FR3085757A1 - Detection fine de deformations dans un materiau a surveiller - Google Patents
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Abstract
L'invention vise à surveiller l'état structurel d'un matériau sujet à une déformation. On prévoit à cet effet au moins un capteur passif (C) comportant un substrat piézoélectrique (SP) en contact avec le matériau à surveiller (STR), et une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde (SAW) se propageant dans le matériau à surveiller. Le substrat piézoélectrique convertit réversiblement une onde élastique résultant de la propagation de l'onde élastique sonde dans le matériau, et issue ainsi du matériau à surveiller, en un signal de mesure destiné à l'unité de traitement. En particulier, l'unité de traitement estime un déphasage (DEPH) mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde et correspondant à un temps de vol de l'onde (SAW) selon un trajet d'aller-retour (tv). L'unité de traitement compare alors ce déphasage (DEPH) à une valeur attendue, et détecte une déformation (DEF) du matériau à surveiller (STR) en cas d'écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.
Description
Détection fine de déformations dans un matériau à surveiller
La présente invention concerne la détection de déformations dans un matériau à surveiller, notamment un matériau en service et susceptible d’être sollicité de sorte à subir des contraintes déformant et/ou endommageant le matériau.
Le matériau peut être par exemple un composite (notamment à base de fibres de verre, carbone, végétales ou autre) utilisé dans le transport terrestre ou aérien et nécessitant, en service, une surveillance fine et surtout rapide pour détecter si les déformations ou contraintes subies par le matériau vont au-delà d’un seuil de tolérance par exemple, ce qui peut causer ensuite une rupture locale du matériau ou la ruine de la structure.
Par ailleurs, il s’agit habituellement d’environnements où il est préférable qu’un capteur disposé in situ pour surveiller le matériau soit autonome en énergie, voire d’éviter une quelconque alimentation électrique à prévoir pour le capteur.
Les systèmes proposés actuellement pour la surveillance de matériaux intervenant dans de telles applications nécessitent une alimentation électrique du capteur et/ou ne fournissent pas une détection ultra-rapide des déformations ou de distorsions transitoires. Par ailleurs, il peut être souhaité une technique de capteur qui pourrait permettre une caractérisation de déformation, au-delà d’une simple détection de déformation.
La présente invention vient améliorer la situation en surmontant tout ou partie des inconvénients ci-dessus.
Elle propose à cet effet un dispositif pour surveiller l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, le dispositif comprenant :
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur, le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement.
En particulier, l’unité de traitement :
- estime un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde,
- compare ce déphasage à une valeur attendue, et
- détecte une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.
On entend par « déformation du matériau à surveiller », ci-après, aussi bien une déformation liée à une contrainte locale du matériau (tension ou pression) qu’un endommagement du matériau (par exemple une fracture, une fissuration matricielle, une décohésion fibres/matrice, un délaminage, une rupture de fibre ou autre).
L’observation du déphasage précité peut s’expliquer comme suit. Une « déformation » dans le matériau à surveiller crée un champ de contrainte déformant aussi, au moins transitoirement, le substrat piézoélectrique avec lequel le matériau est en contact. L’onde élastique de mesure présente alors un retard (positif ou négatif) dépendant du champ de contrainte que subit, par transfert de contrainte, le substrat dans le cas d’un évènement de déformation du matériau à surveiller.
On relèvera alors qu’une telle réalisation permet de détecter de façon efficace une déformation du matériau, en mesurant le déphasage sur le signal de mesure reçu, et avec un capteur passif.
On entend ici par « capteur passif » le fait qu’il ne nécessite aucune alimentation électrique ni d’autre source d’énergie interne pour fonctionner. Ainsi, dans un exemple de réalisation détaillé plus loin, le capteur peut comporter une antenne pour recevoir le signal sonde sous la forme d’onde électromagnétique.
Par ailleurs, on entend par « substrat piézoélectrique en contact avec le matériau » un contact intime entre deux, en étant par exemple accolés l’un à l’autre par une colle préférentiellement rigide, ou encore en étant encapsulé dans le volume du matériau à surveiller.
Ainsi, dans une réalisation, le substrat piézoélectrique peut être conformé pour être accolé, avec un contact surfacique, au matériau à surveiller.
Dans ce cas, l’onde élastique précitée peut être une onde élastique de surface (ou SAW pour « Surface Acoustic Wave ») se propageant sur le substrat piézoélectrique du capteur.
Dans une telle réalisation, le substrat piézoélectrique peut comporter une ou plusieurs électrodes périodiques déposées sur le substrat piézoélectrique, la propagation de l’onde élastique de surface comprenant une réflexion de l’onde élastique de surface sur une électrode, et le déphasage attendu étant représentatif d’un temps de parcours de l’onde élastique suivant un aller jusqu’à une électrode et un retour.
Plus généralement, une déformation du matériau à surveiller donnant naissance à une onde acoustique transitoire se propageant en volume dans le matériau à surveiller, et couplant avec le substrat piézoélectrique par transfert de contrainte, l’unité de traitement peut être agencée en outre pour détecter une déformation occasionnant ladite onde acoustique transitoire.
Typiquement, la fréquence de l’onde transitoire peut être comprise entre 10 kHz et 1 MHz, et l’unité de traitement peut alors caractériser la déformation occasionnant l’onde transitoire par observation du signal de mesure.
Dans une réalisation, l’unité de traitement comporte une première antenne agencée pour émettre une onde électromagnétique sonde en tant que signal sonde et recevoir une onde électromagnétique de mesure en tant que signal de mesure, et le capteur comporte une deuxième antenne agencée pour coopérer avec la première antenne et recevoir l’onde électromagnétique sonde que le substrat piézoélectrique convertit en ladite onde élastique sonde, et émettre l’onde électromagnétique de mesure résultant de la conversion de l’onde élastique de mesure issue du matériau à surveiller.
Une telle réalisation permet ainsi d’atteindre des performances de détection très satisfaisantes tout en utilisant un capteur passif ne nécessitant pas d’alimentation électrique.
Typiquement, l’onde électromagnétique sonde peut être de fréquence supérieure à 1 GHz.
Le substrat piézoélectrique peut être réalisé, quant à lui, dans un matériau comportant du niobate de lithium et/ou du tantalate de lithium.
La présente invention vise aussi un procédé de surveillance de l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, à partir d’un dispositif selon l’invention et comprenant :
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur, le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement.
En particulier, le procédé comporte les étapes exécutées par l’unité de traitement :
- estimer un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde,
- comparer ce déphasage à une valeur attendue, et
- détecter une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.
Une déformation dans le matériau à surveiller créant un champ de contrainte déformant aussi au moins transitoirement le substrat piézoélectrique, l’onde élastique de mesure peut comporter un retard (positif ou négatif) dépendant du champ de contrainte que subit, par transfert de contrainte, le substrat dans le cas d’un évènement de déformation du matériau à surveiller.
Dans une réalisation, le procédé peut comporter une étape préalable de mise en service du matériau à surveiller, ladite mise en service étant susceptible de solliciter le matériau à surveiller en générant une ou plusieurs déformations locales, l’unité de traitement étant agencée pour mettre en œuvre répétitivement et en dynamique les étapes de détection de déphasage non attendu.
Dans un exemple de réalisation, le matériau à surveiller est typiquement un composite à base de fibres.
La présente invention vise aussi un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé ci-avant, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un processeur d’une unité de traitement.
Ainsi, dans une réalisation, on considère alors un capteur SAW collé sur le matériau à surveiller, par exemple une structure composite. Lorsque la structure composite subit un chargement (une déformation) qui induit un endommagement du matériau composite (rupture de fibres, fissuration matricielle, délaminage...), cet endommagement (génération ou propagation) est à l'origine de la génération d'une onde acoustique qui se propage dans le matériau composite jusqu'à la surface sur laquelle est collée le capteur SAW. Le passage de fonde acoustique sous le capteur SAW entraîne une déformation transitoire du capteur SAW, déformation qui évolue au cours du temps de passage de l'onde acoustique sous le capteur.
En outre, l'unité de traitement émet des ondes électromagnétiques qui lorsqu'elles sont reçues au niveau du capteur SAW sont converties par le substrat piézoélectrique en des ondes élastiques incidentes. Cette onde élastique incidente, de type SAW, se propage à la surface du substrat piézoélectrique et est réfléchie sur des miroirs comme on le verra plus loin. Le substrat piézoélectrique convertit alors réversiblement fonde élastique réfléchie en un signal électromagnétique destiné à l'unité de traitement. Le délai entre les échos successifs renvoyés par le transducteur à onde élastique, permet d’identifier une déformation du capteur. En interrogeant le capteur avec des intervalles de temps très brefs (par exemple une microseconde), il est alors possible d'enregistrer l'évolution de la déformation au cours du temps avec une bande passante (de 1 MS/s) compatible avec les fréquences contenues dans fonde acoustique se propageant dans le composite.
Avec une telle réalisation et en particulier une telle fréquence de mesure, fonde acoustique générée par la déformation (dans le composite) peut être non seulement détectée mais en outre être caractérisée.
L’unité de traitement sonde ainsi la réponse du capteur en émettant un signal sonde dans le substrat précité et en observe la réponse temporelle (échos), selon un principe s’apparentant au RADAR à courte portée. Le principe de fonctionnement du capteur visant en une solution compacte et majoritairement sensible à une grandeur physique qui consiste en la conversion de l’onde électromagnétique incidente en une onde élastique se propageant à la surface du substrat piézoélectrique joue alors le rôle de transducteur. Le substrat piézoélectrique convertit en outre, réversiblement, une onde élastique en un signal électromagnétique destiné à l’unité de traitement : la caractérisation de la section RADAR, et en particulier du délai entre les échos successifs renvoyés par le transducteur à onde élastique, permet de remonter à une information de l’environnement du capteur, et en particulier sa déformation. Le transducteur à onde élastique est intimement fixé sur le substrat composite à analyser, en transmettant efficacement toute déformation ou distorsion du matériau composite, par exemple par collage ou insertion du capteur dans la matrice organique lors de la fabrication du composite. La mesure de la déformation statique peut être complétée par la mesure des déformations transitoires du composite induites par la création ou la propagation d’un endommagement (rupture de fibres, fissuration matricielle, délaminage, etc.) dans le composite : ces signaux d’émission acoustique induisent la création d’une onde élastique transitoire qui se propage dans le composite et dans le matériau piézoélectrique, induisant une variation de célérité de l’onde élastique à la surface du substrat piézoélectrique qui est détectée comme variation du temps de vol des échos rétrodiffusés par le capteur lors de son interrogation par le RADAR à courte portée. Afin de distinguer, dans la suite du texte, « l’onde élastique » de surface radiofréquence qui se propage à la surface du substrat piézoélectrique et au cœur du fonctionnement du capteur, de l’onde mécanique se propageant dans le composite (résultant de l’émission acoustique), cette dernière est nommée ici (abusivement) « onde acoustique » malgré sa propagation dans un milieu solide.
En particulier, l’unité de traitement est agencée pour estimer le temps de vol entre échos rétrodiffusés sous forme d’un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde, comparer ce déphasage à une valeur attendue, et détecter alors une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue : l’originalité de cette approche consiste à mesurer avec une bande passante suffisante, allant jusqu’au méga-échantillons/s, cette phase afin de détecter suffisamment rapidement les déformations transitoires induites dans le capteur passif par le passage de l’onde acoustique associée à l’émission acoustique dans le composite.
Le principe de conception du dispositif consiste à retarder les échos au-delà du fouillis (clutter) des échos induits par l’environnement du RADAR à courte portée : dans l’implémentation proposée, le premier écho est retardé de 500 ns, au-delà de la cible passive estimée susceptible d’induire du fouillis (distance de 75 m dans l’air) et le dernier écho de 1 ps afin de ne pas handicaper la bande passante de mesure (1 Méchantillons/s).
A cet égard, on peut citer à titre indicatif :
J.-M Friedt, Passive cooperative targets for subsurface physical and chemical measurements: a systems perspective, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters vol 14, issue 6, pp.821-825 (2017)]
Dans une réalisation où l’onde élastique précitée peut être une onde de surface (ou « SAW » en anglais pour Surface Acoustic Wave), le matériau à surveiller induit une déformation et donc des contraintes dans le substrat piézoélectrique induisant une variation de célérité de l’onde élastique et donc un retard variable introduit par la ligne à retard, détecté comme un déphasage mesuré par l’unité de traitement. Une différence observée dans ce déphasage signifie alors que le retard de l’onde reçue (pour le temps de vol dans le couple « matériau-substrat ») est perturbé par une modification locale de la vitesse de l’onde élastique de surface, cette modification locale se traduisant par la présence d’un champ de contrainte locale.
Dans une réalisation où la propagation de l’onde élastique de surface comprend une réflexion de l’onde sur des miroirs réalisés par dépôt d’électrodes sur le substrat piézoélectrique avec une périodicité de la demi-longueur d’onde (miroir de Bragg), le déphasage attendu est alors représentatif d’un temps de parcours aller et retour de l’onde jusqu’à chacun de ces miroirs.
Par exemple, pour un substrat transducteur ayant une forme allongée de 500pm (ouverture acoustique du transducteur) de large sur 3 à 6 mm de long, l’onde élastique SAW supposée se propager à une vitesse de l’ordre de 3500 m/s parcourt les 3 à 6 mm en aller et retour en τ=1.7 à 3.4 ps - donc un taux de rafraîchissement de l’information de 106/3.4=300 kHz et peut être accélérée ou ralentie par les déformations. Pour un dispositif fonctionnant à une fréquence du signal injecté de l’ordre de ou supérieur à f=l GHz comme on le verra dans les exemples de réalisation plus loin, une variation de déphasage peut être aisément détectée : le déphasage entre les deux échos radians est tel qu’une sensibilité à la contrainte de l’ordre de 4 ppm/MPa induit une variation de phase de 0.04 rad/MPa=2.3 degrés/MPa. La stabilité de l’étage de réception du RADAR à courte portée, et en particulier de son oscillateur local, détermine la plus petite variation de contrainte détectable : une grandeur analogique peut être mesurée sous forme du retard des échos, avec une résolution déterminée par le rapport signal à bruit donné par le bilan de liaison radiofréquence, qui se distingue d’une liaison numérique habituellement appréhendée par les utilisateurs de capteurs actifs communiquant par liaison radiofréquence ou identifiant passifs (RFID).
Dans une réalisation avantageuse, une déformation du matériau à surveiller peut donner naissance à une onde acoustique transitoire se propageant en volume dans le matériau à surveiller, et reçue par le substrat piézoélectrique. Ainsi, avec une fréquence d’observation de l’ordre du GHz typiquement, l’unité de traitement est agencée pour détecter en outre une déformation/ un endommagement occasionnant cette onde acoustique transitoire. Une telle réalisation permet de caractériser en profondeur l’endommagement précité, voire de distinguer sa nature (ruptures fibres...) d’autres formes d’endommagement.
Ainsi, dans le cas notamment où la fréquence du signal sonde est supérieure à 1GHz, comme la fréquence de l’onde transitoire est plus faible et peut être comprise entre 10 kHz et 1 MHz, l’unité de traitement peut alors caractériser finement la déformation/1’endommagement occasionnant l’onde transitoire par observation du signal de mesure précité.
En effet, on peut obtenir une information sur le type d’endommagement en observant l’onde acoustique transitoire, avec une mesure tous les dt avec dt le retard introduit par l’écho le plus long. Si dt=l ps, le taux de rafraîchissement de la mesure est de 1 Méchantillons/s.
En dehors de cette onde transitoire, dans une réalisation, le dispositif est conformé pour que le couplage entre le substrat piézoélectrique et le matériau à transférer la déformation associée à l’onde acoustique précitée (l’onde principale), avec en particulier le matériau à surveiller qui joue le rôle de guide d’onde pour cette onde acoustique.
Selon un autre avantage du dispositif et de son capteur, ce dernier n’est pas connecté de façon filaire et dans un exemple de réalisation, l’unité de traitement comporte une première antenne agencée pour émettre une onde électromagnétique sonde en tant que signal sonde et recevoir une onde électromagnétique de mesure en tant que signal de mesure. De son côté, le capteur comporte une deuxième antenne agencée pour coopérer avec la première antenne et recevoir l’onde électromagnétique sonde que le substrat piézoélectrique convertit en l’onde élastique sonde précitée, et émettre l’onde électromagnétique de mesure résultant de la conversion de l’onde élastique de mesure retardée par un délai introduit par la déformation transférée du matériau à surveiller vers le substrat piézoélectrique.
Avantageusement et comme décrit plus haut, l’onde électromagnétique sonde est de fréquence supérieure à 1 GHz.
Une telle réalisation permet l’observation de l’onde transitoire précitée mais plus généralement de tous les changements de contrainte et des déformations rapides, lorsque le matériau à surveiller est en service.
Par ailleurs, comme on le verra dans la description détaillée plus loin, une telle fréquence de signal de mesure est compatible avec l’électronique de mesure que peut comporter l’unité de traitement précitée.
Afin d’optimiser le bilan de liaison radiofréquence et maximiser l’amplitude des échos rétrodiffusées par le capteur passif, il est avantageux que le substrat piézoélectrique soit réalisé dans un matériau de fort coefficient de couplage électromécanique tel que par exemple le niobate de lithium ou tantalate de lithium.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’exemples de réalisation ci-après, et à l’examen des dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 illustre schématiquement un dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention, comportant ici plusieurs capteurs Cl, Cn disposés sur une structure STR à surveiller,
- la figure 2 illustre schématiquement un capteur C en coupe sur la surface du matériau STR à surveiller, selon un exemple de réalisation,
- la figure 3 illustre schématiquement les étapes principales d’un procédé au sens de l’invention, selon un exemple de réalisation.
On décrit ci-après un exemple d’application de l’invention pour une détection d’émissions acoustiques basée sur une technique passive pour le suivi de santé de structures.
Le contrôle de santé de structure (ou SHM pour « Structural Health Monitoring » en anglais) et les méthodes de détection de dommages sont l'objet d'investigations et d'utilisations croissantes depuis plusieurs années. Celles-ci peuvent effectivement jouer un rôle majeur dans la réduction des coûts de maintenance, l'amélioration de la fiabilité opérationnelle des structures, et la prédiction de leur durée de vie restante. L'intérêt est partagé par de nombreux secteurs de l'industrie innovante tels que l'aéronautique, le transport terrestre, le génie-civil et l'industrie mécanique. Le déploiement de solutions SHM représente un enjeu majeur dans le secteur de l'aéronautique. L'utilisation de suivi de santé de la structure peut effectivement permettre aux exploitants de suivre l'état de santé des équipements en fonctionnement, réduisant ainsi sensiblement les temps d'immobilisation au sol des aéronefs pour les opérations de maintenance préventive.
Le SHM requiert d'intégrer à la structure que l'on souhaite contrôler, des dispositifs permettant de détecter l'apparition d'endommagements. Dans la logique d'allègement des structures, les matériaux composites ont gagné une place importante dans les secteurs du transport. La méconnaissance de leur comportement au long-terme constitue une motivation supplémentaire pour déployer une stratégie SHM pour les structures intégrant ce type de matériaux. Des techniques actives ou passives peuvent être utilisées. Les techniques passives reposent généralement sur :
- la mesure et le suivi des déformations dans les zones fortement contraintes de la structure,
- le suivi du comportement vibratoire de la structure et
- la détection de l'apparition d'endommagements ainsi que le suivi de leur propagation.
Parmi ces techniques passives, « l'émission acoustique » représente une technique puissante et prometteuse. Son nom résulte du phénomène physique qu'elle permet de mesurer, à savoir la génération d'ondes acoustiques, ou plus exactement d'ondes acoustiques transitoires provoquées par l'endommagement du matériau. La libération d'énergie due à la rupture locale de la matière excite effectivement différents modes de propagation au sein de la matière et en fonction des dimensions et de la structure du matériau. Ces ondes acoustiques provoquent dans la matière et sur leur chemin de propagation des déplacements locaux de très faibles amplitudes. Il s'agit de la propagation des émissions acoustiques. Ces déplacements/distorsions transitoires peuvent être détectés par un capteur à la surface du matériau avec une onde élastique de surface ou « SAW ». La forme et les caractéristiques des signaux transitoires qui peuvent être enregistrés dépendent directement du mode local de déformation du matériau à surveiller.
L'émission acoustique peut donc permettre de détecter et, dans certaines conditions, de discriminer et localiser les types d'endommagements générés au sein du composite, à partir des distorsions transitoires captées et enregistrées à la surface du matériau.
Les capteurs utilisés sont généralement à base de matériaux piézoélectriques (quartz, céramiques synthétiques, Poly-Vinyle-Di-Fluorure PVDF, etc.). Ces dispositifs de suivi de santé doivent résister aux conditions opérationnelles de la structure. Les capteurs peuvent être ainsi intégrés au sein des matériaux dont la santé doit être surveillée, afin d'être protégés des environnements agressifs auxquels la structure peut être exposée. Bien sûr, la présence de ces capteurs ne doit pas provoquer de défauts majeurs au sein de la matière, Pour limiter le caractère invasif des capteurs, plusieurs solutions peuvent être envisagées. Elles passent généralement par l'amincissement des capteurs, leur miniaturisation ou l'accroissement de leur élasticité (comme pour le cas des polymères piézoélectriques pour les rendre conformables). Au-delà du capteur en lui-même, il est également souhaitable d'intégrer dans la structure les fils qui permettent de le relier à son électronique et aux sources d'énergie associées. Dans le cas des composites à fibres de carbone, un soin particulier doit être apporté pour éviter le contact entre les électrodes et les fibres de carbone. L'utilisation des capteurs piézoélectriques dans les parties de la structure soumises à des températures élevées (par exemple dans certaines sous-structures de la nacelle d'un moteur d'avion) reste encore un point dur. En effet, pour les matériaux couramment utilisés, la perte des propriétés piézoélectriques est observée au-delà de 200°C.
L'avènement de la technologie dite « sans fil » a permis de simplifier l'acquisition des données envoyées par le (ou les) capteur(s) intégrés dans la structure. Cette technologie permet en particulier de remédier aux problèmes d'intégration des câbles dans la structure, de leur vieillissement, et autre. Cette technologie permet également d'ouvrir la voie à la surveillance de l'état de santé à distance.
Toutefois, pour l'émission acoustique, le flux de données à transmettre peut être massif, et le débit des technologies sans fil est actuellement insuffisant pour assurer une utilisation robuste de cette technique. Par ailleurs, il n'en demeure pas moins, qu'une partie de l'électronique, celle permettant d'exciter le capteur et d'en acquérir les réponses et la source d'énergie nécessaire pour alimenter les composants, doit toujours être intégrée avec le capteur dans la structure. Les récentes avancées de la technologie des circuits imprimés ont permis de développer des circuits miniaturisés ou des circuits imprimés en polymère (polyamide par exemple) moins invasifs pour la structure.
La solution alternative proposée, et faisant l'objet de l'invention, est d'utiliser des capteurs à ondes de surface (SAW), dont le fonctionnement est également basé sur la piézoélectricité et sur des technologies sans fil et, en sus, fonctionnant sans puce électronique, ni source d'énergie locale. En particulier, l’information captée par le matériau piézoélectrique est transmise par radiofréquence à une électronique déportée (portant la référence UT sur la figure 1 commentée plus loin) qui peut opérer à des fréquences d'interrogation de l'ordre de 500 kHz, et possiblement jusqu’à 1 MHz si le capteur est conçu en conséquent. En plus de la mesure de grandeurs physiques telles que la déformation locale du matériau, une telle fréquence d’interrogation permet de détecter et enregistrer des signaux transitoires tels que les émissions acoustiques. L’invention vient alors combiner :
- un capteur à ondes élastiques (par exemple à ondes élastiques de surface) doté d'une forme générale adéquate et réalisé dans un matériau adapté à ce domaine fréquentiel (comme on le verra plus loin),
- d'une électronique d'interrogation spécifique, et
- d'un procédé simple et rapide de traitement des signaux analysés.
Le capteur précité agit en effet comme une ligne à retard et est conçu pour être intégré dans le matériau composite sans générer de défaut majeur et pour détecter des ondes acoustiques transitoires pouvant être générées, en service, par l'endommagement du matériau sous les sollicitations qui lui sont appliquées ou générées par une source d'excitation utilisée en service et/ou pendant les opérations de maintenance pour sonder la santé du matériau. Le capteur peut être intégré dans la matière car sa partie active est encapsulée dans un matériau résistant aux principales agressions de l'environnement. Le capteur est sensible aux distorsions locales de la matière provoquées par la propagation d'ondes dans le matériau à surveiller dans ou sur lequel le capteur est intégré. Il est capable de mesurer instantanément les déformations induites par le changement de la structure et donc de remplir le rôle d'une jauge de déformation en temps réel ou quasi-réel.
L’unité de traitement des signaux reçus se présente comme un lecteur impulsionnel à taux de rafraîchissement élevé.
On peut citer typiquement comme référence à ce sujet:
G. Goavec-Merou, N. Chrétien, J.-M Friedt, P. Sandoz, G. Martin, M. Lenczner, S.Ballandras, “Fast contactless vibrating structure characterization using real time FPGAbased digital signal processing: demonstrations with a passive wireless acoustic delay line probe and vision”, Rev. Sci. Instrum vol 85, issue 1, Jan. 2014, pp.015109]
Constitué d'une électronique de mesure utilisée pour les lignes à retard fonctionnant typiquement à plus de 1GHz (par exemple 2,45 GHz) et permettant une acquisition rapide jusqu'à (125 MS/s par exemple) sur un matériel de type FPGA (« Field-Programmable Gate Array »), ce matériel met en œuvre une technique de traitement et exploitation des signaux reposant sur une mesure fine en exploitant en particulier la phase des signaux en identifiant les rotations de phase (et les différences de phase entre signaux émis et signaux reçus du capteur).
En référence maintenant à la figure 1, on prévoit à cet effet un ou plusieurs capteurs miniatures Cl, C2, ..., Cn, d'émissions acoustiques à ondes élastiques de surface (SAW) équipés d’antennes respectives AC1, AC2, ..., ACn, et en contact avec un matériau STR, par exemple un composite, de la structure à surveiller. En particulier, aucune puce électronique n’est nécessaire dans les capteurs, ni fils, ni source d'énergie locale. En effet, les capteurs Cl, C2, ..., Cn comportent des transducteurs respectifs SP1, SP2, ..., SPn, tels que des substrats piézoélectriques de forme rectangulaire allongée par exemple (comme des chemins acoustiques libres d’électrodes de 3 à 6 mm de long sur moins de 500pm de large) accolés sur la surface du matériau STR (par une colle rigide pour transférer efficacement la contrainte du matériau composite vers le substrat piézoélectrique du transducteur à onde élastique, comme illustré sur la figure 2).
Ainsi, comme illustré sur la figure 2, dans le cas où Fonde élastique de surface SAW rencontre une déformation DEF dans sa propagation à l’interface entre le substrat piézoélectrique SP et le matériau à surveiller STR, cette déformation DEF créant localement un champ de contrainte, la vitesse habituelle de Fonde SAW (de l’ordre de 3500m/s dans cet exemple) est modifiée du fait de cette déformation DEF. On observe alors un temps de vol tv pour le trajet aller-retour de Fonde SAW le long du substrat SP (depuis son bord gauche jusqu’à son bord droit, dans l’exemple de la figure 2, puis retour de Fonde), différent d’un temps de trajet habituel. Ainsi, en pilotant l’émission d’un signal d’excitation dans le substrat SP, via l’antenne AC, on peut observer un déphasage DEPH entre le signal d’excitation émis et le signal de mesure reçu de l’antenne AC et propre au trajet aller/retour à l’interface avec le matériau à surveiller STR. Ce déphasage DEPH (qui est proportionnel au temps de vol tv) n’a pas une valeur habituelle, attendue, si une déformation est présente dans le matériau STR.
Par ailleurs, dans le cas où une déformation locale est présente, il s’en suit une onde transitoire OT en volume qui peut être aussi détectée (dans l’amplitude et/ou la fréquence du signal de mesure) et cette perturbation du signal de mesure peut définir ainsi une signature caractérisant la déformation DEF (quant à son type, son intensité, ou autre).
En référence à nouveau à la figure 1, les antennes des capteurs AC1, AC2, ..., ACn sont reliées par ondes électromagnétiques (par exemple par radiofréquence) à l’antenne AUT d’une unité de traitement UT comprenant une électronique (hardware) de calcul et d'interrogation à distance, dotée d'un taux de rafraîchissement élevé et pouvant atteindre 1 MHz avec une structure de capteur retardant le signal incident de 1 ps au maximum. Une telle réalisation permet de détecter rapidement une déformation, en service, de la structure à surveiller et permet en outre d’observer la signature de cette déformation dans le signal de mesure reçu et analysé.
Cette unité de traitement UT comporte typiquement, dans son implémentation de RADAR monostatique à courte portée, une interface INT radiofréquence d’émission et réception commutée par duplexeur reliée à l’antenne AUT, ainsi qu’un processeur PROC coopérant avec une mémoire MEM (stockant notamment des données d’instructions d’un programme informatique au sens de l’invention). Ainsi, le processeur PROC, en lisant la mémoire MEM, peut mettre en œuvre tout ou partie des étapes du procédé ci-avant et notamment :
- suite à la réception du signal de mesure à l’étape SI, déterminer à l’étape S2 un déphasage DEPH entre le signal sonde émis dans le capteur C et le signal de mesure reçu à l’antenne AUT,
- comparer à l’étape S3 la valeur de ce déphasage DEPH à une valeur de déphasage attendue VAT, et si la différence entre ces deux valeurs (en valeur absolue par exemple) est supérieure à un seuil SE (flèche OK en sortie du test S3),
- alors un signal d’alerte peut être déclenché à l’étape S4 pour indiquer la présence d’une déformation DEF (par exemple via une interface homme machine IHM que comporte l’unité de traitement UT pour prévenir un opérateur humain, ou simplement vers une interface de communication d’un équipement de type actionneur ou autre pour cesser la sollicitation de la structure STR, ou autres). Le cas échéant, le procédé peut se poursuivre par l’analyse du signal de mesure reçu pour une caractérisation fine de la déformation DEF à travers l’analyse de l’effet de Tonde transitoire OT à l’étape S5.
Ensuite, le procédé est réitéré de façon dynamique (flèche KO en sortie du test S3 et en sortie de l’étape S5) pour observer en temps réel les déformations que peut subir le matériau STR.
Un tel dispositif permet donc de détecter des ondes acoustiques générées par l'endommagement du matériau et provoquant localement et de manière transitoire, lors de leur propagation, des distorsions de la matière. Ces distorsions sont transmises au capteur C (qui peut être accolé sur la surface du matériau ou intégré en volume dans le composite), produisant ainsi des déformations du substrat piézoélectrique que comporte le capteur. On peut montrer qu’une relation bijective existe entre ces déformations du couple matériau capteur et la célérité de l’onde élastique se propagent à la surface du substrat piézoélectrique formant le capteur. Le capteur permet ainsi de détecter et enregistrer des ondes transitoires avec une grande sensibilité et sur une large gamme de fréquences puisque l'électronique associée permet de l'interroger avec des intervalles de temps très court (par exemple de 2 microsecondes). Ces caractéristiques (en termes de sensibilité aux perturbations locales et de fréquence d'échantillonnage) rendent possible l'enregistrement d'émissions acoustiques, qui, généralement pour les composites, ont des durées inférieures ou de l'ordre d’une milliseconde, un contenu fréquentiel compris entre 10 kHz et quelques centaines de kHz, et des amplitudes de déplacement ou de déformation s'inscrivant sur plusieurs décades (en fonction du mode et de l'intensité de la déformation, voire de l'endommagement).
Les dimensions du capteur C sont inférieures à 800 microns en épaisseur et typiquement 50 mm2 en surface. Le dispositif permet de détecter des ondes transitoires générées par la déformation du matériau composite mais également par le capteur C qui les relève, dans le but d'identifier l'apparition ou la propagation d'endommagements dans la structure STR. En plus des émissions acoustiques, le dispositif peut également mesurer la déformation (statique) ou la température dont les variations au cours du temps sont beaucoup plus lentes.
Néanmoins, un avantage particulier du dispositif au sens de l’invention (et notamment de son capteur C) consiste en sa rapidité. A cet égard, le substrat piézoélectrique du capteur lui-même peut être réalisé dans un matériau de fort couplage électromécanique tel que niobate de lithium ou tantalate de lithium, à titre d’exemple non limitatif.
Claims (14)
1. Dispositif pour surveiller l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, le dispositif comprenant :
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur, le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement, caractérisé en ce que l’unité de traitement :
- estime un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde,
- compare ce déphasage à une valeur attendue, et
- détecte une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique est conformé pour être accolé, avec un contact surfacique, au matériau à surveiller.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite onde élastique est une onde élastique de surface se propageant sur le substrat piézoélectrique du capteur.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique comporte une ou plusieurs électrodes périodiques déposées sur le substrat piézoélectrique, la propagation de l’onde élastique de surface comprenant une réflexion de l’onde élastique de surface sur une électrode, et le déphasage attendu étant représentatif d’un temps de parcours de l’onde élastique suivant un aller jusqu’à une électrode et un retour.
5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, une déformation du matériau à surveiller donnant naissance à une onde acoustique transitoire se propageant en volume dans le matériau à surveiller, et couplant avec le substrat piézoélectrique par transfert de contrainte, l’unité de traitement est agencée en outre pour détecter une déformation occasionnant ladite onde acoustique transitoire.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence de l’onde transitoire est comprise entre 10 kHz et 1 MHz, et en ce que l’unité de traitement est agencée pour caractériser la déformation occasionnant l’onde transitoire par observation du signal de mesure.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de traitement comporte une première antenne agencée pour émettre une onde électromagnétique sonde en tant que signal sonde et recevoir une onde électromagnétique de mesure en tant que signal de mesure, et en ce que le capteur comporte une deuxième antenne agencée pour coopérer avec la première antenne et recevoir l’onde électromagnétique sonde que le substrat piézoélectrique convertit en ladite onde élastique sonde, et émettre l’onde électromagnétique de mesure résultant de la conversion de l’onde élastique de mesure issue du matériau à surveiller.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’onde électromagnétique sonde est de fréquence supérieure à 1 GHz.
9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique est réalisé dans un matériau comportant du niobate de lithium et/ou du tantalate de lithium.
10. Procédé de surveillance de l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, à partir d’un dispositif selon l’une des revendications précédentes et comprenant :
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur, le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes exécutées par l’unité de traitement :
- estimer un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde,
- comparer ce déphasage à une valeur attendue, et
- détecter une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel une déformation dans le matériau à surveiller crée un champ de contrainte déformant aussi au moins transitoirement le substrat piézoélectrique, le procédé étant caractérisé en ce que l’onde élastique de mesure comporte un retard dépendant du champ de contrainte que subit, par transfert de contrainte, le substrat dans le cas d’un évènement de déformation du matériau à surveiller.
12. Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu’il comporte une étape préalable de mise en service du matériau à surveiller, ladite mise en service étant susceptible de solliciter le matériau à surveiller en générant une ou plusieurs déformations locales, l’unité de traitement étant agencée pour mettre en œuvre répétitivement et en dynamique les étapes de détection de déphasage non attendu.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau à surveiller est un composite à base de fibres.
14. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 10 à 13, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un processeur d’une unité de traitement.
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| J.-M FRIEDT: "Passive coopérative targets for subsurface physical and chemical measurements: a systems perspective", IEEE GEOSCIENCE AND REMOTE SENSING LETTERS, vol. 14, no. 6, 2017, pages 821 - 825, XP011650645, DOI: doi:10.1109/LGRS.2017.2681901 |
| T.-L. CHIN, PENG ZHENG, IRVING OPPENHEIM, D. GREVE: "Surface Acoustic Wave Devices for Wireless Strain Measurement", SENSORS AND SMART STRUCTURES TECHNOLOGIES FOR CIVIL, MECHANICAL, AND AEROSPACE SYSTEMS, vol. 7647, 76743, 1 April 2010 (2010-04-01), XP040520640, DOI: 10.1117/12.847657 * |
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