Travaux Pratiques Capteurs et Conditionneurs

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1 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 2/9 Sommaire Sommaire... 2 TP 1. : Capteur d accélération piézoélectrique (4h)... 3 Problème 1.1. : Caractérisation fréquentielle d un accéléromètre piézoélectrique (4h00)... 3 TP 2. : Capteur de déformation résistif (4h)... 5 Problème 2.1. : Montage push-pull (2h00)... 5 Problème 2.2. : Montage en pont entier et réalisation d un couplemètre (2h00)... 6 TP 3. : Capteur de position capacitif (4h)... 8 Problème 3.1. : Etalonnage du capteur en régime statique (2h)... 8 Problème 3.2. : Etude en régime dynamique et démodulation (2h)... 9 Travau Pratiques olivier.gallot-lavallee@grenoble.cnrs.fr Capteurs et Conditionneurs (SP ) Une réalisation de: sylvain.campillo@ujf-grenoble.fr aldo.picareta@ujf-grenoble.fr jerome.vigneron@ujf-grenoble.fr Remerciement: à Yann Le Grand de l Université de Rennes1.

2 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 3/9 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 4/9 TP 1. : Capteur d accélération piézoélectrique (4h) Objectif: Etudier la réponse en fréquence de l'accéléromètre piézoélectrique dans un domaine allant de 20Hz à 3kHz. Matériel: Accéléromètre piézoélectrique MURATA; Vibreur et source de tension associée AC GBF; Oscilloscope ; Logiciel SCILAB ; Feuille d Aluminium ; Balance ; Recueil bibliographique et technique Problème 1.1. : Caractérisation fréquentielle d un accéléromètre piézoélectrique (4h00) Signal de mesure Boîtier Lames piézoélectriques Masse sismique Accélération γ 1. Retrouver l epression de la sensibilité relative de ce capteur d accélération en vous aidant du recueil bibliographique mis à votre disposition. 2. En déduire la fonction de transfert Sth(jω) qui lui correspond. 3. Tracer le diagramme de Bode de Sth(jω) de 1Hz à 10kHz à l aide de l application X:\Instru\Scilab40.ee. On prendra f 0 =2kHz, fc=5hz, ξ=0,01. //Commande scilab à entrer sous l'éditeur scipad: p=poly(0,"p") ; //p désigne la variable de Laplace ou encore p=jw fo=2000 ; // définition d une constante (fréquence propre) to=1/(2*%pi*fo) // calcul de la constante de temps équivalente à fo fc=5; // définition d une constante (fréquence de coupure) tc=1/(2*%pi*fc) // calcul de la constante de temps équivalente à fc z=0.01 ; // définition d une constante (amortissement) Sth=syslin('c',tc*p/(1+tc*p)/(1+2*z*to*p+(to*p)^2)) //définition de la FT set("window",0) ; //activation de la fenêtre graphique 0 basc(0) ; // vidage de l'écran bode(sth,1,10000) ; // traçage du diagramme de bode de 1Hz à 10kHz //Puis eécuter la ligne de commande en tapant Ctrl+L (load into scilab) 4. Tracer la réponse à un échelon unitaire de Sth(jω) de t=0 à 1s l aide de l application Scilab. //Commande scilab à entrer à la suite sous l'éditeur scipad: t=0: :0.1; // définition de l'horizon temporel et du pas de calcul deff('u=input(t)','u=1') // définition de la fonction échelon plot2d([t'],[(csim(input,t,sth))']) // transformée inverse set("window",0) ; //activation de la fenêtre graphique 0 basc(0) ; // vidage de l'écran //Puis eécuter la ligne de commande en tapant Ctrl+L (load into scilab) ; 5. Relever à l'oscilloscope la tension délivrée par le capteur lorsque le vibreur est inactif et identifier la principale perturbation électromagnétique (fréquence, amplitude et origine). Nb : Une synchronisation sur le secteur permet d identifier facilement si la perturbation est due au réseau 50Hz. 6. Procéder au blindage du dispositif epérimental à l aide de la feuille d aluminium. Que ce passe t il, si le blindage n est pas relié à la masse (eg : via les fiches BNC)? Identifier les perturbations résiduelles (fréquence, amplitude et origines). 7. Relever à l'oscilloscope la tension délivrée par le capteur Upie lorsque le vibreur est ecité à 300Hz et régler l'amplitude du signal d alimentation du vibreur Uali=1V C-C (crête à crête). Vérifier alors que les deu signau soient bien en phase. Si les signau sont en opposition de phase, inverser la polarité des fils d'alimentation du vibreur ou inverser le signal à l oscilloscope. 8. Mesurer l'amplitude Upie C-C et le déphasage de la réponse du capteur φ(upie^uali) pour des fréquences allant de 20Hz à 3000Hz en prenant une mesure tous les 10Hz jusqu'à 100Hz, tous les 100Hz jusqu'à 400Hz et tous les 200Hz jusqu'à 3000Hz. Pour chaque fréquence on ajustera si nécessaire l'amplitude de la tension d'alimentation du vibreur afin qu'elle conserve toujours la même valeur. Nb : Il est alors recommandé d utiliser une feuille de calcul ecel. 9. Sur du papier semi-log, tracer les courbes 20log[Sep(f)/Sep(300Hz)]=f(logf) et φ=g(logf). N ayant pas accès à l accélération, on considère ici que la sensibilité epérimental Sep=Upie/Uali. Nb : Il est alors recommandé de faire ce tracé à partir d une feuille de calcul ecel. 10. Comparez les courbes epérimentales au réponses théoriques en vous aidant éventuellement du recueil bibliographique mis à votre disposition. 11. En déduire la fréquence de coupure basse fc, la pente du filtre passe-haut correspondant (en db/déc.), la fréquence de résonance fo ainsi que le coefficient d'amortissement ζ de l'accéléromètre. 12. Quelle est la bande passante utile de ce capteur? La comparer à celle donnée par le constructeur. 13. Relever à l'oscilloscope la réponse du capteur lorsque le vibreur est ecité par un signal rectangulaire à 10Hz. 14. Comparez cette courbe epérimentale à la réponse théorique en vous aidant éventuellement du recueil bibliographique mis à votre disposition. 15. Quelle est la grandeur qui caractérise le mieu la finesse d un tel capteur? Mesurer celle du capteur «cobaye».

3 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 5/9 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 6/9 TP 2. : Capteur de déformation résistif (4h) Objectif: Mettre en oeuvre des jauges de déformation du type Nickel-Cuivre et les montages conditionneurs associés, en étudiant les déformations d'une poutre et d'un cylindre creu en PVC. Matériel: Jauges de déformation du type Nickel-Cuivre de résistance 120[Ω] et de facteur K=2,1 ; Cylindre tubulaire en PVC ; Poutre en PVC ; Pont de Wheatstone préalimenté ; Jeu de résistances R=120 [Ω]; Voltmètres ; Masses ; Rapporteur ; Réglé. On se propose de mettre en oeuvre des jauges de déformation du type Nickel-Cuivre de résistance 120Ω et de facteur K=2,1 (voir données constructeur) et les montages conditionneurs associés, en étudiant les déformations d'une poutre et d'un cylindre creu en PVC. Le premier système permettra d'étudier le montage à 2 jauges actives (montage pushpull), le second système le montage à 4 jauges actives dit en pont entier. Pour ce faire, on dispose d'un pont de Wheastone préalimenté dont les branches peuvent être occupées soit par une jauge de déformation soit par une résistance fie de précision de 120Ω. La tension d'alimentation du pont est ajustable via un potentiomètre placé sur le côté du boîtier. La tension de mesure est amplifiée et vaut 1000Vm. L'équilibrage du pont se fait par l'intermédiaire d'une tension d'offset ajustable via un second potentiomètre. 1. Déterminer le module d'young E du PVC en mesurant la flèche de la poutre. Pour ce faire, fier solidement l'une des etrémités de la poutre sur la table à l'aide d'un serre-joint en faisant en sorte que la longueur suspendue soit égale à eactement 100cm. 2. En déduire la déformation longitudinale ε de la poutre à 30cm de son point d'ancrage (position des jauges) dans le cas où la longueur suspendue vaut 100cm. 3. Détacher la poutre et la placer à plat sur la table. Réaliser le montage push-pull, régler la tension d'alimentation du pont à es= 5V et équilibrer le pont en ajustant la tension d'offset. Placer de nouveau la poutre en suspension dans les conditions précédentes et mesurer la tension de déséquilibre amplifiée fournie par le pont (1000Vm). 4. Recommencer cette mesure après avoir retourné la poutre (la jauge supérieure devenant la jauge inférieure et vice-versa). 5. A partir de la moyenne des valeurs absolues des mesures précédentes en déduire la déformation ε de la poutre. Comparer la valeur trouvée à celle déduite du module d'young. Problème 2.2. : Montage en pont entier et réalisation d un couplemètre (2h00) On dispose d'un cylindre tubulaire en PVC de longueur L=50cm, de diamètre etérieur D1=33,8mm et de diamètre intérieur D2=26,5mm. L'une de ses etrémités étant maintenue fie, l'autre etrémité, soumise à un couple C, subit une rotation θ donnée par l'epression suivante. Support fie Jauges de contrainte y Problème 2.1. : Montage push-pull (2h00) On dispose d'une poutre de PVC de longueur égale à 110cm, d'épaisseur 5mm et de largeur 40mm. Deu jauges d'etensométrie en Constantan ont été collées à 40 cm de l'une des etrémités de la poutre, sur les faces opposées de celle-ci. La masse volumique du PVC est de 1, kg/m3. Support fie J1 J2 Jauges de contrainte L y Poids 1. Déterminer le module de glissement G du PVC en mesurant l'angle de rotation θ de la base du tube associée à l'application d'un couple (40N appliqué à 10cm de l'ae du tube). 2. En déduire la déformation ε (en valeur absolue) de chacune des jauges par unité de couple appliqué au tube. 3. Réaliser le montage en pont entier à 4 jauges actives en branchant correctement les jauges dans les différentes branches du pont. Relever le schéma électrique correspondant et représenter la déformation que subie chaque jauge. 4. Après avoir alimenté le pont sous es= 5V et équilibré celui-ci à l'aide de la tension d'offset, mesurer la tension de sortie du pont (1000Vm) pour différents couples (10, 20, 30, 40 et 50 N appliqués à 10cm de l'ae du tube par eemple) eercés positivement et négativement. NB : En inversant 2 jauges appartenant à des branches contigües, la tension de mesure devient quasiment insensible à la déformation du tube.

4 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 7/9 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 8/9 5. Calculer la moyenne des valeurs absolues des tensions Vm par unité de couple appliqué (étalonnage du capteur de couple). En déduire la déformation ε (en valeur absolue) de chacune des jauges par unité de couple appliqué. Comparer cette valeur à celle déterminée à partir de G. 6. Recherchait dans le recueil bibliographique mis à votre disposition, la façon dont ce conditionneur permet d équilibrer le pont. NB : Un tel système peut servir à mesurer le couple produit par un moteur à courant continu. TP 3. : Capteur de position capacitif (4h) Objectif: Conditionner et caractériser un capteur de déplacement capacitif (Linéarité, Pushpull, Pont, Démodulation, Régime dynamique, Etalonnage, Métrologie). Matériel: Capteur à déplacement rectiligne à condensateur double différentiel; Source de tension AC GBF; Vibreur et source de tension associée AC GBF, Condensateur d équilibrage Z 3 et Z 4 ; Oscilloscope, Transformateur d isolement ; Détecteur synchrone ; Recueil bibliographique et technique. Problème 3.1. : Etalonnage du capteur en régime statique (2h) 1. Etablir de schéma électrique du dispositif epérimental mis en place pour ce TP. Faire apparaître les impédances d entrée de l oscilloscope, de sorties des sources de tension AC GBF et d entrées/sorties du détecteur synchrone. Faire apparaître les masses. 2. Quel est le rôle du transformateur? 3. Vérifier que l impédance équivalente des instruments de mesures connectés à la sortie du pont est grande devant celle de chaque branche du pont. On prendra f=50khz et Z 3, Z 4, Z c1 et Z c2 sont de l ordre de100pf. 4. Dans de telles conditions, calculer l epression de Vm=f(). On supposera que Z 3 =Z 4. On rappel pour ce faire que C 1 =K. et C 2 =K.(L-) avec K=2.π.ε/ln(r 2 /r 1 ) C 1 est constitué des armatures A 2 et A 1, et C 2 des armatures A 3 et A 1 5. S agit il d une fonction linéaire, autrement dit quel est l intérêt de ce montage dit en puschpull? 6. Régler l alimentation du pont e s à 1V RMS et rechercher la fréquence du signal e s telle que le sortie Vmout soit maimale. Pour ce faire veiller à ce que le pont soit déséquilibré (Vm 0). 7. Lorsque l on opère un déplacement de l armature A 1, on observe que l amplitude du signal est quelque peu instable. Identifier les deu sources d instabilité en manipulant l objet. 8. Moyennant les précautions de manipulation qui s imposent, procéder à l étalonnage du capteur à l aide du petit réglé et de l embout équipé d un curseur en fil de cuivre pointant sur. Pour ce faire, on reportera dans un tableau la valeur Vm crête en fonction de, par pas de 2mm. 9. Tracer la courbe d étalonnage Vm crête =f( ). 10. Que peut on dire de la linéarité de cet ensemble capteur + conditionneur? 11. Que peut on dire de la sensibilité de ce même ensemble?

5 TP Capteurs et Conditionneurs (SP ) 9/9 12. Comment pourrait on améliorer cette sensibilité? Problème 3.2. : Etude en régime dynamique et démodulation (2h) 1. Retrouver à l aide de la doc techniques du détecteur synchrone, les opérations effectuées par celui-ci. Donner en particulier l epression théorique de Vout et un synoptique qui résume les opérations que vous souhaitez effectuer avec ce détecteur pour etraire le signal de mesure. 2. On souhaite régler l'amplitude de vibration pour que celle-ci soit égale à 2mm crête à crête. Retrouver à l aide du tableau d étalonnage l'amplitude de modulation de Vm qui correspond à ce déplacement. Coupler le capteur au vibreur à l aide de l embout aimanté et précéder à ce réglage à basse fréquence (eg : 1Hz). Régler pour la suite des epériences la fréquence du vibreur à 20Hz. 3. Vérifier epérimentalement que la porteuse a bien disparu et qu'il ne reste plus que le signal de mesure à 20Hz. Veiller à ce que la constante de temps du filtre passe bas du détecteur synchrone soit supérieure à 1/(2πf) et justifier pourquoi il faut cela. 4. Déterminer la sensibilité de l ensemble capteur + conditionneur + démodulateur. 5. Déterminer l étendue de mesure du capteur. 6. Estimer epérimentalement la résolution du capteur associé à la chaîne de mesure en diminuant l'amplitude de modulation du vibreur et en augmentant la sensibilité d'entrée de la détection synchrone. 7. Proposer d autres montages conditionneurs permettant d eploiter un tel capteur en vous aidant du recueil bibliographique mis à votre disposition et en apportant vos eplications.