ACQUISITION ET CONDITIONNEMENT DE DONNEES

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1 TD : CQUIITION ET CONDITIONNEMENT DE DONNEE 1 Introduction Dans de nombreuses applications pour mesurer : une déformation sur une pièce une force ou une masse ou détecter un choc, on utilise des capteurs appelés jauge d'extensiométrie ou jauge de contrainte. (dans la détermination d'efforts mécanique, capteur de force) Par exemple : Ce principe de mesure est utilisé sur la direction assisté pour déterminer la valeur du couple colonne. On le retrouve également sur le système de pesée de cartouches de gaz pour calculer le poids de la bouteille. 2 Principe du capteur Principe d'une jauge de contrainte. La jauge est constitué d'un fil conducteur collé en zigzag sur un support L souple très fin, possédant une résistance électrique : = ρ en Ω ρ: résistivité du fil qui dépend du matériau utilisé et de la température Ω.m L : longueur du fil en "m" : section du fil en m² Ce support souple est ensuite collé sur la pièce pour connaître les efforts exercées sur celleci. Une déformation mécanique de la pièce provoque une modification géométrique de la jauge en faisant principalement varier sa longueur L. 1.1/ En conclusion, si la jauge subit une compression ou une extension préciser comment varie sa résistance électrique. Mise en équation de la jauge. 1.2/ On démontre que la variation relative ( / 0 ) est proportionnelle à la variation relative de la longueur de la jauge ( L/L 0 ). 0 et L 0 représentent les valeurs de la jauge soumise à aucune contrainte mécanique. L = k 0 L 0 et L représentent respectivement la variation de la résistance et la variation de la longueur de la jauge. En déduire les expressions de en fonction de 0 et dans le cas d'une extension et d'une compression. ( L) Exprimer ces 2 relations en fonction de ( L). Préciser la nature de cette fonction. Page : 1 / 5

2 Mise en œuvre des jauges. Pour exploiter l'information de la jauge on la place généralement dans un pont de mesure appelé pont de Wheatstone. ymbole électrique d'une jauge de contrainte : = 0 ± 1 2 LIM 4 3 Le pont est constitué de quatre résistances égales comprenant une ou plusieurs jauges de contraintes et de résistances fixes. l'équilibre du pont, les quatre résistances sont égales et la tension est nulle. Par contre un effort exercé sur le ou les jauges provoque une variation de la résistance des jauges provoquant un déséquilibre du pont de mesure et l'apparition d'une tension. 3 pplication au système de pesée de cartouches de gaz Dans son contexte industriel, le système est utilisé pour trier les cartouches de gaz de type CV360 après remplissage de Fluff Ce dernier est une matière poreuse qui maintient et positionne la cheminée selon son axe. Le remplissage de la bouteille en gaz n est ensuite effectué que sur les bouteilles bonnes sur un autre poste. Une pesée très précise de l ensemble "cheminée habillée Fluff" détermine si la bouteille est apte à poursuivre le processus de fabrication ETUDE DE L CHINE D'CQUIITION DU POID DE L CTOUCHE DE GZ : chéma fonctionnel de la chaîne de mesure de la pesée. Force Conversion effort / tension FP1 Capteur Capteur de force à Jauges j auges pont de de contraintes Wheatstone Tension Vm mplification et Conversion Conversion Tension / Courant tension/courant FP2 FP2 FP3 Transmetteur de signal utomate TX 17 Ns Conversion courant / mot numérique Module d'entrées analogiques TX EG 4111 FP4 FP3 Boucle de courant 4 20 m Page : 2 / 5

3 3.1 Etude de la fonction FP1 : Le support métallique sur lequel le bras manipulateur dépose la cartouche de gaz est munie d un capteur à 4 jauges de contrainte identiques montées en pont de Wheatstone. 1 et 3 sont des jauges de contrainte qui travaillent en compression 2 et 4 sont des jauges de contrainte qui travaillent en extension On se propose d'établir la fonction de transfert théorique et expérimentale du capteur en fonction du poids. chéma : I 1 I 2 V alim = 10 V 1 X 4 V X V Y Y 2 3 I M1 I M2 I 4 I 3 Hypothèse : Les courants de sortie du pont (I M1,I M2 ) sont négligeables devant les courants (I 1, I 2 ) / En déduire une relation entre les courants I1 et I4 et entre I2 et I / En déduire une relation entre V X et V alim et entre V Y et V alim en utilisant le pont diviseur / En déduire une relation de en fonction de V Y et V X / u repos les jauges sont soumises à aucun effort et leur résistance est égale à 0, calculer la valeur de obtenue / Une masse est placée sur le support, en déduire les expressions de 1, 2, 3 et 4 en fonction de 0 et. (ttention : travail en compression ou en extension) 3.1.6/ Dans ce cas déterminer l'expression de en fonction de 0 et / i la variation de la longueur de déformation des jauges est proportionnelle à l'effort "F" (en N) exercé par la masse : en déduire une relation de en fonction du poids "M" (en kg) de la cartouche quelle est la nature de cette fonction =f(m)? 3.1.8/ ur le système on mesure (hors tension) avec un ohmmètre à la sortie du pont (entre les bornes IC et IC) une résistance équivalente eq=377 Ω. Le schéma du pont de jauges étant le suivant, en déduire l'expression de la résistance équivalente eq en fonction de 0 Puis calculer la valeur 0 des jauges de contrainte IC IC Page : 3 / 5

4 3.1.9/ partir des valeurs mesurées de la tension pour différentes masses variant de 0 à 400g. Poids en g en mv 1,57 1,73 1,89 2,06 2,21 2,38 2,54 2,7 2,87 en V 0,882 1,011 1,138 1, ,521 1,647 1,775 1,905 eprésenter (sous Excel) la caractéristique = f(m). ous Excel linéariser la caractéristique (utiliser la fonction courbe de tendance) et en déduire l'équation expérimentale du capteur de force sous la forme = V 0 k v.m. Identifier les valeurs et les unités des coefficients de l'équation. Donner la nature du capteur de force (logique, numérique ou analogique) i le système de traitement de l'information possède une carte d'acquisition capable d'exploiter des mesures comprises entre 0 et 5 V. En déduire si le signal est compatible et l'intérêt de l'amplifier. 3.2 Etude de la fonction FP2 : B chéma : V X V Y I X I Y C i i D 3.2.1/ Indiquer le mode de fonctionnement de l', la valeur des courants i et i, et la relation entre V Y et V / partir de la relation =f(v X, V Y ) et de la relation = f(v X, V Y ) cidessous, déterminer les conditions sur les résistances, B, C et D pour obtenir une équation de la forme V = K 2 V. V D = C D 3.2.3/ En déduire la fonction de ce montage. (amplificateur non inverseur, inverseur, ) B V Y V X B FP M 3.2.4/ partir des valeurs mesurées des tensions et pour une masse variant de 0 à 400g. Tracer sous (Excel) la caractéristique = f( ) et commenter la courbe obtenue. ous Excel linéariser la caractéristique (utiliser la fonction courbe de tendance) et donner l'équation de la courbe. En déduire le gain du montage Calculer la valeur de la résistance B si = 1 KΩ Page : 4 / 5

5 3.3 Etude de la fonction FP3 (Convertisseur Tension courant) : LIM = 5 V Longueur de la liaison plusieurs dizaines de mètres P1 I P1 V P1 I E E i i F i i ' I OUT I P2 Entrée du CN E V IN P P2 dditionneur inverseur CN : convertisseur analogique numérique Conversion tension courant La tension d'abord amplifié (montage FP2) est ensuite sommée à la tension V p1 puis convertie en un courant variant de 4 m à 20 m pour un poids compris entre 0g et 400g / partir de la relation de l'additionneur inverseur : F V ' = ( V VP 1) En déduire une condition pour que la relation soit de la forme. V = V V ) ' E ( P1 Dans le montage, le potentiomètre P1 réalise le décalage de l'origine tel que, pour 0g on ait I out = 4 m / Donner le nom du montage qui réalise la conversion tension courant. q : Pour les faibles courants on considère que la sortie de l' est suffisante pour fournir le courant à transmettre / partir des hypothèses sur les courants d'entrée des en déduire une relation entre I out et I p / partir du fonctionnement de ce montage, établir la relation liant I out, et V P / Compléter le tableau avec les mesures précédentes. Poids 0g 400g I OUT 3.3.7/ partir de l'expression de I out = f(, V P1 ), et des 2 points (0 et 400g) établir 2 équations pour déterminer la valeur de la tension V P1 et du potentiomètre P / partir de la valeur déterminée de V P1, calculer la valeur de réglage du potentiomètre P1 (de résistance totale 10KΩ) en appliquant le diviseur de tension. hyp : pour ce montage le courant I est négligeable devant I P1 Page : 5 / 5

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7 B V X V Y I X I Y C i i D i i V B 2.2.4/ partir du cours identifier la fonction réalisée par le deuxième montage et en déduire les relations V B = f( ) et V B = f( ) q : une diode zéner parcourue par un courant inverse impose à ces bornes une tension fixe V Z0. Caractéristique de la diode Zéner en sens direct et inverse : LIM = 10 V F Longueur de la liaison plusieurs dizaines de mètres G I Z E i i ' i i I OUT I G Entrée du CN V Z V IN G dditionneur non inverseur Conversion tension courant Diode Zéner en sens inverse V Z0 V Z I Z 2 m If Diode Zéner en sens direct If Vf 0,8 Vf V Z I Z 10 m Page : 7 / 5

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