Les accéléromètres Kistler et National Instruments

Date de publication: Sep 28, 2012 | 1 Ratings | 5.00 out of 5 |  PDF

Introduction

L’objectif de ce tutorial est de vous permettre d’avoir une vue d’ensemble des interactions entre les capteurs Kistler et les systèmes de mesure de National Instruments. Notamment des informations sur la connexion des accéléromètres IEPE "Integrated Electronics Piezo Electric", l’interfaçage et l’utilisation des fiches techniques embarquées dans les capteurs TEDS "Transducer Electronic Data Sheets" et un descriptif sur l’utilisation de l’amplificateur de charge programmable ICAM de Kistler en LabVIEW. Ce descriptif aura pour but d’inclure l’ICAM dans une application LabVIEW personnalisée en utilisant le driver développé pour LabVIEW et la liaison série RS-232.

Table des matières

  1. Les accéléromètres Kistler et National Instruments
  2. L’utilisation de l’ICAM en LabVIEW et l’interfaçage RS-232 (exemple : mesure de force)
  3. Les fiches techniques des accéléromètres à option "TEDS" en LabVIEW

1. Les accéléromètres Kistler et National Instruments

Pour effectuer une mesure, les matériels de National Instruments convertissent des signaux de tension analogiques en valeurs numériques. Lorsqu’un capteur ne délivre pas directement une tension, comme c’est le cas avec un capteur piézoélectrique pour la mesure d’accélération, de force ou de vibration, le matériel utilise une électronique de conditionnement qui intègre diverses fonctions comme l’amplification, le filtrage ou l’excitation vers le capteur.

National Instruments propose des matériels et logiciels spécifiques pour le domaine de l’acoustique et vibratoire.

Ces outils sont adaptés aux mesures à partir de capteurs piézoélectriques. Deux catégories de capteurs peuvent être interfacées directement : les capteurs à amplificateur de charge intégré et les capteurs nécessitant une amplification externe.

Quels matériels de National Instruments pouvons-nous utiliser ?

  • La carte PCI ou PXI NI 4472 qui s’insère directement dans un emplacement de PC de bureau ou un châssis au format PXI. Elle mesure à partir de 8 voies d'entrées analogiques à échantillonnage simultané, contient le conditionnement IEPE configurable par logiciel à une vitesse d’échantillonnage jusqu'à 102,4 kéch./s avec 24 bits de résolution, une gamme dynamique de 110 dB et une tension de ±10 V. Il est possible de connecter directement un accéléromètre Kistler avec amplificateur de charge intégré ou externe.

    Figure n°1 : Carte d’entrée analogique simultanée PXI 4472 pour la mesure d’accélérations et de force

  • Les modules d’acquisition et de conditionnement NI de Série C qui peuvent s’enficher dans différents supports de 1 à 8 emplacements en fonction des besoins et s’utilisent par le bus USB, Ethernet, Wi-Fi. Deux modèles de modules peuvent être utilisés : le NI 9234 et le NI 9215.
  • Le module NI 9234 est adapté à la connexion directe d’un accéléromètre IEPE avec une fréquence d'échantillonnage de 51,2 kéch./s par voie maximum, un couplage AC/DC (0,5 Hz), une résolution de 24 bits, une dynamique de 102 dB, et des filtres antirepliement. Ce module mesure sur 4 entrées analogiques échantillonnées simultanément avec une gamme d'entrée de ± 5 V. Il est compatible avec les capteurs TEDS intelligents.
  • Le module NI 9215 à 4 voies d'entrées analogiques à échantillonnage simultané isolées, sur 16 bits, est bien adapté quand le capteur est connecté à un amplificateur de charge externe. Dans ce cas, l’amplificateur de charge fournit une simple tension proportionnelle à la force ou l’accélération.

    Figure n°2 : Module NI 9234 de Série C dans un support 1 emplacement

  • Lorsque davantage de voies sont nécessaires, le matériel NI CompactDAQ est utilisable pour supporter plusieurs modules de Série C dans des châssis 4 ou 8 emplacements connectés sur le bus USB.

    Figure n°3 : Système CompactDAQ connecté en USB

Pour interfacer les accéléromètres Kistler, nous avons choisi ces matériels dans les descriptions qui vont suivre.

Les accéléromètres piézoélectriques à amplificateur de charge intégré (IEPE) :

L’amplificateur de charge de ces capteurs est alimenté directement par le câble du capteur grâce au conditionnement du module NI 9234 que nous venons de décrire. Pour répondre au standard IEPE, ce matériel génère un courant d’excitation programmable de 0 ou 2 mA. Nous avons donc utilisé pour ce tutorial un accéléromètre PiezoStar 8766A50 Triaxial de Kistler, le système de mesure NI CompactDAQ, LabVIEW, ainsi que le module NI 9234 BNC de Série C.

Figure n°4 : Accéléromètre PiezoStar 8766A50, NI 9234, NI CompactDAQ

Dans un premier temps, la fiche technique de l’accéléromètre nous donne une gamme de mesure de ±50 g et une sensibilité de 100 mV/g. Ces paramètres seront utilisés par LabVIEW afin de pouvoir afficher les grandeurs physiques directement. Un certificat d’étalonnage fourni permet d’accroître cette précision en ajustant le paramètre de sensibilité pour les fréquences d’utilisation. Tous les paramètres d’étalonnage ainsi que la fiche technique qui accompagne l’accéléromètre peuvent être embarqués dans une mémoire intégrée à l’accéléromètre, ce que nous allons décrire dans le paragraphe suivant concernant l’option TEDS.

En ce qui concerne LabVIEW, il suffit de connecter l’accéléromètre par un câble BNC au module NI 9234, ouvrir un nouveau programme, et dans la fenêtre du diagramme, déposer un assistant d’acquisition de données.

Un assistant d’acquisition de données est une méthode rapide en LabVIEW de réaliser des mesures sans programmer. Il permet de décrire les tâches de mesure que l’on souhaite réaliser, comme par exemple d’acquérir des valeurs en entrée analogique, sélectionner le type de capteur, la vitesse de la mesure, si on doit mesurer une seule valeur, un tableau sur une durée définie, ou en continu.

Dans notre cas concret, aux questions qui vous sont posées, il faut sélectionner l’acquisition de signaux d’entrée analogique de type accélération, valider le choix de la voie à mesurer sur le module NI 9234. La fenêtre suivante permet de remplir les valeurs et d’exécuter un aperçu des données de mesure.

Figure n°5 : fenêtre de l’assistant d’acquisition de données Express en LabVIEW, sélection manuelle des valeurs de gamme et de sensibilité

Il peut être très facile en LabVIEW d’exploiter les données pour réaliser des applications de mise au point, d’analyse, ou des systèmes autonomes embarqués Temps Réel basés sur les mesures d’accélération ou de force. En voici un exemple ci-dessous en utilisant LabVIEW. Sur ces captures d’écran, a été ajoutée au diagramme de l’assistant d’acquisition, une fonction Express d’analyse spectrale. Sur la face-avant, le tableau de points résultant a été placé sous forme de graphe. Il est tout à fait possible d’utiliser les VIs d’analyse modale ou des bibliothèques spécifiques d’analyse de vibrations. Pour en savoir plus, vous pouvez visiter www.ni.com/soundandvibration/f toujours en sélectionnant votre pays.

Figure n°6 : Face-avant LabVIEW de mesure et d’analyse spectrale d’un impact

Figure n°7 : Diagramme LabVIEW associé

Les accéléromètres piézoélectriques à amplificateur de charge externe :

L’utilisation d’un amplificateur de charge externe a entre autres avantages, de pouvoir sélectionner la gamme d’amplification et augmenter ainsi la résolution et la précision de mesure. Kistler propose une large gamme d’amplificateurs de charge dont l’ICAM type 5073A qui est programmable avec LabVIEW à travers le port série RS-232.

Figure n°8 : Amplificateur de charge ICAM type 5073 de Kistler

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2. L’utilisation de l’ICAM en LabVIEW et l’interfaçage RS-232 (exemple : mesure de force)

L’ICAM est un amplificateur de charge généraliste programmable qui permet de fournir une tension analogique sur la gamme de ±10 V à partir d’une large plage de valeurs de charges de 100 à 1000000 pC. Pour en savoir plus sur l’ICAM, vous pouvez rechercher le mot-clé ‘’ICAM’’ sur www.kistler.com. Kistler fournit une interface simple d’édition des valeurs de l’amplificateur par RS-232 dénommée ManuWare ainsi qu’une interface de paramétrage en LabVIEW sous forme d’exécutable. Kistler propose un jeu de commandes RS-232 en LabVIEW sous forme de driver pour la programmation des paramètres afin d’intégrer l’amplificateur industriel et les capteurs piézoélectriques dans une application LabVIEW personnalisée. Dans ce tutorial, nous allons mesurer une force de compression en LabVIEW à partir d’un capteur Press Force Kistler 9333A de 0 à 50 kN, sa sensibilité est de 3,9 pC/N.

Figure n°9 : Capteur Press Force Kistler 9333A

Avant de réaliser une mesure en LabVIEW, il est nécessaire de connecter un câble RS232 croisé entre le PC et le boîtier et de réaliser le câblage du connecteur Sub D 15 de l’ICAM qui fournit les signaux à mesurer avec un système de mesure comme un module USB NI 9215 dans un CompactDAQ.

Figure n°10 : Synoptique de connexions entre l’ICAM et le système de mesure NI CompactDAQ

Voici les schémas de connexions extraits des documentations des deux produits.

Figure n°11 : à gauche, les broches de l’ICAM de Kistler, à droite, les broches du NI 9215

Pour une simple mesure de pression sur une voie, les signaux à connecter seront :

  • la broche 3 pour la sortie Ch1 à connecter sur l’AI0+ de l’entrée analogique
  • la broche 10 correspondant à la masse du signal vers l’AI0- de l’entrée analogique
  • la broche 11 sur laquelle il faut connecter une alimentation entre +18 V et 30 V, soit typiquement une tension de 24 volts
  • la broche 9 pour la masse de l’alimentation
  • afin que le système de mesure et l’amplificateur soient au même potentiel de référence, de manière optionnelle, il est possible d’ajouter une résistance de quelques dizaine de KOhm entre l’entrée différentielle AI0- et le COM du module NI 9215. Cette procédure n’est utile que dans un environnement fortement bruité, ou lorsque l’alimentation de l’ICAM n’est pas référencée à la masse.

Pour réaliser une mesure, l’amplificateur de charge ICAM fonctionne en deux modes : un mode de mesure et un mode de remise à zéro. Ces modes sont pilotés soit par un câblage matériel d’une tension de commande sur la broche 8 de l’ICAM, soit par programmation RS-232. Le même principe de pilotage par une tension de commande est possible pour commuter entre deux gammes préprogrammées sur les broches 12 à 15 associées à chaque entrée.

Pour notre exemple, nous allons utiliser la méthode de commande de mesure par l’envoi d’une chaîne de caractères RS-232 en LabVIEW.

Tout d’abord, une fois l’ICAM alimenté, il faut vérifier que la liaison entre le PC et celui-ci est opérationnelle. Pour cela, une exécution du logiciel ManuWare peut rapidement permettre de valider si vous possédez le bon câble RS-232 croisé. Suivez les instructions d’ajout de ‘’Device’’ sur le port COM. Utilisez le mode « autoscan » afin de détecter et d’ajouter automatiquement les différents capteurs présents sur votre chaîne de mesure et relevez les valeurs des paramètres de vitesse, de nombre de bits et de contrôle. Un petit essai en appuyant sur la barre Espace permet de passer en mode Mesure/Reset. Vous pouvez également vérifier les propriétés des voies sur lesquelles vos capteurs sont connectés afin de modifier la gamme 1 et 2 et les sensibilités manuellement. Tout ceci peut être effectué en programmation, par la suite, grâce à l’interface que nous pourrons réaliser avec LabVIEW.

Figure n°12 : Interface du logiciel ManuWare

Envoyer une chaîne de caractères par port COM RS232 en LabVIEW est très facile, un jeu de quelques fonctions haut niveau permet d’initialiser le port avec les paramètres de vitesse et de parité et ensuite des fonctions d’écriture et de lecture. Des exemples fournis en standard dans le logiciel permettent de tester cette communication

Figure n°13 : Exemple de communication simple fourni en LabVIEW

Dans cet exemple, une première fonction à gauche permet la définition du protocole de communication, puis en fonction de l’état de la commande booléenne ‘’écriture’’ et de la saisie du texte de commande à envoyer dans la fenêtre ‘’Chaîne à écrire’’, la fonction d’écriture envoie cette chaîne dans une condition à ‘’Vrai’’. Après un délai d’attente programmable, le programme lit le nombre d’éléments disponibles sur le port d’entrée RS-232 et le résultat de la fonction de lecture est envoyé dans le deuxième affichage. Une fonction de fermeture de communication est positionnée ensuite afin de libérer les ressources mémoires allouées au port de communication. La fonction de cet exemple fourni en standard dans LabVIEW est l’envoi d’une chaîne classique ‘’*IDN?’’, qui est une demande d’identification pour la plupart des appareils de mesure pilotés en RS-232.

Pour piloter l’ICAM, il nous faut donc la liste des commandes par chaînes RS-232 nécessaires. Cette liste est assez bas niveau et implique d’envoyer dans l’ordre une concaténation de plusieurs valeurs et commandes compréhensibles par l’ICAM.

Figure n°14 : Exemples de jeu d’instructions de l’interface RS-232 C de l’ICAM

Afin de faciliter cet envoi de commandes, Kistler a réalisé un driver de fonctions LabVIEW qui résument les commandes à envoyer en une série de chaînes simplifiées. Par exemple, pour envoyer un ordre de type mise à zéro, il faut utiliser la fonction ‘’sendAppl.vi’’ avec pour paramètre d’entrée la chaîne ‘’res’’. De même, pour envoyer la commande de mesure, il suffit de passer à la même fonction la chaîne ‘’meas’’. Le driver fonctionne sur le partage d’informations contenues dans une variable globale. Avant d’utiliser le driver, il convient de vérifier et d’enregistrer les valeurs de cette variable en utilisant les paramètres de vitesse, de parités que vous avez relevés dans ManuWare. Les autres fonctions du driver utiliseront ces paramètres.

Figure n°15 : Extrait de quelques fonctions du driver haut niveau de l’ICAM

Voici un programme LabVIEW personnalisé de mesure de la force appliquée sur le capteur Press Force Kistler 9333A :

Figure n°16 : Face-avant et diagramme de la mesure de force en LabVIEW avec l’ICAM

L’acquisition s’effectue dans la boucle du haut, lors d’un dépassement d’une consigne réglable en face-avant, un afficheur LED qui peut être reliée à une sortie numérique de type relais, bascule à l’état vrai. Cette opération permettrait d’arrêter par exemple l’augmentation de la force appliquée. Il faut savoir qu’en LabVIEW, il est également possible de réagir en boucle fermée et de faire une régulation de la force sur un profil de consigne.

Dans notre diagramme, une boucle en parallèle détecte à tout moment l’appui sur le bouton de commande circulaire de ‘’mise à zéro’’ en face-avant, et fait basculer deux états qui envoient la commande RS-232 de mesure ou bloque celle-ci par la commande de mise à zéro. En sortie de boucle, par sécurité, la commande de mise à zéro est envoyée dans une séquence avant l’arrêt du programme.

Comme vous pouvez le constater, il est facile d’intégrer un code d’interfaçage de l’ICAM dans un programme LabVIEW existant afin d’interfacer des capteurs piézoélectriques. Suivant les informations à modifier en face-avant, il est possible d’y ajouter les paramètres de sensibilité, de gammes et de rendre par exemple automatique leur basculement par programmation.

Pour plus de détails sur la programmation LabVIEW, vous pouvez télécharger la version d’évaluation sur www.ni.com/labview/f

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3. Les fiches techniques des accéléromètres à option "TEDS" en LabVIEW

Les accéléromètres Kistler portant l’extension de dénomination ‘’T’’ permettent d’embarquer dans une puce mémoire les caractéristiques ainsi que les valeurs d’étalonnage équivalentes aux fiches techniques fournies en papier. Cette méthode fait partie d’un standard IEEE 1451.4 dénommé TEDS pour ‘’Transducer Electronic Data Sheets’’. La lecture de ces fiches techniques nécessite une interface matérielle spécifique et un éditeur logiciel pour lire ou écrire ces paramètres. Kistler propose ce type d’interfaces comme le Type 5134B ou 5000M04 ainsi qu’un logiciel d’édition.

National Instruments dispose de matériels de mesures qui intègrent une commutation pilotée par programmation dans le module ou la carte d’acquisition. Celle-ci permet de basculer entre la lecture de la fiche technique et le signal à mesurer. Le module NI 9234, utilisable en USB sur le système CompactDAQ, est l’un des nombreux matériels NI utilisant cette technologie. Pour en savoir plus sur la technologie TEDS, vous pouvez visiter www.ni.com/teds.

L’utilisation en LabVIEW d’un capteur au standard TEDS est très simple et permet de remplir directement les informations dans les assistants d’acquisition de données, sans erreur possible de manipulation ou interprétation des valeurs. Voici un exemple ci-dessous de fiche TEDS d’un accéléromètre Kistler tri-axes 8763A500T détecté dans le configurateur Measurement & Automation Explorer (MAX) de National Instruments. On remarque sur la gauche la détection des modules USB NI CompactDAQ et sur la droite les paramètres essentiels de sensibilité, d’étalonnage et le nom de la direction de la voie.

Figure n°17 : Accéléromètre Kistler 8763A500T dans NI Measurement & Automation Explorer

En LabVIEW, Le capteur TEDS est détecté automatiquement dans l’assistant DAQ et les valeurs de mesures lues sont directement mises à l’échelle avec une grande précision car elles utilisent entre autres la valeur étalonnée de la sensibilité.

Figure n°18 : Assistant d’acquisition Express de LabVIEW rempli automatiquement par la fiche technique embarquée dans le capteur TEDS

Pour en savoir plus sur l’utilisation des matériels d’acquisition de National Instruments, vous pouvez visiter www.ni.com/daq/f en sélectionnant votre pays, de nombreuses vidéos sont disponibles.

Références :

 

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