2. CHAÎNE DE MESURE TYPIQUE COMPORTANT UN SYSTÈME D'ACQUISITION DE DONNÉES

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1 LABORATOIRE NO. 3 UTILISATION D'UN SYSTÈME D'ACQUISITION DE DONNÉES ET ÉTUDE DE L EFFET DES FILS DE LIAISON SUR LA RÉPONSE DU PONT DE WHEATSTONE Automne BUTS Monter les quatre jauges de la poutrelle dans une chaîne de mesure typique qui comprend un système d'acquisition de données contrôlé par un ordinateur. Procéder à l'étalonnage électrique de chaque pont et déterminer les constantes d'étalonnage nécessaires pour lire directement les déformations à l'aide d'un logiciel d'acquisition de données. Conduire des essais de chargement-déchargement qui serviront à calculer l'état de déformation principal ainsi que les constantes élastiques du matériau de la poutrelle. Étudier le comportement du pont de Wheatstone dans le cas où de longs fils résistifs relient une jauge au pont de Wheatstone (cas très courant dans la pratique). Calculer un facteur de jauge effectif et déterminer sa précision par un essai. 2. CHAÎNE DE MESURE TYPIQUE COMPORTANT UN SYSTÈME D'ACQUISITION DE DONNÉES 2.1 Appareillage - Poutrelle du laboratoire no. 1 - Module de conditionnement et d'amplification pour pont de jauges à 8 canaux (SC-2043-SG) - Carte d'acquisition de données multifonction (NI PCI 6221) montée sur ordinateur PC - Ordinateur opérant sous Windows et relié au réseau de l'école (accès avec votre logon d'étudiant) - Plaque pour la connexion des jauges au module de conditionnement SC-2043-SG - Logiciel d'acquisition de données écrit en langage LabVIEW et servant pour la lecture, l'affichage et le stockage des mesures avec jauges - Résistance d'étalonnage de précision - Cales métalliques et serre pour tenir la poutrelle en porte-à-faux - Plateau à poids et poids de 0.5, 1.0 et 2 Kg 1

2 2.2 Essais Relier les quatre jauges de la poutrelle aux canaux du système d'acquisition par l'intermédiaire de la plaque de connexion tel que montré à la figure 1. Chaque jauge est montée dans un demi-pont qui est complété avec une résistance externe de 120 Ω qui se trouve sur la plaque de connexion 1. Le circuit de la chaîne de mesure qui est montré à la figure 1, comprend le module de conditionnement pour jauges SC-2043-SG. Un schéma électrique simplifié de ce module est présenté à la figure 2. Les essais s'effectuent à l'aide du logiciel d'acquisition de données "MEC6405 Labo3" 2. Celui-ci permet d'effectuer les opérations suivantes avec chaque pont: - Lecture du voltage de sortie du pont - Mise en mémoire du voltage initial (zéro) qui peut être soustrait des mesures subséquentes - Calcul de la déformation à l'aide d'une constante fournie par l'utilisateur - Visualisation graphique des mesures (voltage ou déformation) - Stockage des résultats dans un fichier texte compatible avec le chiffrier EXCEL - Changement des paramètres d'acquisition suivants pour augmenter la précision: o L'étendue de mesure (résolution) o Le nombre d'échantillons par acquisition de données CARTE D'ACQUISITION DE DONNÉES 16 CANAUX (NI PCI-6221) G S 2 0 C- S MODULE DE CONDITIONNEMENT POUR JAUGES SC-2043-SG 120? 120? PLAQUE DE CONNEXION DES JAUGES P- S+ D P+ P- S+ D P+ Canal 0 Canal 1 Canal 2 Canal 3 PC Windows XP Labview CONNEXION TYPIQUE D'UNE JAUGE À TROIS FILS Figure 1 Schéma de la chaîne de mesure montrant l'ordinateur avec la carte d'acquisition de données montée à bord, le module de conditionnement pour les jauges et la plaque de connexion. Des instructions spécifiques à l'utilisation du programme d'acquisition de données seront fournies en classe et sur le site Internet du cours. Avant de conduire les essais de chargementdéchargement, il faut effectuer l'étalonnage électrique de chaque pont car le voltage d'alimentation du pont n'est pas connu exactement et peut varier légèrement d'un pont à l'autre. 1 La plaque de connexion est similaire à celle utilisée dans le laboratoire no. 2, mais l'identification des borniers et des canaux est différente. Attention, la jauge est montée dans la branche 3 du pont entre P- et S+ 2 Écrit avec le langage LabVIEW version 8.5 2

3 Utiliser une résistance de précision pour effectuer cet étalonnage. Il est recommandé de déposer la poutrelle sur la table de façon à la garder immobile durant l'étalonnage électrique. Une fois l'étalonnage électrique terminé, un essai de chargement-déchargement similaire à celui du laboratoire no. 2 est répété à trois reprises avec la poutrelle montée en porte-à-faux sur le bord de la table. Note: Le voltage d'alimentation peut différer d'un montage à l'autre. On peut le mesurer à l'aide d'un voltmètre mais il est préférable d'utiliser les résultats de l'étalonnage Shunt pour calculer les déformations. Figure 2 Schéma électrique simplifié montrant: 1) la connexion des jauges et des résistances externes de 120 Ω au module de conditionnement SC-2043-SG, 2) le circuit d'ajustement du zéro (NULL) de chaque pont qui se trouve sur le module SC-2043-SG. Dans ce montage, la jauge se trouve dans la branche 3 du pont entre P- et S+ tandis que la résistance externe de 120 Ω est située dans la branche 2 du pont entre P+ et S Interprétation des résultats Calculer l'état principal réel de déformation de la poutrelle à partir des mesures de la rosette. Dans le même graphe, tracer le cercle de Mohr de la rosette pour deux charges différentes. Commenter les résultats obtenus. Déterminer l'angle d'orientation de la rosette à l'aide du cercle de Mohr et aussi avec la formule de calcul. Comparer cette orientation avec celle mesurée sur la poutrelle. Comparer la déformation de la jauge simple (ε x ) avec celle calculée à l'aide du cercle de Mohr de la rosette pour la même orientation que la jauge simple. Calculer le module d'élasticité et le coefficient de Poisson du matériau de la poutrelle 3. Comparer avec les valeurs référence de l'acier au carbone. À partir de la documentation sur le comportement en flexion des poutres larges qui est disponible sur le site Internet, comparer le comportement de votre poutrelle à celui d'une poutre large. 3 Dans une première approximation vous pouvez supposer que σ y est nul, puis calculer σ x avec la formule d'une poutre en flexion. Avec les mesures de la rosette calculez les déformations selon les axes principaux de la poutre: ε x et ε y. En vous basant sur les équations de Hooke pour un matériau élastique, vous pouvez ensuite calculer E et ν. Dans une deuxième approximation, supposez que le coefficient de poisson de la poutrelle est celui de l'acier laminé à froid (ν=0.285) puis calculez les valeurs σ y et E. Ces deux calculs vous donnent un plage de valeurs 3

4 3. COMPORTEMENT DU PONT DE WHEATSTONE DANS LE CAS OÙ DES LONGS FILS RELIENT LA JAUGE. 3.1 Appareillage additionnel - Quatre petites résistances 4 pour simuler de longs fils 3.2 Désensibilisation du pont due aux longs fils Afin de simuler l'effet de longs fils résistifs, des petites résistances de 10 Ω sont soudées au bout des trois fils de la jauge simple. La jauge est ensuite reliée à la plaque de connexion de la façon montrée dans la figure 3. Une quatrième résistance est aussi soudée au fil rouge de la jauge mais elle servira uniquement pour l'étalonnage avec un système à quatre fils. La poutrelle est montée en porte-à-faux pour effectuer un essai chargement-déchargement. Le logiciel d'acquisition de données utilisé dans la première partie du laboratoire servira de nouveau pour mesurer les signaux du pont. Concevoir votre expérience afin de mettre en évidence le facteur de désensibilisation (D). Comparer vos résultats avec les données obtenues sans longs fils ainsi qu'avec les formules théoriques vues en classe. Trouver le facteur de jauge effectif S Ge et l'introduire dans le programme d'acquisition de données afin de lire directement les vraies déformations de la jauge simple. Vérifier la validité de S Ge à l'aide d'un dernier essai de chargement-déchargement. 3.3 Étude de l'étalonnage avec des longs fils Les longs fils étant toujours simulés par des résistances, utiliser le montage construit au paragraphe 3.2 pour mesurer l'effet d'une résistance d'étalonnage (R c ) placée successivement: à la jauge (avant les résistances de 10Ω), dans le branche du pont où se trouve la jauge (entre P- et S+, fig. 3) et dans la branche adjacente (entre D et P+, fig. 3). Dans les trois cas, interpréter vos résultats en les comparants avec ceux obtenus à l'aide de circuits électriques équivalents (voir l'annexe 2-2 des notes de cours). Avant de procéder aux essais, n'oubliez pas de noter la valeur de la résistance d'étalonnage choisie et de mesurer précisément la valeur de chacune des petites résistances (ρ) ajoutées aux fils de la jauge. Figure 3 Position des résistances de 10Ω servant à simuler de longs fils résistifs 4 Résistances de 10 Ω normalement, mais d'autres valeurs peuvent être utilisées selon la disponibilité du matériel. 4

5 Système à quatre fils École Polytechnique de Montréal- Département de Génie Mécanique Une façon pratique d'éliminer l'effet de la résistance des longs fils lors de l'étalonnage consiste à utiliser un système à quatre fils. Tester cette configuration particulière avec la jauge simple. Relier la résistance d'étalonnage au circuit en vous servant de la deuxième résistance qui est soudée au fil rouge de la jauge. Dans la figure 3, c'est la résistance qui n'est pas reliée à la plaque de connexion. Pour en savoir plus, se référer à la page 2-81 des notes de cours. 3.4 Interprétation des résultats Essais du paragraphe 3.2 o Établir le facteur de désensibilisation D o Calculer le facteur de jauge effectif S Ge o Comparer les déformations mesurées avec S Ge à celles mesurées sans longs fils Essais du paragraphe 3.3 o Système à trois fils et à quatre fils: Pour les différentes positions de la résistance d'étalonnage, comparer les voltages (ΔE mc ) obtenus durant l'étalonnage avec ceux calculés à l'aide des circuits électriques équivalents. S'il y a lieu, expliquez les différences qui existent entre les voltages mesurés et ceux calculés. o Dans le cas de l'utilisation de longs fils résistifs avec un quart de pont démontrez, à l'aide de vos résultats d'essais, les avantages qu'il y a à utiliser l'étalonnage dans la branche adjacente, pour un système à trois fils, ou un système à quatre fils pour l'étalonnage dans la branche de la jauge. Supposez que l'utilisateur ne connaît pas la résistance des fils, ce qui est souvent le cas en pratique. Dans le cas où une jauge est reliée au pont par de longs fils dont on ne connait pas la résistance, démontrer comment on peut calculer le facteur de jauge effectif S Ge à partir des résultats d'étalonnage(s) Shunt (il existe plus d'une façon d'y arriver). Luc Marchand, professeur 1 er octobre