Brevet FR2982020A1 — publié le 20130503

L'invention porte sur un système de mesure d'une grandeur physique à plusieurs emplacements d'un objet, utilisant un ensemble de capteurs de contraintes à ondes acoustiques de surface. Des capteurs sans apport de courant utilisant les Ondes Acoustiques de 15 Surface (SAW pour Surface Accoustic Waves en anglais) sont connus. Le principe a été décrit pour la première fois en 1885 par Lord Rayleigh. Le capteur, ou jauge, comprend un substrat piézoélectrique et deux transducteurs interdigitaux, également appelés réflecteurs, disposés à la surface de ce substrat. L'apport d'énergie est constitué par une excitation par 20 une onde radio fréquence centrée sur une fréquence F, reçue sur un transducteur récepteur. Cet apport d'énergie est transformé en onde acoustique par le substrat piézoélectrique. L'onde acoustique se déplace le long du substrat et transmet à son tour une énergie à un transducteur émetteur. Ce transducteur transforme cette énergie en un signal radio fréquence de 25 fréquence très étroite, qui ne dépend que de la conformation de ce transducteur. Une antenne d'émission permet de récupérer le signal en sortie. On utilise ce principe pour mesurer une grandeur physique en collant le substrat piézoélectrique sur un support soumis à des contraintes, donc des micro déformations. Le substrat du capteur se déforme comme le support et 30 ceci modifie la fréquence propre du transducteur émetteur. Ce décalage de fréquence reflète directement la contrainte subie par le capteur, par exemple une variation de température ou de pression selon la disposition du capteur et ce qu'on souhaite mesurer. On obtient donc ainsi un capteur capable de transmettre, sans fil et sans apport de courant, des données en temps réel. Plus récemment, il a été mis au point des capteurs à ondes de surface 5 comportant plusieurs transducteurs émetteurs sur le même substrat piézoélectrique, possédant des fréquences propres différentes. Il est fréquent que l'on souhaite mesurer simultanément la même grandeur physique à plusieurs emplacements d'un objet ; on utilise alors plusieurs capteurs possédant chacun un transducteur émetteur, la fréquence 10 propre de chaque capteur étant différente de façon à pouvoir les discriminer. Par exemple, le capteur C1 a pour fréquence propre f1, le capteur C2 la fréquence f2 et ainsi de suite. Les capteurs sont excités par une fréquence unique F à large bande. Cette solution est simple car à chaque décalage de fréquence correspond 15 un seul capteur, mais elle est limitée lorsque l'on veut une multitude de capteurs et une fréquence d'excitation F unique car chaque capteur mobilise une fréquence propre. L'invention se propose de résoudre ce problème en permettant d'utiliser un grand nombre de capteurs et une fréquence d'excitation unique. 20 A cet effet, elle propose un système de mesure simultanée de grandeurs physiques relatives à un objet utilisant des capteurs à ondes de surface, chaque capteur pouvant comporter une pluralité de transducteurs émetteurs, chaque transducteur émetteur possédant une fréquence propre différente, chaque fréquence étant choisie parmi un ensemble de N fréquences différentes, deux 25 capteurs du système différant par au moins une fréquence propre. L'invention consiste à utiliser des capteurs multifréquences sur les substrats desquels ont donc été gravés plusieurs transducteurs émetteurs, possédant chacun une fréquence propre différente fi parmi un nombre prédéterminé N de fréquences utilisables dans la bande de la fréquence 30 d'excitation F. Par exemple, pour un ensemble de N = 5 fréquences propres utilisables, le capteur C1 possèdera les fréquences f1, f2 et f3, et le capteur C2 possèdera les fréquences f1, f3 et f5. Un capteur ne se caractérise donc plus par une fréquence unique, mais par un ensemble de fréquences, caractéristique de chaque capteur, et qui constitue sa « signature ». Une déformation du capteur sous l'effet d'une contrainte modifie de façon identique la fréquence propre de chaque transducteur émetteur. C'est cette combinaison de fréquences possédant le même décalage qui permet d'individualiser chaque capteur. Pour pouvoir les discriminer, deux capteurs doivent différer par au moins une fréquence propre, deux capteurs ne comportant pas la même combinaison de fréquences. Par exemple, un capteur C1 comporte les fréquences f1, f2 et f3, et un autre capteur C2 comporte la combinaison f1, f3 et f5. Le capteur C1 sera identifié par un décalage 8 de ses fréquences f1, f2 et f3, et le capteur C2 sera identifié par un décalage A de ses fréquences f1, f3 et f5. L'identification de chaque capteur permet d'attribuer la grandeur physique mesurée par chaque capteur à l'emplacement de l'objet sur lequel il est collé. Avantageusement, les capteurs peuvent comporter le même nombre n de transducteurs émetteurs, ce nombre de transducteurs étant strictement inférieur audit nombre N de fréquences de l'ensemble de fréquences propres des 20 transducteurs émetteurs. Dans ce cas, tous les capteurs comportent le même nombre n de transducteurs émetteurs. Le nombre de combinaisons de capteurs comportant n fréquences parmi N disponible est alors CNn. Ceci impose bien sûr que le nombre n de transducteurs gravés sur chaque capteur soit strictement inférieur 25 au nombre N de fréquences disponibles. Avantageusement, chaque transducteur émetteur peut comporter une plage de mesure autour de sa fréquence propre et les plages de mesure de deux transducteurs de ladite pluralité de capteur ne se recouvrent pas. 30 Pour que l'identification de chaque capteur par l'intermédiaire de son spectre de raies décalé soit possible, il est nécessaire qu'une plage de mesure d'une fréquence fi ne déborde pas sur les plages de mesure des fréquences voisines et f1+1 de façon à rester distincte des autres fréquences. Par exemple, si la fréquence propre f1 d'un capteur soumis à une contrainte devient f1 + ô, cette fréquence décalée f1 + b doit rester en dehors de la plage de mesure de la fréquence voisine f2 pour être considérée comme un décalage de la fréquence f1 et non de la fréquence f2. Avantageusement, le système peut comporter en outre un émetteur de radio fréquence à bande large recouvrant toutes les fréquences propres de 10 l'ensemble de N fréquences propres du système. L'émetteur est par exemple un ordinateur portable utilisant le protocole Bluetooth en classe 3, dont la bande de fréquences est comprise entre 2 400 et 2 483,5 MHz. La fréquence d'excitation F est par exemple centrée sur 2 450 MHz. 15 Avantageusement, le système peut comporter en outre un récepteur de radio fréquence à bande large recouvrant toutes les plages de mesure de toutes les fréquences propres de l'ensemble de N fréquences propres du système. Le récepteur de radio fréquences est par exemple un scanner permettant 20 d'identifier les spectres de raies des capteurs. Avantageusement, le système peut comporter en outre un calculateur apte à: - à partir des fréquences reçues par le récepteur, calculer des décalages en 25 fréquence de chaque fréquence propre du système, - attribuer un décalage de fréquence à chaque capteur, - calculer une grandeur physique au niveau de chaque capteur à partir de son décalage de fréquence distinctif. L'invention porte également sur un procédé de détermination simultanée d'une pluralité de grandeurs physiques d'un objet utilisant un système de mesure selon l'invention, pouvant comporter les étapes consistant à : - à l'aide de l'émetteur de radio fréquence, exciter le transducteur récepteur de 5 chaque capteur avec une fréquence F à large bande, - à l'aide du récepteur de radio fréquence, recevoir les fréquences émises en réponse par les transducteurs émetteurs de chaque capteur, - calculer les décalages en fréquence de chaque fréquence propre du système, - constituer des groupes de n fréquences possédant le même décalage, 10 - à l'aide de la signature de chaque capteur, associer un capteur à chaque groupe de n fréquences, - calculer une grandeur physique au niveau de chaque capteur à partir du décalage de fréquence commun à ses fréquences propres. Avantageusement, le procédé est précédé de l'étape consistant à : 15 - fixer sur ledit objet une pluralité de capteurs, de préférence à des emplacements différents auxquels on veut obtenir des mesures, chaque capteur possédant une signature unique de n fréquences propres parmi N fréquences. Des modes de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre 20 d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente un schéma de principe d'un capteur à ondes de surface de l'état de l'art, 25 La figure 2 représente un schéma de principe d'un capteur à ondes de surface multifréquences, La figure 3 représente schématiquement un système de mesure comportant trois capteurs, appliqué à une pièce industrielle soumise à 30 des contraintes, La figure 4 représente deux spectres de fréquences pour les trois capteurs de la figure 3, avant et après mise en contrainte de la pièce industrielle. Le capteur 10 de l'état de l'art illustré en figure 1 comporte un substrat piézoélectrique 11 sur lequel ont été gravés deux transducteurs interdigitaux, un transducteur récepteur 12 et un transducteur émetteur 13. Le capteur 10 comporte en outre une antenne 14 pour alimenter le transducteur récepteur 12, et une antenne 15 apte à transformer un signal électrique reçu du transducteur émetteur 13 en signal radio électrique. Le capteur 10 utilise la propriété de certains substrats piézoélectriques de transformer une excitation électrique en ondes acoustiques de surface, Surface Acoustic Wave (SAW) en anglais. Le capteur 10 est prévu pour être excité par un signal radio électrique 15 large bande centré sur une fréquence F. Ce signal est converti en onde acoustique de surface de même fréquence F par le transducteur récepteur 12, qui se propage sur le substrat piézoélectrique. Le transducteur émetteur 13 convertit cette onde acoustique en une fréquence propre étroite fo qui ne dépend que des propriétés du transducteur émetteur 13. 20 Lorsque le capteur 10 est soumis à une contrainte (déformation, température...) la fréquence de résonance du transducteur émetteur 13 est décalée et devient par exemple fo + 6, 6 pouvant être positif ou négatif. La figure 2 illustre un capteur multifréquences 20, comportant un transducteur récepteur 22 et sept transducteurs émetteurs 23a à 23g, gravés sur 25 un substrat piézoélectrique 21. Lorsque le capteur 20 est au repos, chaque transducteur émetteur 23a à 23g peut émettre sur une fréquence propre ou fréquence de référence f1 à f7 différente en réponse à une onde acoustique de surface se propageant sur le substrat 21. Le substrat 21 est avantageusement réalisé en niobiate de Lithium 30 LiNbO3 qui présente une bonne efficacité de transmission des ondes générées par le transducteur récepteur 22 sur le substrat. Lorsque le capteur 20 est soumis à une contrainte, chaque transducteur émetteur 23a à 23g transmet une fréquence propre f1 à f7 décalée et située à l'intérieur d'une plage dite de mesure de largeur delta-f. La détermination du nombre de plages disponibles dépend notamment du delta-f et de la bande passante de signal d'apport. Par exemple : Plage 1 : de fo à fo + delta-f, Plage 2 : de f1 à f1 + delta-f avec f1 > fo + delta-f, Plage 3 : de f2 à f2 + delta-f avec f2 > f1 + delta-f, Etc. Les fréquences propres f1 à f7 doivent être suffisamment éloignées pour qu'une fréquence fi décalée ne vienne pas dans la plage de mesure de la fréquence propre voisine f1+1. Dans ce qui précède, on a supposé que les plages de fréquence des fréquences propres fi étaient toutes situées dans le sens des fréquences croissantes à partir de chaque fréquence propre fi. Le même raisonnement s'applique si les fréquences propres fi sont situées à l'intérieur de leur plage de mesure. La figure 3 représente un système de mesure selon l'invention appliqué à 20 une pièce industrielle 100, comportant : - trois capteurs 31, 32, 33 collés à différents emplacements de cette pièce 100, chaque capteur comportant une combinaison unique de fréquences propres, - un émetteur de radio fréquence sous la forme d'un ordinateur portable 25 110 utilisant le protocole Bluetooth (marque déposée), émettant des ondes radio à une fréquence d'interrogation F centrée sur 2,45 GHz, - un scanner de fréquences 120 apte à recevoir les fréquences émises par les capteurs 31, 32, 33, - un calculateur 110 relié audit scanner. 30 On va maintenant illustrer le fonctionnement du système de la figure 3 dans lequel on se limite pour la clarté de l'exposé à des capteurs ne comportant que trois transducteurs émetteurs et donc trois fréquences propres. Le capteur 31 possède par exemple le triplet de fréquences propres (fo, f1, f2), le capteur 32 le triplet (fo, fli f3), et le capteur 33 le triplet (fo, f1, f4). Il y a donc cinq fréquences disponibles dans ce système, de fo à f4. Au repos, les trois capteurs répondent chacun sur leurs fréquences propres, on obtient donc le spectre de raies Etat 1 de la figure 4. Dans cet état, sauf cas particulier, il n'est pas possible d'identifier les capteurs car chacun répond sur ses fréquences propres, qui sont communes à l'ensemble des capteurs. Lorsque la pièce 100 est mise sous contrainte, les emplacements auxquels les capteurs sont collés sont soumis à des contraintes différentes et les capteurs également, par exemple : - le capteur 31 est soumis à une faible contrainte, conduisant à un décalage 8 des fréquences de ce capteur et donc à un triplet (fo + 6, fl + 8, f2 + Ô) lorsqu'il est excité par une fréquence F, - le capteur 32 n'est soumis à aucune contrainte, son triplet est donc inchangé (fo, f1, f3), - le capteur 33 est soumis à une forte contrainte, conduisant à un décalage A des fréquences de ce capteur et donc à un triplet (fo + A, fl + A, fi + A). Le récepteur qui scanne les fréquences émises passe de l'Etat 1 à l'Etat 2 comme représenté en figure 4. On obtient donc le spectre de raies Etat 2 de la figure 4, dans lequel : - les fréquences émises par le capteur 31, décalées en fréquence d'une valeur 8, sont en blanc, - les fréquences émises par le capteur 32, non décalées en fréquence, sont en gris, - les fréquences émises par le capteur 33, décalées en fréquence d'une valeur A, sont en noir. On voit que l'une des conditions du fonctionnement du système est que les plages de mesure des différentes fréquences ne se chevauchent pas. Dans cet exemple, pour la clarté du dessin, on a supposé que tous les décalages de fréquence étaient positifs, et qu'en conséquence, les plages de mesure des 5 transducteurs s'étendaient toutes à droite de leur fréquence propre. Le problème consiste, à partir du spectre de raies de l'Etat 2, à remonter à la mesure de chaque capteur. Les valeurs des fréquences propres fo, étant connues ainsi que leur attribution aux capteurs, il suffit de dresser la liste des décalages observés puis de constituer des triplets de valeurs égales. Dans 10 l'exemple, la liste est la suivante : Décalages relatifs à fo : 0, ô, A Décalages relatifs à fi : 0, 8, A Décalages relatifs à f2 : Décalages relatifs à f3 : 0 15 Décalages relatifs à f4 : A. Le système a donc observé les décalages 0, 8 et A. Il s'agit maintenant d'attribuer chaque décalage à un capteur. On remarque que le même décalage 8 est observé sur les fréquences fo, f1 et f2, qui est la signature du capteur 31, ce décalage 8 peut donc être attribué au 20 capteur 31. De même, un décalage nul est observé sur les fréquences fo, flet f3, signature du capteur 32, on peut donc attribuer ce décalage nul au capteur 32. Le même raisonnement conduit à attribuer le décalage A au capteur 33. Le nombre de capteurs discernables est donc de C103 = 120 alors qu'avec une fréquence unique par capteur, il ne serait possible de discerner que 5 25 capteurs. Si l'on imprime 4 fréquences parmi 10 sur chaque capteur, on peut alors discerner C104 = 210 capteurs. Dans cet exemple, on a supposé que les transducteurs d'un même capteur, soumis à la même contrainte, se décalaient de la même valeur. Si ce n'est pas le cas (par exemple à cause de réponses non linéaires), 30 l'identification des capteurs est encore possible à condition que ces non linéarités soient connues. -10- Un des avantages du système est qu'il permet de détecter le dysfonctionnement d'un capteur, dans le cas où l'on ne parvient pas à constituer des groupes de n valeurs de décalage, dans l'exemple précédent des triplets.5 REVENDICATIONS1. Système de mesure simultanée de grandeurs physiques relatives à un objet (100) utilisant des capteurs à ondes de surface, caractérisé en ce que chaque capteur (31, 32, 33) comporte une pluralité de transducteurs émetteurs (23a à 23g), chaque transducteur émetteur possédant une fréquence propre (f1, f2, f3...) différente, chaque fréquence étant choisie parmi un ensemble de N fréquences différentes, et en ce que deux capteurs du système diffèrent par au moins une fréquence propre, de sorte que chaque capteur possède une signature unique de fréquences propres (f1, f2, f3...). 2. Système de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que les capteurs (31, 32, 33) comportent le même nombre (n) de transducteurs émetteurs (23a à 23g), ce nombre de transducteurs étant 15 strictement inférieur audit nombre N de fréquences de l'ensemble de fréquences propres (f1, f2, f3...) des transducteurs émetteurs. 3. Système de mesure selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque transducteur émetteur (23a à 23g) comporte une 20 plage de mesure autour de sa fréquence propre (f1, f2, f3...), et en ce que les plages de mesure de deux transducteurs de ladite pluralité de capteurs (31, 32, 33) ne se recouvrent pas. 4. Système de mesure selon la revendication 3, 25 caractérisé en ce qu'il comporte en outre un émetteur de radio fréquence (110) à bande large recouvrant toutes les fréquences propres (f1, f2, f3...) de l'ensemble de N fréquences propres du système.- 12 - 5. Système de mesure selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un récepteur de radio fréquence (120) à bande large recouvrant toutes les plages de mesure de toutes les fréquences propres (f1, f2, f3...) de l'ensemble de N fréquences propres du système. 6. Système de mesure selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un calculateur (110) apte à : - à partir des fréquences reçues par ledit récepteur (120), calculer des décalages en fréquence (8, A...) de chaque fréquence propre (f1, f2, f3...) du 10 système, - attribuer un décalage de fréquence distinctif de chaque capteur, - calculer une grandeur physique au niveau de chaque capteur (31, 32, 33) à partir de son décalage de fréquence distinctif. 15 7. Procédé de détermination simultanée d'une pluralité de grandeurs physiques d'un objet (100) utilisant un système de mesure selon la revendication 6, comportant les étapes consistant à : - à l'aide de l'émetteur de radio fréquence (110), exciter le transducteur récepteur (22) de chaque capteur (31, 32, 33) avec une fréquence F à large 20 bande, - à l'aide du récepteur de radio fréquence (120), recevoir les fréquences émises en réponse par les transducteurs émetteurs (23a à 23g) de chaque capteur, - calculer les décalages en fréquence (8, A...) de chaque fréquence propre (f1, f2, f3...) du système, 25 - constituer des groupes de n fréquences possédant le même décalage, - à l'aide de la signature de chaque capteur, associer un capteur à chaque groupe de n fréquences, - calculer une grandeur physique au niveau de chaque capteur (31, 32, 33) à partir du décalage de fréquence commun à ses fréquences propres (f1, f2, f3...). 30-13- 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est précédé de l'étape consistant à : - fixer sur ledit objet une pluralité de capteurs (31, 32, 33), chaque capteur possédant une signature unique de n fréquences propres (f1, f2, f3...) parmi N 5 fréquences différentes.