Techniques de mesure 2006 © Giovanola 1
iPR
Cours de techniques des mesures
TP6: mesures d’effort et de mouvement en milieu industriel
Mécanique, 6èeme semestre
Responsables: K. Agbeviade, J. Giovanola
Assistant: I. Ognjanovic
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iPR SommaireSommaire
Exercice: conception d’essais et réalisation de mesures expérimentales
Méthode de conception d’un essai et d’une campagne de mesures expérimentales.
Description du TP– Banc d’essai: description et théorie
– Thème et objectifs du TP
– Capteurs: description et théorie
– Travail pratique et mesures
– Rapport de travail pratique
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iPR
Exercice:conception d’essais et réalisation de
mesures expérimentales
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iPRExercice: conception d’essais et réalisation de mesures expérimentalesExercice: conception d’essais et réalisation de mesures expérimentales
Le schéma ci-dessus représente un axe de machine outil, entraîné par un moteur et une vis à bille. On veut (1) déterminer expérimentalement la position en fonction du temps et (2) estimer la masse de la table (sans démonter le système).Concevoir les essais à réaliser, en spécifiant le CDC pour les capteurs à utiliser.
Table
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iPR
Méthode de conception d’un essai et d’une campagne de mesures expérimentales.
Méthode de conception d’un essai et d’une campagne de mesures expérimentales.
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iPR Démarche généraleDémarche générale
Etablir les objectifs des mesures
Définir le « cahier des charges » des
mesures
Concevoir de la manipulation
Choisir les capteurs
Concevoir la chaîne d’acquisition
Rédiger un protocole d’essai
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iPRConception et réalisation de mesures expérimentales [1]Conception et réalisation de mesures expérimentales [1]
Etablir les objectifs des mesures:– Générer de nouvelles connaissances
– Valider le modèle d’un phénomène physique
– Caractériser un système physique
– Identifier des grandeurs physiques définies
– Surveiller (passif) ou contrôler (actif) un phénomène physique
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iPR
Définir le « cahier des charges » des mesures:– Grandeurs mesurées
» Variables indépendantes» Variables dépendantes
– Caractéristiques des grandeurs mesurées » Amplitude moyenne» Amplitude et vitesse des variations temporelles» Amplitude et gradient des variations spatiales
– « Tolérances » de mesure– Type des mesures
» Uniques (essais destructifs)» Répétitives (système en régime permanent)
Conception et réalisation de mesures expérimentales [2]Conception et réalisation de mesures expérimentales [2]
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iPRConception et réalisation de mesures expérimentales [3]Conception et réalisation de mesures expérimentales [3]
Conception de la manipulation:– Configuration physique
» Donnée (caractérisation d’un système existant)» A développer (ex: essai des matériaux)
– Définition des points de mesures– Redondance des mesures
Choix des capteurs:– Type de mesure, avec ou sans contact– « Tolérances » de mesure (résolution et précision)– Performances dynamiques– Environnement (T, p, aggressivité)– Taille– Coût
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iPRConception et réalisation de mesures expérimentales [4]Conception et réalisation de mesures expérimentales [4]
Conception de la chaîne d’acquisition:– Nombre de canaux– Durée de la mesure (moyen de stockage des
données)– Taux d’acquisition– Méthode de déclenchement et de
synchronisation des enrégistrements– Alimentation des capteurs– Isolation– Sécurisation des mesures
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iPRConception et réalisation de mesures expérimentales [5]Conception et réalisation de mesures expérimentales [5]
Protocole d’essai:– Planification statistique des essais (plan d’expérience +
nombre de répétition d’essais pour conditions identiques) – Supervision, responsabilités individuelles – Procédure d’étalonage des capteurs– Schéma détaillé de la chaîne de mesure– Formel du déroulement de l’essai
» Contrôle des sensibilités, vitesses d’acquisition, alimentations» Synchronisation, déclechement» Sécurité
– Démarche après l’essai– Journal d’essai
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iPR
Description du TPDescription du TP
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iPR Thème et objectifs du TPThème et objectifs du TP
Thème: – Mesure de dépl., vitesse, accélération,couple– Sur une installation industrielle, pour la régulation
Objectifs généraux:– Etre confronté à divers capteurs très communs, comprendre
leur fonctionnement et les utiliser– Comprendre l’influence du capteur sur la grandeur mesurée et
sur le comportement du système déduit de la mesure– Savoir choisir le capteur pour l’application
Objectifs spécifiques:– Mettre en évidence la dynamique d’un axe de machine-outil et
l’influence du régulateur– Mesurer la même grandeur physique avec différents capteurs;
comparer et discuter de façon critique le résultat des mesures– Estimer la valeur de la masse de la table à partir des mesures
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iPR Banc d’essai: descriptionBanc d’essai: description
Accouplement 1 Kax1 : rigidité axialeKt1 : rigidité torsionJ1 : inertieM1 : masse
Support palier Kappuis : rigidité flexion
lvis
CouplemètreKaxcpl : rigidité axialeKtcpl : rigidité torsionJcpl : inertieMcpl : masse
Accouplement 2 Kax2 : rigidité axialeKt2 : rigidité torsionJ2 : inertieM2 : masse
Table Mtable : masse table
Frottement(source de dissipation,amortissement)
Codeur Jcod : inertieMcod : masse codeur
TachymètreMtachy : masseJtachy : inertie
Accouplement 3 Kax3 : rigidité axialeKt3 : rigidité torsionJ3 : inertieM3 : masse
MoteurMmot : masseKtm : rigidité torsion Kaxm : rigidité axialeJm : inertie moteur
Fusible Kaxfus : rigidité axialeKtfus : rigidité torsionJfus : inertieMfus : masse Tubes
Ktrtube : rigidité axiale tractionKctube : rigidité axiale compression
EcrouKecr : rigidité axiale
Butée Kbut : rigidité axiale
VisKcvis : rigidité axiale Ktvis : rigidité torsioni: rapport de réduction (pas/2*�)Jvis : inertie de la visMvis : masse vis
Règle optique
Accéléromètre
LVDT
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iPR Banc d’essai: théorieBanc d’essai: théorie
[ ]
( )( ) [ ] ( )
( )⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
−−+−
−+−
−
=
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛+−
−+
=
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
=
⎟⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
=
11
11
22
2
22
1
2
000
000
0000360063330033
eqeq
eqeqtvistvis
tvistviseqeq
eqeq
eq
visvis
visvisvisvis
visvistable
m
p
v
m
p
v
KKKKKK
KKKiiKiKK
K
JJJJJMiMi
MiMM
M
x
X
x
X
ϕϕϕ
ϕϕϕ
ϕv
X
Kecr
Mtable
ϕm ϕp
Keq1
Jeq1
Kbut
u
lvisKcvis, Ktvis, Mvis, Jvis
[ ] [ ] 0=+ XKXM
Hz2320 Hz164Hz920 4321 ==== ffff
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iPR
Capteurs
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iPR Généralités sur les capteursGénéralités sur les capteurs
Grandeur physique
• Générer un effet de la grandeur physique
• Transformer l’effet en une grandeur mesurable(étalon, corps d’épreuve)
• Convertir / enregistrer / afficher la mesure
• Augmenter la résolution
Principe physique de la
mesure
Traitement du signal
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iPR Capteurs: règle optique [1]Capteurs: règle optique [1]
DéplacementEtalon: réseau (C)Méthode de mesure:– Transmission– Reflexion
Signaux sinusoïdaux:– Obturation– Interférence/diffraction
QuadratureInterpolationMesure:– Incrémentale– Absolue
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iPR Capteurs: règle optique [2]Capteurs: règle optique [2]
Par diffraction et interférence
Changement de parcours optiquepar mouvement de la grille: sinEquation de la diffraction: sin
( ) /Déphasage:
2 /Intensité des rayons diffractés (3 x) réfléchis et interférés
Δ xC m
Δ x m x C
(x) m x C
m
αα λ
λ
π
==
→ =
→ Ω =
1, 1( ) 2[1 cos(8 / )]I x x Cπ
= −→ ∝ +
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iPR Capteurs: traitement du signal (1)Capteurs: traitement du signal (1)
Quadrature
Résolution: C → C/4Direction du déplacementElimination des erreurs de compatage
2ou 1/
2 avec
coset sin 21
==
==
iiCx
ASASπϕ
ϕϕ
)arctan(et tan2
1
2
1
SS
SS
== ϕϕ
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iPR Capteurs: traitement du signal (2)Capteurs: traitement du signal (2)
InterpolationPar diviseur de tension
)2sin(2sin2cos)sin(sincos
sin
2112
2111
110
βϕβββϕββ
ϕ
+=+=+=+=
==
ASSSASSS
ASS
Par traitement digital
Sx
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iPR Capteurs: transformateur différentielCapteurs: transformateur différentiel
Déplacement ou anglePas de frottement, usure, hystérèseZéro stableHaute résolutionRobuste
{ } 21111 )(")(')( ixMxMjijLRe ωω −++=
{ } { } 0)()()( 12"2
'2
"2
'2 =′′−′+++++ ixMxMjiLLjRRR i ωω
{ }{ } [ ]{ }2
212
211221
10 )()()()(
)(')("xMxMLLRRLRLjRRR
exMxMRjvii
i
′′−′+−++++−
=ωω
ω
"2
'22
"2
'22 et RRRLLL +=+=
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iPR Capteurs: encodeur [1]Capteurs: encodeur [1]
Absolu
Incrémental
Angle« Règle optique circulaire »Résolution:– pas du réseau– nbr. pistes (bits)– détection
d’erreur (Code Gray)
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iPR Capteurs: encodeur [2]Capteurs: encodeur [2]
Encodeur incrémental avec deux pistes en quadrature.– Détection de direction– Supression d’erreur
21 20
23 22
171480001011111101000:Recul211134
0010101111010100:Avance
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iPR Capteurs: tachymètreCapteurs: tachymètre
Vitesse angulaire
Ri
dynamo
U RchargeE
I
)(faible très
)(arg
ω
ω
EUI
IREIRU iech
≈
−==
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iPR Capteurs: accéléromètreCapteurs: accéléromètre
Corps d’épreuve: poutre en flexionMesure: déformation due à la force inertielle (jauges intégrées)Filtre passe bas 2d ordreFréquences caractéristiques: fn, fref
xxmm
xx
c
km
200
2 21)(
ωξω ++−
=ss
sG
xmkxxcxm mmm −=++
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iPR Capteurs: couplemètreCapteurs: couplemètre
Mesure: déformation due au coupleCorps d’épreuve: arbreTransformateur différenciel en rotation
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iPR Plan du rapport de TPPlan du rapport de TP
Page de titre:– Numéro du groupe, nom des étudiants, date, titre du TP
Organisation du groupe, répartition des tâches.Comparaison des déplacements par les 5 méthodes.– Comparaison des mesures– Discussion des différences et conclusions
Résultats de la mesure du couple et estimation de la masse de la table– Résultats de la mesure du couple et de l’accélération– Méthode d’estimation de la masse de la table– Discussion des résultats et conclusion
Résultats de la comparaison du comportement du système avec régulateurs PID 1 et 2– Comparaison des résultats– Discussion des différences et de la dynamique du système– Estimation des fréquences propres
Discussion et conclusions généralesAnnexes: toutes les données expérimentales et documentation
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iPR Travail pratique et mesures (1)Travail pratique et mesures (1)
Régulateur PID 1, programme cyclique– Mesurer le déplacement de la table avec:
» La règle optique» Le LVDT
– Mesurer la vitesse de la table avec:» Le tachimètre» Calculer le déplacement par intégration des mesures de vitesse
– Mesurer l’accélération de la table» Calculer le déplacement par double intégration de l’accélération
– Comparer les déplacements obtenus avec les 4 méthodes et commenter les différences
– Mesurer le couple sur la ligne d’arbre et l’accélération pour une rampe de vitesse et pour une vitesse constante
– A partir de ces résultats, estimer la masse de la table à plusieurs instants; commenter les résultats
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iPR Travail pratique et mesures (2)Travail pratique et mesures (2)
Régulateur PID 1, mise en position rapide (programme trapèze)– Mesurer le déplacement de la table avec la règle optique– Mesurer l’accélération de la table– Mesurer le couple sur la ligne d’arbre
Régulateur PID 2, mise en position rapide (programme trapèze)– Mesurer le déplacement de la table avec la règle optique– Mesurer l’accélération de la table– Mesurer le couple sur la ligne d’arbre– Comparer les comportements dynamiques du système avec le
régulateur 1 et le régulateur 2. – Décrivez vos observations. Qu’en concluez-vous?– Pouvez-vous identifier des fréquences propres du système? A
quels éléments correspondent-elles?