Capteurs et hyperfréquences @ MF/LabSTICC - Demi-journée de réflexion sur les méthodologies et l' instrumentation sismique, acoustique électrique ...
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Demi-journée de réflexion sur les méthodologies et l'
instrumentation sismique, acoustique électrique , magnétisme et
gravimétrique
Capteurs et hyperfréquences @ MF/LabSTICC
S. Rioual, rioual@univ-brest.fr
From sensors to knowledge :
Communicate and decide
Functional materials and sensors @
LabSTICC
Objectives:
Elaboration of materials
Physical & Chemical characterisation
Hydrogels Nanogranular thin
Electric, magnetic, dielectric, electromagnetic characterisation films
Integration of sensitive materials in sensors
Realization of sensors Interdigits
Equipments:
PVD, Chemical methods Ferromagnetic
nanowire
X-Ray Photoelectron spectrocopy
X-Ray Diffraction
Microscopies (SEM, AFM, TEM,..)
Magnetometer (VSM)
Electrical characterisation
Network analysers (RF) ,..
Photolithography (Heidelberg Inst.)
XPS apparatus PVD chambers
Capteurs autonomes basés sur la
technologie RFID
Architecture basée sur une puce RFID communicante @ 868 MHz
Capteur RFID (RH/T)
o Récupération de l’énergie : ID + capteur
o Communication SPI
o Distance de lecture : 5 mètres
o 40 €
o Lecteur RFID conventionnel (protocole Gen2)
Réalisation de capteurs compatibles avec cette technologie (contrainte, corrosion,…)
Antennes spécifiques aux applications
Résonateur sensible à la pénétration de
l’eau dans le mortier
Port 1 Port 2 Paramètre de transmission
S12 avec la pénétration de
l’eau dans le mortier
4
S2 S1
Décalage en fréquence : ↗ e’r
Le multirésonateur
Variation fréquentielle avec
S2 S1
S2 S1 S2 la pénétration de l’eau
Variation plus rapide pour S2
≠ profondeurs
S1
1 cm 2 cm
Intégration dans un bloc
de mortier
Application of fully passive wireless sensors to the monitoring of reinforced concrete structure degradation
R Khalifeh, F. Gallée, B. Lescop, P. Talbot, and S. Rioual,S. Proceedings of the 9th European Workshop on Structural Health Monitoring
(EWSHM 2018), July 10-13, 2018 in Manchester, UK
Caractérisation de la densité des sédiments
par une méthode RF
Fourche du pénétromètre Principe : transmission d’une Antenne Patch
onde RF entre 2 antennes
ρ=f(ε’)
Paramètre de réflexion de l’antenne (dans
Variation de la densité en fonction de e’
un milieu de permittivité diélectrique e’ )
Functional materials and sensors @
LabSTICC
Blue Day Pole Mer Bretagne Atlantique
Mercredi 14 Novembre 2018
Maintenance des infrastructures / instrumentation / suivi en service / durée de vie et
prolongation / nouvelles agressions
Application de capteurs autonomes au suivi des
infrastructures en béton en milieu marin
S. Rioual, B. Lescop, F. Gallée, et P. Talbot
From sensors to knowledge :
Communicate and decide
Equipe matériaux fonctionnels et
capteurs @ LabSTICC
From sensors to knowledge 300 permanents
Communicate and decide 200 thésards/post-doc
3 pôles
CACS: Communication,
hardware, et logiciels
CID: Information
et décision
MOM: Microonde, optoélectronique,
et matériaux
- Propagation des ondes RF
- Elaboration et caractérisation de
matériaux
Développement de capteursContexte
Conditions de fonctionnement en
milieu marin
o Environnements agressifs (chlorures)
Structures en béton o Contraintes mécaniques
Corrosion de l’acier
EMR
Ports €
Ponts
Opérations
d’inspection et
de maintenanceContexte : inspection des structures
1. Méthodes destructives: prélèvements et essais en laboratoire
Tests mécaniques
Profil en chlorures
Analyse physico-chimique et microscopique (MEB)
2. Méthodes non destructives
Visuelle
Mesure de potentiel (demi-pile)
Résistance électrique (surface ou interne)
Ultrasons
RADAR
3. Intégration de capteurs sans fil (ou fibres optiques) dans la structure
Potentiel électrochimique, résistance de polarisation,
résistance électrique, chlorure, pH, température, humidité, contraintes
mécaniques,…
Capteur de température et
de résistance mécaniqueArchitecture conventionnelle des capteurs
sans fil
Capteur sans fil
Numérisation /
Elément sensible
Transmission des données
o Electrodes o Protocole de transmission
Ex: mesures de la résistivité
électrique, mesures
électrochimiques, impédances,…
o Matériaux fonctionnels
Ex: matériaux piézorésistif pour les
jauges de contraintes Consommation en énergie, distance
de lecture, fréquence, …Architecture conventionnelle des capteurs
sans fil
Exemple : Capteur de corrosion (LUNA Inc.)
o Capteur de corrosion cumulatif (variation de la résistance électrique), RH, T
o Protocole Zigbee
o Durée de vie de la batterie : 3 ans
o 4500 €
Facteurs limitant: Batterie
o Durée de vie limitée / remplacement impossible
o Utilisation en environnement sévère (Température, poussière,…)
o Augmente les dimensions
Cout
o Multiplication du nombre de capteurs pour “couvrir” la structure
Objectifs: Développement de capteurs autonomes (sans batterie) avec un
prix réduitApplication à l’inspection des structures
Interrogation de capteurs autonomes par des drones marins
Drones marins de surface Quelques mètres Capteurs autonomes intégrés dans
la structure (5/10 cm de profondeur)
Objectif de la thèse de K. Bouzaffour (début en Octobre 2018)
Programme Régional SAMM "Systèmes Autonomes en Milieu Maritime"Application à l’inspection des structures
Verrous technologiques à lever :
- Réalisation de capteurs autonomes pour le suivi de la corrosion / pénétration des
chlorures dans le béton
Différentes architectures de capteurs autonomes : RFID et RFID chipless
- Communication entre le lecteur embarqué sur le drone et les capteurs
Antennes spécifiques (lecteur et dans le béton); communication
Démonstrateur en fin de thèse (tests en environnement significatif)
Niveau TRL 5/6Capteurs autonomes basés sur la
technologie RFID
Technologie RFID
Très bas cout, passive,
compact….
Technologie d’identification
≠ Capteur
Technologie RFID & capteurs : variation des propriétés de l’antenne
Exemple 1: Détection de la pénétration de l’eau dans du béton
Augmentation de la permittivité diélectrique du matériau
Modification des propriétés de l’antenne
Variation de l’amplitude du signal retourné au lecteur
R.Suwalak et al. Progress In Electromagnetics Research, vol.130, pp.601–617, 2012Capteurs autonomes basés sur la
technologie RFID
Technologie RFID & capteurs : variation des propriétés de l’antenne
Exemple 2: « Detection of Reinforced Metal in Light Weight Concrete Structures using an RFID
Sensor System » , Suwalak 2014
Etiquette RFID Etiquette RFID sur un bloc de béton armé
Influence de la dimension des tiges d’acier sur les propriétés de l’antenneCapteurs autonomes basés sur la
technologie RFID
Puce RFID communicante @ 868 MHz
Capteur RFID (RH/T)
o Récupération de l’énergie : ID + capteur
o Communication SPI
o Distance de lecture : 5 mètres
o 40 €
o Lecteur RFID conventionnel (protocole Gen2)
Lecteur RFID Antenne RFID PC et logicielsInconvénients des capteurs RFID
o Basse fréquence: dimensions importantes
o Puce : plage en température limitée
o Durée de vie inconnue
Vers une technologie sans puce
(chipless)La technologie RFID Chipless
Exemple d’une architecture RFID chipless
Lecteur Etiquette / capteur Etiquette RFID
Preradovic and Karmakar, Monash University Australia « Fully printable chipless RFID tag » 2011
Développement de capteurs Résonateurs radiofrequences sensibles
suivant une technologie «chipless »
- Perte de métal (corrosion)
- Pénétration de l’eau dans les matériaux
- Mesure du potentiel de corrosionRésonateur sensible à la corrosion des
métaux
Résonateur sensible à la perte de zinc métallique
Avant corrosion
Port 2
Corrosion
Fils de zinc
(épaisseur: 2 mm)
Port 1
Le résonateur constitué de zinc Paramètre de transmission S12
Corrosion du zinc :
o Variation du champ électromagnétique dans le résonateur Vitesse de corrosion des
o Décalage de fréquence métaux (zinc)
Référence : A Microwave sensor for zinc corrosion detection
J. Ramal, F. Salameh, O. Tantot, N. Delhote, S. Verdeyme, S. Rioual, F. Gallée, B. Lescop; J. Appl. Phys. 122, 114501 (2017).Résonateur sensible à la pénétration de
l’eau dans le mortier
Port 1 Port 2 Paramètre de transmission
S12 avec la pénétration de
l’eau dans le mortier
4
S2 S1
Décalage en fréquence : ↗ e’r
Le multirésonateur
Variation fréquentielle avec
S2 S1
S2 S1 S2 la pénétration de l’eau
Variation plus rapide pour S2
≠ profondeurs
S1
1 cm 2 cm
Intégration dans un bloc
de mortier
Application of fully passive wireless sensors to the monitoring of reinforced concrete structure degradation
R Khalifeh, F. Gallée, B. Lescop, P. Talbot, and S. Rioual,S. Proceedings of the 9th European Workshop on Structural Health Monitoring
(EWSHM 2018), July 10-13, 2018 in Manchester, UKRésonateur sensible au potentiel de
corrosion
D: diode varicap Passivation de l'acier 316L dans l'eau de mer
(capacité variable)
Mesure du potentiel Ecorr
référence: Hg/Hg2Cl2
Le résonateur
Paramètre de transmission
S12 associé à la passivation
Décalage fréquentiel
référence: zinc
Development of wireless and passive corrosion sensors for material degradation monitoring in coastal zones and immersed environment
Rania Khalifeh, Maria Yasri, Benoit Lescop, François Gallée, Erwan Diler, Dominique Thierry, Stéphane Rioual
IEEE J. Ocean. Eng. 99, 776-782 (2016)Conclusion
Projet : réalisation de capteurs autonomes intégrables pour le suivi de la
corrosion de l’acier et interrogeables par des drones marins
Différentes architectures de capteurs (sans batterie, sans fil)
Sensibilité des capteurs à la perte de masse en acier et à la détection des chlorures
Développement d’antennes spécifiques pour cette application
Prototype en fin de thèse (2021)
Contexte plus général des capteurs autonomes
Projet européen H2020: SensMAT (capteurs autonomes de corrosion)
Collaboration avec l’IFSTTAR (L. Gaillet) : corrosion sous peinture / contraintes mécaniques
Autres applications: mesures environnementales (pollution), caractérisation des sédiments marins,…From sensors to knowledge :
Communicate and decide
Merci pour votre attention
Remerciements:
o The European Union through the European Regional Development Fund (ERDF) / H2020
o ANRT (financement CIFRE)
o La Région Bretagne
o Le Conseil général du Finistère
o Brest Métropole OcéaneVous pouvez aussi lire
