Brevet FR2958417A1 — publié le 20111007

Procédé d'interrogation rapide de capteurs d'ondes élastiques Le domaine de l'invention est celui des dispositifs d'interrogation de capteur passif et notamment de capteur à ondes acoustiques de surface. Ces capteurs sont connus pour être utilisés par exemple comme capteur de température ou de pression et comprennent généralement au moins un résonateur comportant une micro-structure déposée à la surface d'un substrat piézoélectrique. Un exemple de capteur peut typiquement comporter deux transducteurs à peignes d'électrodes inter-digitées placés entre des réseaux réflecteurs. Les réseaux réflecteurs se comportent comme des miroirs et il existe donc des fréquences de résonance pour lesquelles le 1 o trajet retour dans la cavité est égal à un nombre entier de longueurs d'onde. Les modes de résonance pour ces fréquences sont excités par le transducteur placé entre les miroirs. Ce type de capteur peut être interrogé à distance, en connectant l'entrée du transducteur à une antenne radio-fréquence RF. Lorsque 15 l'antenne reçoit un signal électromagnétique, celui-ci donne naissance à des ondes sur la surface du substrat qui sont elles-mêmes reconverties en énergie électromagnétique sur l'antenne. Ainsi, le dispositif constitué d'un ensemble de résonateurs connecté à une antenne a une réponse aux fréquences de résonance des résonateurs qu'il est possible de mesurer à 20 distance. On peut ainsi réaliser des capteurs interrogeables à distance. Cette possibilité est un avantage important des ondes acoustiques de surface et peut être utilisée notamment dans le cadre des capteurs de pression pneumatiques. Il est en effet intéressant dans ce type d'application de pouvoir placer le capteur dans le pneumatique alors que l'électronique 25 d'interrogation est embarquée à bord du véhicule. Selon l'art connu, des systèmes d'interrogation à distance utilisent des signaux d'interrogation sous forme d'impulsions (typiquement de période environ 25 ps) qui transitent via une antenne émettrice en direction d'une antenne réceptrice connectée au capteur à ondes de surface dénommé ci- 30 après dans la description, capteur SAW. Une bande de fréquences privilégiée pour ce type de systèmes est la bande ISM, acronyme anglo-saxon signifiant «Industriel, Scientific, Medical », ayant pour fréquence centrale la fréquence de 433,9 mégaHertz et la largeur de bande associée de 1,7 mégaHertz (MHz). De manière générale un capteur SAW interrogeable à distance et son système d'interrogation peuvent comprendre, comme illustré en figure 1 5 dans le cas simplifié d'un seul transducteur : • un système d'interrogation 2 ; • au moins, un résonateur 1 comportant : o une antenne 100 ; o un transducteur à peigne d'électrodes inter-digitées 11 et une cavité résonante SAW 13 caractérisée par sa fréquence centrale F et son facteur de qualité Q, correspondant au rapport entre la fréquence centrale et la largeur de bande passante. La cavité 13 comprend deux séries de réflecteurs régulièrement espacés d'une distance d. Le transducteur est connecté à l'antenne 100. L'interrogateur 2 envoie une impulsion radio-fréquence longue pour charger le résonateur 1. A l'arrêt de l'émission, le résonateur se 20 décharge sur sa fréquence de résonance propre avec une constante de temps t égale à Q/7[F. Cette décharge du résonateur constitue l'écho en retour détecté par le récepteur de l'interrogateur. Une analyse spectrale permet ensuite de remonter à la fréquence du résonateur qui constitue son identification. Cette analyse peut être effectuée par des algorithmes basés 25 sur la transformation de Fourier, par exemple de type FFT, acronyme anglo-saxon signifiant Fast Fourier Transform. Ce type de traitement par analyse spectrale est particulièrement complexe. Il a été proposé dans la demande de brevet WO 2008015129, un procédé pour interroger à distance des capteurs passifs de type SAW et 30 fondé sur une méthode de modulation de fréquence. Plus précisément cette demande divulgue un procédé pour mesurer la fréquence de résonance d'un résonateur qui comporte les étapes suivantes : - l'émission successive de signaux radio-fréquences de fréquences porteuses connues et modulées en fréquence 35 incluant la fréquence de résonance ; 10 15 - la réception par un système de réception, des ondes de réponse du capteur ; - l'analyse spectrale des ondes de réponse du capteur. L'émission RF est modulée en fréquence avec une modulation wm et 5 une amplitude de modulation typiquement de l'ordre du kHz. Le signal de réponse du capteur est modulé en amplitude avec une fréquence de modulation wm. Le principe de la mesure décrit ci-dessus repose sur la conversion d'une modulation de fréquence (émission) en une modulation d'amplitude par 10 la fonction de transfert du résonateur comme illustré en figure 2. Une émission à pulsation de modulation wm (fréquence correspondante fm) se traduit par une réception sur le détecteur de puissance d'un signal modulé à la fréquence wm, mais plus important, par un retournement ou non de la phase du signal modulé selon que l'on soit en dessous ou au dessus de la 15 fréquence de résonance. La sinusoïde injectée dans le signal à la fréquence wm, représentant le signal modulant, est soit directement convertie en modulation d'amplitude par la fonction de transfert du résonateur (pente positive sous la fréquence de résonance, modulation d'amplitude en phase avec la modulation de 20 fréquence), soit en son opposé (pente négative au dessus de la fréquence de résonance, modulation d'amplitude en opposition de phase avec la modulation de fréquence). Le point intermédiaire correspond à une annulation de la contribution au signal de réception à la fréquence de modulation fm. 25 Autour de cette position fréquentielle, l'amplitude de la composante du signal à la fréquence fm varie linéairement. La demanderesse est partie du constat que lors de la mise en oeuvre d'un algorithme réalisant la fonction décrite précédemment à savoir, la transformation de la contribution à la fréquence de modulation en une 30 information signée autour de l'annulation de la contribution à la fréquence de modulation fm , et lors de la détection de l'amplitude, bien qu'une sinusoïde soit émise pour générer la modulation de fréquence, il était possible de n'exploiter que deux composantes du signal reçu, et ce respectivement aux fréquences maximum et minimum de la modulation, ce constat permettant de 35 réduire de manière très significative les durées d'interrogation. C'est pourquoi, la présente invention a plus précisément pour objet un procédé d'interrogation tirant partie de la rotation de phase présente dans la réponse du signal de réception de l'art antérieur précédemment cité, pour extraire de la réponse du capteur autour de ce point d'annulation une information dite signée, c'est-à-dire avec une pondération négative ou une pondération positive, favorable pour la mise en place d'un asservissement afin de définir avec précision la fréquence de résonance du résonateur et ce avec des temps d'interrogation beaucoup plus courts que dans l'art antérieur cité. 1 o Plus précisément la présente invention a pour objet un procédé d'interrogation à distance d'un capteur passif comportant au moins un résonateur, permettant de déterminer la fréquence de résonance dudit résonateur présentant une courbe de résonance définie par conception dudit résonateur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : 15 - une étape préalable de balayage en fréquence d'interrogation dudit résonateur dans une gamme de fréquences déterminée par conception dudit résonateur, permettant la détermination rapide d'une courbe de résonance centrée sur une fréquence de résonance préalable fro comprise entre une fréquence préalable inférieure frp; et une fréquence préalable 20 supérieure frps définies à mi-hauteur de ladite courbe de résonance dudit résonateur, par détection de l'amplitude de signal de réponse dudit résonateur ; - une première étape d'un premier couple d'interrogations dudit résonateur à une première fréquence fä et à une deuxième fréquence f21 25 telles que : f11 = fro û fm/2 et f21 = fro + fm/2, avec : fm L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à 25 la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre le principe d'interrogation d'un capteur SAW selon l'art connu ; - la figure 2 illustre la conversion d'une modulation de fréquence 30 (en émission) en une modulation d'amplitude par la fonction de transfert dans un procédé d'interrogation selon l'art connu ; - la figure 3 illustre l'étape préalable de balayage en fréquence permettant de déterminer les fréquences frpi et frps ; - la figure 4 illustre les couples d'interrogation et la détermination de la différence de puissance signée exploitée dans la présente invention. Selon la présente invention, le procédé d'interrogation comprend ainsi une étape préalable de balayage en fréquence d'interrogation dudit résonateur dans une gamme de fréquences connue par la conception même du résonateur concerné et permettant la détermination rapide d'une première fréquence de résonance fro dudit résonateur par détection de l'amplitude du 1 o signal de réponse dudit résonateur. Typiquement il pourra être intéressant pour de nombreuses applications de se positionner dans la bande ISM citée précédemment (ou une autre bande ISM compatible de l'utilisation des résonateurs radio-fréquences, en particulier ceux à ondes élastiques). La figure 3 illustre une telle courbe sur laquelle on est en mesure de 15 définir la fréquence de résonance préalable et les deux fréquences frp; et frps permettant de déterminer la fréquence fm choisie inférieure à la différence : frps - frps Il est à noter que le choix de l'écart des fréquences d'interrogation est effectué selon un compromis entre la puissance renvoyée et la précision 20 de la mesure. En effet, plus ces fréquences sont éloignées de la fréquence de résonance, moins on reçoit de puissance en retour, mais plus la mesure est néanmoins précise. La demanderesse a constaté que l'influence de la fréquence fm ne semble par affecter la résolution de la mesure lorsqu'elle est comprise entre 25 1 kHz et 50 kHz. Cependant, choisir une fréquence fm trop grande dégrade la portée de la mesure, le résonateur étant peu efficace loin de sa résonance. Typiquement on pourra choisir dans la bande ISM centrée en 433,9 MHz, une fréquence fm de l'ordre de 10kHz. Le procédé d'interrogation de l'invention est alors effectué de 30 manière itérative. Dans une première étape, l'interrogation est initiée à une première fréquence fä et à une deuxième fréquence f21 telles que : fä = fro ù fm/2 et f21 = fro + fm/2, permettant de définir un premier couple d'amplitudes Pf11, Pf21 d'un premier signal et d'un second signal de réception, comme illustré en 35 figure 4. Dans une seconde étape, on procède à la détermination de la différence des amplitudes A (Pf11- Pf21), ladite différence étant signée. Dans une troisième étape, on définit une première fréquence de résonance fr1 asservie sur ladite différence d'amplitudes signée et répondant à l'équation suivante : fr1 = fro + K*[A(Pf11-Pf21) - Ca], avec Ca une consigne d'asservissement et K une constante. On procède alors à la réitération des première, seconde et troisième étapes comportant la définition d'une i+1 ème fréquence de 1 o résonance répondant à la formule suivante : fri+1= fr; + K*[A(Pfii-Pf2;) - Ca], de manière à obtenir une fréquence de résonance déterminée fri+1 telle que la différence d'amplitudes signée A(Pf1i-Pf2;) soit égale à la consigne d'asservissement Ca. 15 Par exemple, Ca peut être choisie égale à O. Avec Ca égale à 0, le procédé d'itération est terminé lorsque la condition A(Pf1i-Pf2;) = 0. Ainsi et selon l'invention, le signal reçu pour la première fréquence f11 = fro ù fm/2 contient une information de puissance (ou amplitude) totale 20 correspondant à une valeur moyenne et une contribution de modulation que l'on peut considérer comme « virtuelle » à basse fréquence. Le signal reçu à la seconde fréquence f21 = fro + fm/2 contient une information de puissance (ou amplitude) totale correspondant à une valeur moyenne et une contribution de modulation que l'on peut considérer comme « virtuelle » à 25 haute fréquence. La contribution de la valeur moyenne est éliminée lors du calcul de la différence des puissances reçues aux fréquences f11 et f21 afin d'extraire uniquement la contribution du signal de modulation. La différence des puissances reçues à chaque fréquence fournit une information dont le signe 30 va dépendre de la position par rapport à la fréquence fro. Ainsi selon l'invention, il est proposé de réaliser une fonction itérative permettant d'annuler le résiduel mentionné ci-dessus. Cette étape peut être effectuée par une méthode de dichotomie, par une méthode de Newton ou toute autre méthode permettant l'accélération de la convergence du processus itératif. Ainsi toute méthode capable de déterminer le zéro d'une fonction est particulièrement adaptable en l'occurrence : la méthode de dichotomie est une approche consistant à réduire l'intervalle de recherche d'un zéro de la fonction traitée par comparaison des signes de cette fonction après estimation. Les échantillons sont toujours pris de sorte que leur signe soit opposé. On divise l'intervalle en deux puis l'on identifie le nouvel intervalle pour lequel les nouveaux échantillons sont de signes opposés. On poursuit le processus jusqu'à respect du critère de convergence. La méthode de Newton quant à elle s'appuie sur l'exploitation de la série de Taylor au 1 o premier ordre au voisinage du zéro à identifier. A chaque nouvelle prise d'échantillon on calcule la dérivée première de la courbe pour l'échantillon le plus éloigné du zéro et l'on exploite la dérivée première pour déduire une estimation de celui-ci. Le processus converge ou bout d'un nombre d'itérations d'autant plus faible que la courbe est régulière et monotone au 15 voisinage du point recherché. Ces exemples sont fournis à titre d'illustration et peuvent être avantageusement remplacés par des méthodes plus efficaces (Müller, etc.). Une référence bibliographique utile en ce sens est : A. Angot, Compléments de mathématiques, Masson Ed., 6ème Edition, 1982, et à l'international Abramowitz and Stegun. Handbook of Mathematical 20 Functions, on line http://www.math.ucla.edu/hcbm/aands/ On réalise ainsi un asservissement de la fréquence fro qui coïncide avec la fréquence de résonance du capteur interrogé. Cet asservissement s'apparente à une boucle à verrouillage de phase dont les caractéristiques 25 de stabilité et de précision dans la détection de la fréquence cible sont meilleures que les éléments de cette mesure en boucle ouverte. REVENDICATIONS1. Procédé d'interrogation à distance d'un capteur passif comportant au moins un résonateur, permettant de déterminer la fréquence de résonance dudit résonateur présentant une courbe de résonance définie par conception dudit résonateur, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes suivantes : - une étape préalable de balayage en fréquence d'interrogation dudit résonateur dans une gamme de fréquences déterminée par conception dudit résonateur, permettant la détermination rapide d'une courbe de 1 o résonance centrée sur une fréquence de résonance préalable (fro) comprise entre une fréquence préalable inférieure (frpi) et une fréquence préalable supérieure (frps) définies à mi-hauteur de ladite courbe de résonance dudit résonateur, par détection de l'amplitude de signal de réponse dudit résonateur ; 15 - une première étape d'un premier couple d'interrogations dudit résonateur à une première fréquence (f11) et à une deuxième fréquence (f21) telles que : f11 = fro ù fm/2 et f21 = fro + fm/2, avec fm 2. Procédé d'interrogation à distance d'un capteur passif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape préalable de balayage en fréquence d'interrogation dudit résonateur dans une bande de fréquences permettant la détermination rapide d'une première fréquence de résonance (fro) dudit résonateur est effectuée avec un pas de fréquences égal à environ le tiers de la large à mi-hauteur de la courbe de résonance . 3. Procédé d'interrogation à distance d'un capteur passif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la bande de fréquences est une bande ISM, et plus particulièrement celle centrée en 433,9 MHz. 4. Procédé d'interrogation à distance d'un capteur passif selon 15 l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la fréquence fm est inférieure à quelques dizaines de kilohertz. 5. Procédé d'interrogation à distance d'un capteur passif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la consigne 20 d'asservissement est nulle. 6. Procédé d'interrogation à distance d'un capteur passif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la constante K est égale à 1. 25