Rj ⎞ ⎛ σ Vin ⎞
⎛σ
⎛σ ⎞
⎟⎟ + ⎜
L’incertitude s’exprime donc : ⎜ dR ⎟ = ⎜ dVout ⎟ + ⎜⎜
⎟
⎝ dVout ⎠ ⎝ R J ⎠ ⎝ Vin ⎠
⎝ dR ⎠
2
2
2
2
⎛σ
⎞
Le terme ⎜ dVout ⎟ représente l’incertitude du montage électronique placé subséquemment et
⎝ dVout ⎠
ne peut être calculé aisément.
20
D’après la documentation technique, la tolérance sur une jauge de 120 Ω est égale à :
Tolérance = 0,3%*R = 0,36Ω
L’incertitude type est : σ R j =
⎛ σ Rj
On obtient : ⎜⎜
⎝ RJ
2
tolerance
= 0.12Ω
3
2
⎞
0.12 ⎞
−6
⎟⎟ = ⎛⎜
⎟ = 1.10
⎝ 120 ⎠
⎠
De plus, l’incertitude sur la tension d’alimentation Vin est de l’ordre de 1%.
2
2
⎛σ ⎞
⎛ 0.01 ⎞
−5
D’où ⎜ Vin ⎟ = ⎜
⎟ = 2,5.10
⎝ 2 ⎠
⎝ Vin ⎠
L’incertitude de mesure est de l’ordre de 10-5 sans tenir compte de celle du montage
amplificateur.
Remarque : Pour le montage quart de pont, c'est-à-dire possédant 1 jauge de contrainte et une
résistance variable (afin de régler le zéro), le tout monté avec 2 résistances, nous prenons la
formule d’équilibre du pont afin de calculer l’incertitude.
Rj.R3 = Rvar .R4
Quand la poutre n’est pas chargée et que le pont est équilibré, on obtient la formule
suivante : ( Rj + σ Rj ).( R3 + σ R 3 ) = ( Rvar + σ var ).( R4 + σ R 4 )
Ensuite, en chargeant le pont et en rééquilibrant, on obtient :
( Rj + dR J + σ Rj ).( R3 + σ R 3 ) = ( Rvar + dRvar + σ var ).( R4 + σ R 4 )
En soustrayant les deux expressions :
dR J ( R3 + σ R 3 ) = dRvar ( R4 + σ R 4 )
dR J =
dRvar .( R4 + σ R 4 )
( R3 + σ R 3 )
L’incertitude sur la variation de la jauge dépend maintenant des résistances du pont.
2
2
2
⎛ σ dR ⎞
⎛σ
⎞ ⎛σ ⎞ ⎛σ ⎞
⎜
⎟ = ⎜ dR var ⎟ + ⎜⎜ R 4 ⎟⎟ + ⎜⎜ R 3 ⎟⎟
⎝ dR ⎠
⎝ dR var ⎠ ⎝ R4 ⎠ ⎝ R3 ⎠
2
21
Les résistances ont une tolérance égale à 5%*R, soit 6Ω
D’où l’incertitude type σR4 = σR3 = σ dR var = tolérance/3 = 2Ω
2
2
2
2
⎛ σ dR ⎞
⎛ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞
−4
⎜
⎟ =⎜
⎟ +⎜
⎟ +⎜
⎟ = 8.10
dR
120
120
120
⎝
⎠ ⎝
⎠ ⎝
⎠
⎝
⎠
L’incertitude de mesure avec un montage quart de pont est de l’ordre de 10-4.
Elle est donc supérieure à celle d’un montage demi pont.
Nous reprenons l’étude du pont de Wheatstone :
Au maximum nous observons une variation de 1.3mV en sortie de pont.
Ceci est faible, il est donc nécessaire d’amplifier ce signal afin de pouvoir exploiter
correctement les résultats.
La carte électronique conçue par les étudiants précédents comporte 3 étages amplificateurs
permettant une amplification totale de 10 000 (i.e 22 par étage).
Le schéma complet se situe en annexe et le principe est le suivant :
22
La procédure à suivre pour la mesure de contrainte consiste tout d’abord à ne pas
appliquer de force sur le banc de mesure ; les jauges sont donc dans leur état initial.
Ensuite, il faut régler le zéro sur la carte électronique afin que le pont de Wheatstone
soit à l’équilibre et que la sortie de la carte soit égale à 0V.
On peut désormais appliquer une contrainte et la déformation des jauges sera amplifiée
et mesurée en sortie de la carte.
Afin de comprendre le fonctionnement de la carte électronique, nous l’avons étudiée
étage par étage.
1er étage : Amplificateur d’instrumentation
⎛ 2R + Rg
La fonction de transfert est : Vs1 − Vs 2 = ⎜
⎜ R
g
⎝
⎛ 2R + Rg
Avec G1 = ⎜
⎜ R
g
⎝
⎞
⎟(Va − Vb)
⎟
⎠
⎞ ⎛ 2 *10.10 3 + 1000 ⎞
⎟=⎜
⎟⎟ = 21
⎟ ⎜
1000
⎠
⎠ ⎝
G1 étant le gain de l’amplificateur d’instrumentation.
23
2ème étage : amplificateur différentiel
La fonction de transfert est : Vs3 = α (Vs 2 − Vs1) + Vzéro
Vzéro étant très faible en pratique, nous le négligeons devant le reste.
Au final, on obtient : Vs3 = α (Vs 2 − Vs1)
Avec α .R = 100.10 3 Ω et R=4.7.103 Ω
D’où α =
100.10 3
= 21,28
4,7.10 3
α étant le gain de l’étage.
24
Voici l’étage permettant le réglage du zéro :
Réglage du zéro
Ce montage est un amplificateur non inverseur dont la valeur de sortie (Vzéro) est
réglable à l’aide de la résistance variable de 100kΩ.
Il permet d’annuler la tension de sortie de la carte électronique quand la poutre n’est
pas chargée.
3eme étage : amplificateur non inverseur à gain réglable
25
⎛ R + P2 + R13 ⎞
⎟⎟ × Vs3
La fonction de transfert est : Vs = ⎜⎜ 12
P
R
+
2
13
⎠
⎝
Avec R12 = 100kΩ, R13=3,3kΩ et P2 est la résistance variable permettant d’ajuster le gain.
Le gain peut varier entre 31,3 et 13 selon la valeur de P2 :
Pour P2 = 0Ω, le gain est égal à 31,3.
Pour P2 = 5kΩ, le gain est égal à 13.
La dernière partie de la carte électronique concerne la détection de surcharge :
Détection de surcharge :
L’amplificateur opérationnel constituant cet étage fonctionne en comparateur ; il
compare le signal de sortie de la carte électronique avec la tension de référence (qui est de
10,2V).
Quand la tension de sortie est supérieure à 10,2V, les LED s’allument ce qui signifie
que le signal est saturé, donc que les résultats risquent d’être incorrects.
Au final, la fonction de transfert de la carte électronique est :
⎛ R + P2 + R13 ⎞
⎟⎟.(α × G1 × (V A − VB ))
VS = ⎜⎜ 12
⎝ P2 + R13 ⎠
Avec G1 =
2R + Rg
Rg
et
α=
R10
R9
26
Où (VA-VB) représente la différence de potentiel aux bornes du pont de Wheatstone.
Photo de la carte électronique :
Nous avons testé le montage en plaçant 2 résistances variables permettant de simuler
les jauges. La tension recueillie sur un oscilloscope est une tension continue d’amplitude
correspondant à la variation des 2 résistances.
Notre travail a donc été ensuite d’acquérir et de traiter cette tension sur ordinateur.
27
V°/ Acquisition des données sur ordinateur :
La dernière partie de notre projet avait pour but d’acquérir, de manière simple, le
signal de sortie de notre amplificateur sur un ordinateur. L’utilisation d’une carte
d’acquisition National Instrument nous a paru la meilleure solution pour atteindre cet objectif.
En effet les cartes DAQ sont très facilement utilisable par l’utilisateur et le logiciel LabVIEW,
très convivial, permet l’acquisition de données sans connaissances particulières en
informatique.
Nous avons utilisé le matériel du département de physiques, composé de :
- Une carte d’acquisition NI 6229
- Un bloc de connexion CB-68LP
- Le logiciel LabVIEW 8.2
Notre travail se divise donc en trois parties :
-
Etude du matériel utilisé
-
Prise de connaissance avec l’environnement LabVIEW
-
Acquisition du signal
Matériel utilisé :
Nous avons dans un premier temps étudié le matériel utilisé. La carte NI 6229 est une
carte d’acquisition National Instrument composée de 32 entrées analogiques, 4 sorties
analogiques et 48 entrées/sorties numériques.
28
Une carte DAQ convertit les signaux analogiques des jauges de contraintes en signaux
numériques. Les cartes DAQ sont disponibles pour les systèmes de BUS les plus divers (PCI,
cPCI, PCMICA, USB, ISA). La carte DAQ NI 6226 utilisée est branchée sur un bus PCI.
Cette carte DAQ accepte des tensions comprises entre -10V et 10V.
Son prix est de 715€. On veillera tout au long de notre projet de ne pas dépasser les
limites de tensions acceptables par cette carte. Le schéma de brochage est présenté cidessous :
29
On ne peut brancher les tensions à recueillir directement sur cette carte. On utilise
donc un bloc de connexion CB-68LP relié a la carte DAQ sur lequel on branche ces tensions.
Dans la suite, on utilisera seulement les deux premières entrées analogiques. Les connexions
sont présentées ci-dessous :
30
Prise de connaissance avec l’environnement Labview :
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) est un logiciel de
développement d'applications d'instrumentation. LabVIEW est plus particulièrement destiné à
l'acquisition de données et au traitement du signal. En effet, ce logiciel offre de larges
possibilités de communication entre l'ordinateur et le monde physique (exemple : par cartes
d'acquisitions) ainsi que d'importants outils mathématiques permettant de traiter les signaux
mesurés. L'idée de LabVIEW est de remplacer les instruments de mesures et d'analyse d'un
laboratoire par un ordinateur muni de cartes spécifiques et d'un logiciel approprié. Les cartes
d’acquisitions permettent de convertir des signaux électriques (provenant de capteurs
mesurant des grandeurs physiques) en données numériques. Ainsi, un seul ordinateur muni
d'une carte d'acquisition analogique et de LabVIEW est capable de remplacer un voltmètre,
un fréquencemètre ou un oscilloscope. De plus, on pourra traiter, analyser et enregistrer sur
disque les mesures effectuées.
LabVIEW est un langage de programmation graphique utilisant des icônes à la place
de lignes de textes pour créer des applications. La programmation graphique peut être
facilement utilisée par les scientifiques et les ingénieurs même s'ils ne sont pas informaticiens.
LabVIEW est composé d’une interface utilisateur, composé de commandes (boutons
rotatifs, boutons poussoirs, cadrans,…) et d’indicateurs (graphiques, LED, …), et d’une
interface contenant le code. A l’aide des représentations graphiques des fonctions, on contrôle
les objets de l’interface utilisateur.
31
Exemple d’interface utilisateur :
Exemple d’interface de programmation :
32
Acquisition du signal :
Une fois LabVIEW pris en main, nous nous sommes penchés sur l’acquisition et sur le
traitement du signal de sortie de l’amplificateur.
L’acquisition se fait grâce à un module : DAQ assistant. Ce module permet l’acquisition de
façon très simple d’une ou plusieurs voies. Dans notre cas, on utilisera 2 voies : une pour la
sortie de l’amplificateur et une pour l’entrée du dernier amplificateur non inverseur. En effet,
ce dernier nous permettra de connaître le gain total du montage.
Une fois l’acquisition faite, on extrait les 2 signaux pour pouvoir les traiter
indépendamment. Le module Select signal permet d’extraire le signal voulu et Amplitude
permet de récupérer la valeur de la tension correspondant au signal. Des indicateurs placés sur
l’interface utilisateur permettent la visualisation de cette tension.
Le gain total du montage amplificateur doit être impérativement connu pour pouvoir
traiter les résultats. Pour cela, on sait (voir partie précédente) que les gains des deux premiers
amplificateurs (amplificateur d’instrumentation et amplificateur différentiel) ne dépend que de
résistances connus. Une application numérique nous donne A = 21 × 21,28 = 446,8 .
On divise ensuite la tension de sortie du dernier amplificateur par la tension d’entrée de celuici pour connaître son gain et donc le gain total du montage.
La tension de décalage du pont de Wheatstone peut être maintenant facilement
trouvée. On divise la tension de sortie par le gain total trouvé auparavant. Un indicateur
permet la visualisation de cette tension.
Un des principaux buts de ce programme est de pouvoir remonter à la contrainte
imposée. Pour cela, il faut connaître une relation liant la tension de décalage du pont de
Wheatstone et la contrainte. Un rapide calcul nous donne :
Vd =
U ΔR U K × Δl U
U σ σ ×U
=
= K .ε = K . =
l
E
E
2 R
2
2
2
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avec U : Tension du pont de Wheatstone
E : Module d’Young du matériau
σ=
Vd × E
U
On peut donc facilement connaître la contrainte, connaissant la tension Vd de décalage
du pont de Wheatstone.
Un indicateur renseigne sur la mesure de cette contrainte.
Voici le code total réalisé ainsi que l’interface utilisateur :
34
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N’ayant pas reçu les jauges de contraintes durant notre projet, nous avons simulé
celles-ci par deux résistances de 120 Ω . La tension de sortie recueillie est donc la tension de
décalage (fournie grâce au potentiomètre) que l’on amplifie. Cette configuration nous a
simplement permis de réaliser notre programme LabVIEW.
Il restera à vérifier, une fois les jauges de contraintes reçues et installées, le bon
fonctionnement du montage et du programme.
Ce travail nous a confronté à quelques problèmes notamment pour le réglage du zéro.
Le potentiomètre ¾ de tour présent sur la carte d’amplification ne nous permet pas un réglage
précis. Il serait donc judicieux de remplacer ce potentiomètre par un potentiomètre 25 tours de
même résistance.
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VI°/ Conclusion
Durant notre projet nous avons réalisé l’étude complète de la carte électronique conçue
par les précédents étudiants.
Nous avons aussi travaillé avec le logiciel CATIA afin de concevoir un prototype du
support de banc de mesure ; mais surtout avec le logiciel Labview qui nous a permis
d’acquérir et d’exploiter les données du montage amplificateur à travers une carte
d’acquisition.
Concernant les jauges de contrainte, la commande a été réalisée, cependant nous ne les
avons pas reçu à temps.
L’acquisition des données avec l’interface Labview n’a pu être qu’une simulation.
En effet nous avons remplacé les jauges de contrainte par des résistances ; le pont de
Wheatstone était donc équilibré et ne variait pas ; ce qui ne permet pas d’exploiter
correctement les résultats.
Le second problème rencontré fut le calcul de l’incertitude sur la variation de la jauge
de contrainte puisqu’il fait intervenir l’incertitude de la carte électronique, ce qui devient très
calculatoire.
Ces deux points pourront faire l’objet d’une étude ultérieure.
D’un point de vue personnel, ce projet nous a permis de nous familiariser avec la
mesure de contrainte. La pluridisciplinarité de notre sujet nous a apporté des connaissances
dans de multiples domaines tels que la mécanique, l’électronique et l’informatique.
De plus, la gestion bicéphale du travail a permis une avancée plus rapide et une
meilleure résolution des problèmes rencontrés.
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Bibliographie
Sites internet :
www.techniques-ingenieur.fr
www.hbm.fr
www.NI.com
http://mfca.ups-tlse.fr/cetsis/docs/articles/lagonotte_patrick.pdf
Livres :
Guide du calcul en mécanique édition Hachette
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ANNEXES
39
Carte électronique :
40
GANTT
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