Brevet FR2904416A1 — publié le 20080201

MÉTHODE D'INTERROGATION À DISTANCE DE CAPTEURS PASSIFS DOMAINE TECHNIQUE 1] L'invention appartient au domaine de la mesure à distance d'une grandeur physique, par l'intermédiaire notamment d'une liaison radiofréquence et d'un composant passif, en particulier pour un paramètre d'un pneumatique d'un véhicule. [0002] Plus particulièrement, le principe d'interrogation selon l'invention repose sur l'émission de signaux radiofréquence, modulés en fréquence, pour exciter un composant passif de type résonateur , et la réception en mode quasi-simultané de sa réponse à ces excitations. L'invention concerne ainsi un procédé et un dispositif d'interrogation à distance de composants passifs de type structures résonantes pour la détermination de la, ou des, fréquences de résonance du composant passif, par interrogation par un signal radiofréquence modulé en fréquence. [0003] L'invention se rapporte également à l'utilisation de capteurs passifs de type résonateurs dans une liaison au sol d'un véhicule, par exemple au niveau du pneumatique, pour mesurer à distance et sans fil des paramètres comme la température des gommes d'un pneumatique ou la pression et la température de l'air interne des pneumatiques. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE [0004] Pour augmenter la sécurité automobile, il apparaît souhaitable d'associer des systèmes de surveillance en temps réel des performances des pneumatiques et/ou de leurs conditions d'utilisation. A cette fin, une voie d'instrumentation des pneumatiques vise à y intégrer des dispositifs électroniques, tels que des capteurs, afin d'assurer le suivi de paramètres relatifs à leur utilisation et/ou leur usure. [0005] Par exemple, lors du roulage, il serait souhaitable que la température des pneumatiques, important facteur de sécurité, soit contrôlée régulièrement, afin d'avertir le conducteur lorsque les pneumatiques sont à une température inadéquate pour une 2904416 2 adhérence optimale, ou pour optimiser leur durée de vie. En ce qui concerne la pression, autre facteur de sécurité, des systèmes TPMS ( Tire Pressure Monitoring System ), composés en règle générale d'un capteur intégré dans la valve du pneumatique, sont par exemple commercialisés et permettent d'informer le conducteur si la pression de ses pneus est correcte et de détecter des fuites. [0006] Dès lors que la mesure d'un paramètre physique d'un pneumatique monté sur sa roue et en conditions de roulage est envisagée, se pose le problème de l'énergie disponible pour pouvoir faire la mesure et la transmettre à un système de contrôle, à l'intérieur ou hors du véhicule, les dispositifs électroniques devant également comporter des moyens pour alimenter les capteurs et récupérer les signaux, voire les traiter. Les solutions actuelles, utilisées pour la majorité des systèmes TPMS déployés, reposent sur l'utilisation de piles associée à des stratégies de gestion de l'énergie permettant de ne pas les changer pendant toute la durée de vie des pneumatiques. [0007] Cependant, une solution avantageuse consiste en l'utilisation de capteurs passifs, c'est-à-dire ne nécessitant pas de source d'énergie embarquée sur l'ensemble pneumatique / roue, mais alimentés par une onde radiofréquence à distance ou par un système d'auto génération de l'énergie associée au pneumatique. Dans le cas d'une alimentation par une onde radiofréquence, un signal d'interrogation est envoyé au capteur équipé d'une antenne ; suite à la réception du signal, le capteur émet une onde radio qui contient l'information sur le paramètre physique auquel il est directement ou indirectement sensible. [0008] Il est ainsi connu, par exemple du document EP 0 937 615, d'utiliser des capteurs à ondes de surface, ou SAW ( Surface Acoustic Wave ), pour mesurer des paramètres physiques, comme l'adhérence, du pneu de façon passive par ondes radiofréquence. [0009] Les capteurs SAW peuvent être du type ligne à retard (la différence de phase entre plusieurs échos générés par le capteur dépendra du paramètre à mesurer) ou du type résonateur (la fréquence de résonance du capteur dépendra du paramètre à mesurer). Les capteurs de type résonateur, du fait de leur plus faible encombrement, sont 2904416 3 généralement plus adaptés à la mesure d'un paramètre physique du pneumatique dès lors que l'accès à ce paramètre nécessite l'intégration du capteur pendant la fabrication du pneumatique. [0010] Un autre type de résonateur peut être envisagé : les résonateurs à ondes de volumes (BAW : Bulk Acoustic Wave ) sont basés sur la mise en vibration d'une lame d'un matériau piézoélectrique enserrée entre deux électrodes en regard ; la plaque de matériau piézoélectrique peut être sous forme de film pour les résonateurs dits hybrides , décrits par exemple dans FR 05 52397. [0011] Bien qu'une mesure directe du paramètre par l'intermédiaire de la fréquence de résonance soit théoriquement possible, pour s'affranchir, entre autres, des problèmes de vieillissement (en particulier pour les capteurs de type résonateur SAW) et de l'influence, sur la réponse du capteur, du couplage entre l'antenne d'interrogation dans ou hors du véhicule et l'antenne associée au capteur, l'utilisation de deux résonateurs, en général connectés électriquement en parallèle, de sensibilité différente au paramètre considéré est souvent préférée : le paramètre est déterminé par la variation de la différence entre chaque fréquence de résonance. [0012] Pour mesurer cette différence, il est d'usage de travailler sur chaque fréquence de résonance séparément, puis d'en faire la différence. Par exemple, le document EP 1 419 476 présente un procédé dans lequel, après une phase de recherche de la fréquence optimale d'interrogation/excitation d'une résonance propre du capteur, on envoie sur le capteur une impulsion RF à cette fréquence optimale, on reçoit la réponse émise par le résonateur excité du capteur et l'on obtient la fréquence propre de celle-ci par abaissement de fréquence, en échantillonnant puis en faisant une transformée de Fourier discrète. Une accumulation cohérente de la réponse du capteur à une succession d'excitations à la fréquence optimale d'excitation permet d'améliorer la précision de détection de la fréquence propre du résonateur excité. Dès lors que toutes les fréquences propres du capteur sont déterminées, le(s) paramètre(s) au(x)quel(s) le capteur est sensible est(sont) calculé(s), en connaissant au préalable la fonction de calibration du capteur considéré. 2904416 4 EXPOSÉ DE L'INVENTION [0013] L'invention se propose de fournir un nouveau principe d'interrogation adapté à la mesure de paramètres physiques d'un pneumatique ou de tout autre élément d'une liaison au sol d'un véhicule, ou pour toute autre application dans un domaine différent. [0014] Signalons à toutes fins utiles que, dans le contexte de la présente invention, le terme pneumatique désigne aussi bien un pneumatique gonflable qu'un bandage élastique ou une chenille, tous ces termes devant être interprétés comme équivalents ; la liaison au sol 1 d'un véhicule regroupe le pneumatique 2 tel que défini ci-dessus, ainsi que les éléments qui en font partie tels que les appuis de soutien 3 de la bande de roulement du pneumatique s'il y a lieu, et tous les composants qui le relient au châssis 4 du véhicule, à savoir notamment la roue, la jante, le système de freinage 5, le système d'amortissement 6, l'essieu,... jusqu'à l'articulation 7, tel qu'illustré sur la figure 1. [0015] L'invention est relative à un procédé pour déterminer la fréquence de résonance Fo d'au moins un résonateur faisant partie d'un capteur comprenant les étapes suivantes : émettre successivement vers le capteur des signaux radiofréquences de fréquences porteuses connues f et modulés en fréquence û, les signaux radiofréquences balayant une bande de fréquence B incluant la fréquence de résonance Fo ; recevoir par un système de réception les ondes de réponse du capteur ; effectuer une analyse spectrale des ondes de réponse du capteur ; et déterminer la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse f quand le spectre de l'onde de réponse du capteur satisfait une relation donnée dans une gamme de fréquences inférieure à 2,5 fois la fréquence Q de modulation du signal émis. [0016] Avantageusement, on peut déterminer la fréquence de résonance Fo du capteur comme étant égale à la fréquence de la porteuse f quand la contribution à deux fois la fréquence 2n de modulation du signal émis est maximale dans le spectre de l'onde de réponse du capteur. 2904416 [0017] Selon une première variante, on peut déterminer la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse f quand la contribution à la fréquence SI de modulation du signal émis passe par un minimum disposé entre deux maximum dans le spectre de l'onde de réponse du capteur. [0018] Selon une seconde variante, on peut déterminer la fréquence de résonance comme étant disposée entre deux fréquences de porteuses fi, f2, quand le déphasage entre l'onde de réponse du capteur et la source de modulation est négatif pour la première fréquence fi et positif pour la seconde f2, la seconde fréquence ayant une valeur supérieure à la première. [0019] On peut aussi mettre en oeuvre successivement ou en parallèle les trois variantes du procédé selon l'invention précédentes. Cela permet de fiabiliser la détermination. [0020] Dans ce cas, il peut être avantageux de procéder à un asservissement de façon à fixer la fréquence d'excitation sur une fréquence proche de la fréquence de résonance déterminée lors de l'étape précédente. [0021] Les fréquences de résonance ainsi déterminées par le procédé selon l'invention peuvent être utilisées pour la mesure de paramètres, notamment par l'évaluation de la variation de la différence entre deux pics de résonance pour des capteurs comprenant plusieurs résonateurs. [0022] Le procédé selon l'invention peut être réitéré, afin de donner une mesure continue des pics de résonance et/ou paramètres ; de préférence, le procédé est réitéré un certain nombre de fois au bout duquel les valeurs des fréquences de résonance déterminées sont traitées, en particulier par filtrage des valeurs aberrantes, et moyennées, de manière à donner une valeur moyenne des fréquences et/ou du paramètre mesuré par leur intermédiaire. Cette deuxième variante est particulièrement préférée dans le cas où le capteur ne se trouve pas continûment dans la zone de réception du lecteur, en particulier dans le cas où le capteur se trouve sur un pneumatique en roulage. 2904416 6 [0023] De préférence, le capteur présente deux fréquences de résonance, situées par exemple dans la bande ISM des 433 MHz, et dont la valeur varie différemment selon la température. La température est fournie à l'utilisateur à intervalles prédéterminés, de préférence toutes les trois secondes. [0024] Pour mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, on peut utiliser le dispositif suivant. Ce dispositif comprend un capteur avec au moins un résonateur, et de préférence une pluralité de résonateurs dont la fréquence de résonance varie différemment en fonction d'un paramètre, par exemple deux fréquences variant selon la température, et un lecteur à distance permettant l'émission vers le capteur d'ondes radiofréquence de porteuse f dans une bande incluse dans la bande ISM des 433 MHz, modulées en fréquence, et la réception depuis le capteur d'ondes radiofréquence modulées en amplitude. Le lecteur comprend des moyens d'émission capables d'émettre une fréquence évoluant de façon contrôlée, notamment de façon linéaire, entre deux bornes d'une bande, par exemple une bande incluse dans la bande ISM des 433 MHz, sur une durée prédéterminée ; le lecteur comprend en outre un circulateur pour isoler émission et réception sans interrompre périodiquement l'émission. [0025] Les moyens pour traiter le signal de réponse du capteur, permettant en particulier de déterminer la fréquence porteuse f pour laquelle, l'amplitude de la contribution spectrale à 52 est minimum entre deux maximums, l'amplitude de la contribution spectrale à 2 S2 est maximum et la phase de la contribution spectrale à SZ s'annule, peuvent notamment comprendre : des moyens pour numériser l'onde de réponse du capteur en sortie d'un filtre passe bas qui coupe les fréquences telles que f > à 2.5 52, faire une FFT, et rechercher l'amplitude et la phase des contributions spectrales à s2 et 20 ; ou des moyens pour multiplier l'onde de réponse du capteur en sortie d'un filtre passe bas qui coupe les fréquences telles que f > à 2.552 avec la source de modulation de fréquence à S2, des moyens pour filtrer la composante résultante à 252, et rechercher un minimum entre deux maximums sur la composante continue. 2904416 7 [0026] Le dispositif selon l'invention fait de préférence partie d'une liaison au sol d'un véhicule, et notamment le capteur est localisé au niveau du pneumatique, le lecteur étant sur la caisse. Le dispositif est de préférence utilisé pour mesurer la température dans un pneumatique. [0027] Le procédé selon l'invention peut très avantageusement être utilisé pour mesurer la température dans un pneumatique, notamment en roulage. [0028] Les procédé et dispositif selon l'invention peuvent aussi être appliqués dans de très nombreux autres domaines, notamment industriel pour le contrôle de procédés et de machines mais aussi liés à la sécurité, à l'environnement et au médical. [0029] A titre d'exemple, on peut les utiliser pour suivre en continu la température interne d'un mammifère vivant, tel un chien, dans lequel se trouve un capteur de température SAW ou BAW. Ce capteur peut avoir été ingéré dans un aliment par exemple. Il peut aussi avoir été inséré dans l'intestin ou tout autre partie du corps par tout moyen connu. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS [0030] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description suivante et en référence aux dessins annexés, donnés à titre uniquement illustratif et nullement limitatifs : la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une liaison au sol d'un véhicule et différentes localisations de capteurs ; la figure 2 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention ; les figures 3A, 3B et 3C montrent le principe de détection d'un signal modulé en fréquence sur un flanc de résonance avec conversion en signal modulé en amplitude, respectivement quand les fréquences porteuse et de résonance sont distinctes [figures 3A et 3:B] ou confondues [figure 3C] ; et les figures 4 sont des comparaisons, respectivement en amplitude à deux fois la fréquence de modulation Q (figure 4A), en amplitude à la fréquence de modulation S2 (figure 4B) et en phase à la fréquence de modulation Q (figure 4C) du signal basse 2904416 8 fréquence obtenu après filtrage basse fréquence (BF) (t = 2.5*Q par exemple) de la réponse du capteur. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS [0031] L'interrogation à distance de capteurs passifs pour mesurer les paramètres physiques utilise classiquement les ondes radiofréquence RF. Ces ondes sont réglementées et seules des bandes restreintes, dites ISM, sont légalement utilisables, toute émission hors des bandes étant prohibée. Classiquement, les résonateurs choisis pour l'invention ont une fréquence propre de résonance Fo se situant dans la bande ISM des 433 MHz ; il faut cependant comprendre que l'invention peut tout aussi bien être appliquée dans une autre bande ISM, par exemple si la détection est effectuée sur une harmonique de rang supérieur (comme avec les résonateurs hybrides décrits dans le document FR 05 52396), une simple adaptation étant immédiate pour l'homme du métier. [0032] La bande ISM préférée est centrée sur 433,92 MHz, de largeur ISMBW 1,74 MHz ; il est possible d'y émettre des ondes radio de puissance Pen, ( Effective Radiated Power ) de 10 dBm (10 mW) avec un rapport cyclique ou duty cycle pisM de 10 % ; hors de cette bande, à moins de 5 MHz de ses bornes, les niveaux d'émission radio tolérés sont inférieurs à -36 dBm en Europe. Pour éviter tout dépassement, la bande utile B considérée pour les capteurs selon l'invention est de largeur BW F, (figure 3A), alors le spectre du signal de réponse du résonateur du capteur modulé en amplitude présente majoritairement une composante en Q. Par ailleurs, la phase de la composante en Q si fo S2 F, . [0043] On constate, sur la figure C que si les fréquences fo de porteuse et F1 de résonance se superposent, alors le spectre du signal modulé en amplitude ne présente plus majoritairement de composante en S2 mais en 252. [0044] Les figures 4A, 4B et 4C présentent des résultats de mesure qui confirment ces résultats. [0045] En particulier, on utilise dans un système de mesure adapté à l'invention un capteur SAW à deux résonances dont le coefficient de qualité Q chargé est 2000, ses deux fréquences propres de résonance étant comprises entre 433.3 MHz et 434.54 MHz. 2904416 -11- [0046] Pour déterminer les fréquences de résonance de ce capteur, on utilise un signal d'excitation de porteuse fo, 433,3 REVENDICATIONS 1. Procédé pour mesurer la fréquence de résonance (Fo) d'un résonateur faisant partie d'un capteur (10) comprenant les étapes suivantes : émettre successivement vers le capteur (10) des signaux radiofréquences de fréquences porteuses connues (f) et modulés en fréquence (S2), lesdits signaux radiofréquences balayant une bande de fréquence (B) incluant la fréquence de résonance (Fo) ; recevoir par un système de réception (20) les ondes de réponse du capteur (10) ; effectuer une analyse spectrale des ondes de réponse du capteur (10) ; et déterminer la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse (f) quand le spectre de l'onde de réponse du capteur satisfait une relation donnée dans une gamme de fréquences inférieure à 2,5 fois la fréquence de modulation du signal émis. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse (f) quand la contribution à deux fois la fréquence (2Q) de modulation du signal émis est maximale dans le spectre de l'onde de réponse du capteur. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on détermine la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse (f) quand la contribution à la fréquence (Q) de modulation du signal émis passe par un minimum disposé entre deux maximum dans le spectre de l'onde de réponse du capteur. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on détermine la fréquence de résonance comme étant disposée entre deux fréquences de porteuses (t', f2) quand le déphasage entre l'onde de réponse du capteur et la source de modulation est négatif pour la première fréquence (h) et positif pour la seconde (h), la seconde fréquence ayant une valeur supérieure à la première. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'émission d'une succession de fréquences est asservie en fréquence en fonction du résultat de la détermination. 2904416 -15- 6. Procédé de mesure d'un paramètre comprenant la détermination de la fréquence selon l'une des revendications 1 à 5 et la conversion de cette fréquence en paramètre. 7. Procédé de mesure d'un paramètre par détermination de la différence entre deux fréquences de résonance d'un capteur variant de façon différente selon le paramètre, comprenant la détermination de chacune des fréquences par un procédé selon l'une des revendications 1 à 5, la mesure de la différence entre les fréquences déterminées et la conversion de la différence mesurée en valeur du paramètre. 8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la fréquence de résonance des deux résonateurs fluctue en fonction de la température dans une bande de fréquence balayée incluse dans la bande ISM des 433 MHz. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le capteur (10) est animé d'un mouvement de rotation par rapport aux systèmes d'émission et de réception (20). 10. Dispositif de mesure d'un paramètre comprenant un capteur (10) muni d'au moins un résonateur et un lecteur (20) comprenant : un dispositif (12) d'émission RF apte à émettre un signal modulé en fréquence, - un dispositif de réception (18) d'une onde RF modulée en amplitude, et comportant des moyens pour analyser la modulation du signal reçu dans une gamme de fréquences inférieure à 2,5 fois la fréquence de modulation du signal émis. 11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le capteur (10) comprend deux résonateurs dont la fréquence de résonance varie différemment en fonction du paramètre. 12. Dispositif selon la revendication 11, comprenant des moyens pour convertir la différence entre deux fréquences de résonance en une mesure du paramètre. 2904416 - 16- 13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel le dispositif d'émission (12) est apte à émettre une fréquence évoluant de façon contrôlée entre une première et une deuxième fréquence et comprenant un circulateur (22). 14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le capteur (10) et son antenne associée sont rotatifs par rapport au lecteur (20). 15. Liaison au sol d'un véhicule comprenant un dispositif selon l'une des revendications 10 à 14. 16. Liaison au sol d'un véhicule selon la revendication 15, dans lequel le capteur (10) est directement associé à un élément tournant, notamment un pneumatique (2). 17. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 6 à 9 ou du dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, pour mesurer la température dans un pneumatique (2). 18. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 6 à 9 ou du dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, pour mesurer la pression et la température du fluide de gonflage d'un pneumatique. 19. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 6 à 9 ou du dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, pour mesurer la température du corps d'un mammifère vivant.