Tests de compatibilité des produits PCB Piezotronics et National Instruments

Date de publication: Jan 26, 2016 | 1 Ratings | 5.00 out of 5 | Imprimer

Introduction

Ce tutoriel détaille la compatibilité des produits PCB Piezotronics avec ceux de National Instruments, les applications possibles et les critères de choix de chaque capteur selon un système d’acquisition donné. Le principe de fonctionnement des produits sera rappelé au travers d’essais réalisés avec chaque type de matériel.

Principe et applications

PCB Piezotronic est un fournisseur d’équipements de moyens de test destiné aux essais mécaniques, acoustiques et à la surveillance industrielle. La société fournit les services et les connaissances applicatives nécessaires pour optimiser techniquement et économiquement la performance de ses clients.

Créé en 1967 et présent dans plus de 50 pays en Europe, en Asie et aux États-Unis, PCB Piezotronics s’adresse aux services Essais et R&D des fabricants et prestataires dans les secteurs aéronautique, spatial, défense, énergie et transports. Les capteurs, instruments et services associés sont dédiés à la mesure dynamique de grandeurs physiques : vibration, force, pression, niveaux acoustiques et étalonnage.

PCB Piezotronics fournit des équipements qui s’intègrent dans la chaîne de mesure et complètent les produits d’acquisition de données et d’analyse de National Instruments. Une chaîne de mesure se compose (1) de capteurs qui convertissent les grandeurs physiques en signaux de tension ou de courant d’amplitude facilement mesurables ; (2) de connexions standardisées permettant le lien entre les capteurs et le conditionnement de signal ; (3) d’un conditionneur, c’est-à-dire un dispositif électronique qui amplifie, filtre et apporte les signaux d’alimentation nécessaires au capteur ; et (4) d’un numériseur présent sur une carte ou un module d’acquisition qui envoie les informations sur un ordinateur muni d’un logiciel d’analyse. National Instruments propose un outil logiciel, LabVIEW, qui permet de programmer sur mesure des applications de contrôle de systèmes d’acquisition et d’analyser les résultats.

 

Fig. 1 : Exemple d’application de test et mesure utilisant des microphones PCB Piezotronics et du matériel d’acquisition

Le matériel National Instruments compatible

  1. Un accéléromètre mono-axe piézoélectrique PCB 353B03
  2. Un excitateur électrodynamique (pot vibrant) PCB K2007E01
  3. Un microphone PCB 377B02, ½’’, champ libre, pré-polarisé
  4. Un capteur de force PCB 208C01
  5. Un capteur de pression 113A21
  6. LabVIEW
  7. Un châssis CompactDAQ 9178 à 8 emplacements
  8. Un module de sortie analogique NI 9263, ±10 V
  9. Un module d’entrée analogique NI 9234 24 bits pour accéléromètres
  10. Un module d’entrée analogique NI 9215 8 voies, ±10 V

 

Fig. 2 : Matériel utilisé pour les essais

Interfaçage d’un accéléromètre PCB

  1. Guide de sélection d’un capteur accéléromètre

    Le choix d’un accéléromètre dépend de l’étendue de mesure, de la bande passante utilisable, de la masse (qui doit être faible par rapport à la pièce), du nombre d’axes à mesurer simultanément et de sa tenue dans l’environnement (température, humidité, etc.). PCB Piezotronics propose 3 types d’accéléromètres selon la mesure prévue :

    • Piézoélectrique pour les mesures de vibrations jusqu’à quelques kHz ;
    • Piézorésistif pour des mesures de chocs jusqu’à 60 000 g ;
    • Capacitif pour les très basses fréquences ou les fréquences nulles de faible amplitude.

    Pour gérer la température environnante et l’amplitude de sortie, un accéléromètre nécessite un amplificateur de charge qui va transformer les charges piézoélectriques en tensions mesurables. Cet amplificateur est soit intégré au capteur (ICP), soit externe (mode de charge). Cependant, l’électronique de la version externe à l’avantage d’être séparée et protégée des fortes températures, et permet de fournir des gains en amplitude programmables. Ainsi, les capteurs qui ont un conditionnement externe peuvent être utilisés entre -200 °C et +700 °C, alors que les capteurs ICP sont limités à 180 °C.

    La connexion avec du matériel NI tel que le module NI 9234 de la Série C se fait soit par câble BNC direct, soit par l’amplificateur de charge intermédiaire, également en BNC.

    La méthode de montage de surface influe sur les limites de fréquence. En manuel, par exemple, la bande passante est limitée à 500 Hz, tandis que vissé par un goujon, la fréquence limite se situe entre 6 et 10 kHz.

    Ces capteurs peuvent être employés dans le cadre d’essais environnementaux tels que des tests de robustesse en vibration dans lesquels il est possible de simuler les conditions vibratoires subies par un système pendant tout son cycle de vie, ou pour comprendre les propriétés dynamiques d’une structure dans ce que l’on appelle une analyse modale. On retrouvera majoritairement ces applications dans l’automobile ou l’aéronautique.

    Les accéléromètres piézorésistifs sont utilisés pour comprendre le comportement d’un véhicule en crash-test, lors d’essais de chute, d’essais pyrotechniques comme la séparation d’étages fusées, ou encore en cas de chocs générés par une explosion.

    Les capteurs capacitifs sont destinés aux mesures d’accélération basses fréquences et de mouvement, pour surveiller les suspensions d’un train, ou le comportement et le confort d’un véhicule dans les secteurs de l’aéronautique, de l’automobile, de la marine ou du génie civil.

  2. Liste des produits utilisés pour les tests d’accéléromètres
    1. Un accéléromètre PCB 353B03
    2. Un pot vibrant PCB K2007E01
    3. Un châssis CompactDAQ 9178 à 8 emplacements
    4. Un module sorties analogique NI 9263, ±10 V et un câble BNC
    5. Un module d’entrée analogique DSA NI 9234, 24 bits

    Fig. 3 : Accéléromètre PCB 353B03 et pot vibrant PCB K2007E01

  3. Montage et câblage

    L’objectif de l’essai est d’exciter le capteur par balayage de fréquences et d’observer l’amplitude résultante, en plaçant le capteur sur le pot vibrant pour récupérer le signal à afficher sur l’ordinateur. Pour cela, nous avons relié (1) le pot vibrant sur la sortie analogique de la voie 0 provenant du module NI 9263, et (2) le capteur – via le câble BNC adapté – à l’entrée voie 0 du module NI 9234. Les données caractéristiques du pot vibrant indiquent une sensibilité en tension et des gains sélectionnables de 10, 18 ou 24 dB. La tension maximale admise est de 1 VAC RMS donc il convient de ne pas dépasser cette valeur dans le logiciel. Un programme LabVIEW assez simple suffit pour envoyer une tension sinusoïdale en sortie de module d’une amplitude en volts permettant la visualisation d’une amplitude de 2 g d’accélération à 100 Hz. Ces données de références sont conseillées dans le manuel fourni. Il s’agit ensuite de balayer les fréquences entre 10 Hz et 10 kHz pour observer les variations d’accélération.

  4. Programme LabVIEW

    Le programme consiste en deux boucles en parallèle et avec une face-avant simple permettant de saisir la fréquence et l’amplitude à émettre. Le cœur du programme utilise des assistants Express pour l’acquisition et la génération. La génération a été paramétrée à 100 kéch./s sur 10 000 points en 16 bits, et l’acquisition à 50 kéch./s sur 10 000 points de mesure en 24 bits delta-sigma. Les paramètres de l’acquisition sont remplis avec la sensibilité calibrée et définie par la fiche technique jointe avec le capteur. Ici, elle est de 9,86 mV/g (Fig. 4). Pour alimenter l’amplificateur ICP intégré, un courant de 2 mA est fourni par le module de la Série C. Enfin, l’acquisition s’effectue en continu avec un mécanisme de double buffer, aussi est-il possible d’enregistrer ou d’analyser les valeurs sans perte de points.

     

    Fig. 4 : Paramètres de la fonction d’acquisition de données

     

    Fig. 5 et 6 : Face-avant et diagramme du programme de test de l’accéléromètre PCB

    Il est possible d’utiliser un exemple LabVIEW de balayage de la bande passante pour visualiser une amplitude en fonction de la fréquence. Pour une même valeur d’excitation, l’amplitude décroit avec la montée en fréquence. Cette courbe intègre la réponse en fréquence du pot vibrant et celle du capteur.

    Fig. 7 : Programme d’exemple de courbe de réponse en fréquence du shaker et de l’accéléromètre PCB

  5. Résultats

    1. On constate une diminution de la valeur de l’accélération lorsque l’on augmente la fréquence, ce qui indique qu’il faut plus d’énergie pour garder la même amplitude d’accélération (Fig. 7). Le signal est net et permet un affichage haute résolution.

Interfaçage d’un microphone PCB

  1. Guide de sélection d’un microphone

    Le choix d’un microphone dépend de la fréquence que l’on souhaite mesurer, de l’amplitude de la pression acoustique et du type de mesure, qui se divise en trois catégories : pression, champs libre ou champs diffus. La taille du microphone est alors un critère de sélection important : 1’’, ½’’ ou ¼’’. Les petites tailles permettent de monter en fréquence. Les applications peuvent se trouver en températures élevées, notamment lorsque l’on étudie le comportement acoustique et la qualité de bruit d’un moteur ou d’un échappement. Dans un endroit clos, comme une cabine de véhicule, il est nécessaire de privilégier le choix d’un microphone en champ diffus pour analyser la qualité de bruit intérieur. En revanche, pour des mesures aéro-acoustique, les microphones en champ libre de plus petites tailles permettent de travailler sur des hautes fréquences, notamment dans le cadre d’essais en soufflerie. Ces mêmes microphones peuvent servir à obtenir une image acoustique d’un objet en utilisant une série de microphones dans une antenne. Cette méthode, associée à une caméra, permet de trouver l’origine d’un bruit. C’est ce que l’on appelle l’holographie acoustique.

  2. Liste de produits utilisés pour les tests de microphones

    1. Un microphone PCB 377B02 (3,5 à 20 kHz à ±2 dB)(Fig. 8)
    2. Un châssis CompactDAQ 9178 à 8 emplacements
    3. Un module d’entrée analogique DSA NI 9234,24 bits
    4. LabVIEW, avec les bibliothèques Sound & Vibration en option

    Fig. 8 : Microphone PCB 377B02

  3. Montage et câblages

    1. Il suffit de connecter directement le module NI 9234 voie 1 au microphone ICP (la voie 0 étant utilisée pour l’accéléromètre) à l’aide du câble BNC. L’alimentation du microphone est assurée par le module lui-même, qui fournit un courant de 2 mA compatible ICP.
  4. Programme LabVIEW

    1. Le programme d’acquisition peut se faire de deux manières : soit en utilisant les fonctions d’acquisition simples DAQmx et en visualisant les résultats dans un graphe, soit en utilisant des bibliothèques Sound & Vibration qui possèdent de nombreuses fonctions aux normes acoustiques. Dans un premier temps, le programme simple DAQmx consiste à entrer les valeurs et les paramètres dans les fonctions d’acquisition. Il convient de choisir en premier la bande de fréquences que l’on souhaite visualiser dans le spectre pour choisir les vitesses d’acquisition. La limitation provient dans ce cas du module d’acquisition NI 9234, dont la vitesse maximale est de 51,2 kéch./s. Le module possède un filtre anti-repliement à la moitié de la vitesse d’échantillonnage – il sera donc possible de mesurer des signaux jusqu’à 25,6 kHz, ce qui est compatible avec la bande passante du microphone. Pour les essais, nous allons utiliser toutes les valeurs maximales. Le VI Express d’acquisition (Fig. 9) sera rempli avec les paramètres adaptés. La sensibilité est ajustée selon la valeur étalonnée définie par la fiche technique du capteur, soit 53,34 mV/Pa. Si on ne possède pas cette valeur, il est possible d’entrer la valeur par défaut de 50 mV/Pa. Les autres paramètres sont laissés par défaut, comme la valeur de l’excitation à 2 mA et la référence en dB de 20 u. Par contre, nous allons placer la fréquence à 51,2 kHz, le nombre d’échantillons à 10 k et le mode d’acquisition en continu. Une fois l’acquisition effectuée, il est possible d’utiliser plusieurs analyses. Sous LabVIEW, il est possible de placer des fonctions Express de mesures spectrales afin d’afficher des valeurs de spectre en puissance. Voici le résultat de ces mesure et analyses (Fig. 10 et 11), en utilisant les exemples de programmes qui s’appuient sur les bibliothèques Sound & Vibration.

       

      Fig. 9 : VI de configuration et déclaration du microphone PCB

       

Fig. 10  et 11 : Programme de test d’acquisition de signaux sonores et de mesures spectrales

Fig. 12 : Face-avant d’un programme d’exemple de mesure tiers d’octave et de puissance dans la bande avec une pondération de type A

  1. Résultats

    Comme nous le voyons sur la Fig. 10, le microphone rempli parfaitement sa fonction et présente la totalité de la bande avec un niveau proche de -100 dB, et cela sans moyenne du signal. En utilisant les fonctions des nombreux exemples de la bibliothèque Sound & Vibration, vous pouvez directement exploiter et analyser les signaux en utilisant les normes acoustiques comme sur la Fig. 12.

Interfaçage d’un capteur de force PCB

  1. Guide de sélection de capteur de force

    Un capteur de force piézoélectrique permet la mesure de force dynamique. En effet, il ne détecte que les variations rapides d’un effort en LBF ou en Newton et possède un faible temps de réponse. Cependant il est moins adapté pour garder cette valeur très longtemps, en raison de la nature de l’effet piézoélectrique. Les applications peuvent être soit purement dynamiques, et possèdent alors un amplificateur de charges intégré (mode ICP) soit quasi-statiques, auquel cas elles utilisent le mode de charge avec un amplificateur externe. Il existe des versions mono-axes ou tri-axes. Les applications sont variées et peuvent aller de mesures biomécaniques, comme les efforts sur le sabot d’un cheval au contact du sol, aux mesures d’efforts sur les accroches des satellites.

  2. Liste des produits utilisés pour les tests de capteur de force

    1. Un capteur de force dynamique PCB 208C01 (Fig. 13)
    2. Un châssis CompactDAQ 9178 à 8 emplacements
    3. Un module NI 9234 d’entrées DSA 24 bits
    4. LabVIEW, avec les bibliothèques Sound & Vibration en option

    Fig. 13 : Capteur de force dynamique PCB 208C01

  3. Montage et câblages

    Le montage et le câblage sont presque identiques à la mesure de vibration : une connexion directe entre le capteur, son câble BNC et le module NI 9234. L’alimentation ICP est fournie par le module. Cependant, la liaison mécanique et la grandeur physique à mesurer sont différentes : nous ne mesurons plus des g ou des m/s2, mais directement des LBF ou des Newton. Plusieurs versions de forme de capteurs permettent de s’adapter à l’application.

  4. Programme LabVIEW

    Le programme de test consiste à créer un indicateur dynamique sous forme de jauge qui pourra conserver la valeur maximale atteinte par la force. Une acquisition de donnée continue par un VI Express et une déclaration des données du capteur sont alors utilisées (Fig. 14 à 16). La valeur de la sensibilité en mV/Newton ainsi que la gamme minimale et maximale que le capteur peut atteindre sont précisées dans la fiche technique du capteur PCB. Le programme contient une petite logique qui permet de conserver la valeur maximale tant que l’on n’a pas appuyé sur le bouton de remise à zéro en face-avant.

    Fig. 14 et 15 : Programme LabVIEW de test d’un capteur de force piézoélectrique

    Fig. 16 : Paramètres des données du capteur entré dans la configuration

  5. Résultats

    Nous observons bien le mouvement dynamique de l’aiguille de force qui revient d’elle-même à zéro lorsque la charge a été appliquée. Les valeurs retournées sont cohérentes avec la valeur de poids/force appliquée.

Conclusion et liens

Nous avons pu tester et valider les connexions de différents équipements PCB Piezotronics et vérifier la compatibilité des produits afin de mesurer des valeurs d’accélération, de force et de pression acoustique.

Pour en savoir plus sur l’utilisation des matériels d’acquisition de National Instruments, et visionner les nombreuses vidéos disponibles, rendez-vous sur ni.com/daq/f.

Références :

http://www.pcbpiezotronics.fr/
http://www.ni.com/labview/f
http://www.ni.com/soundandvibration/f
http://www.ni.com/daq/f

Haut de page

Bookmark & Share


Ratings

Rate this document

Answered Your Question?
Yes No

Submit