FR3113316A1 - Capteur à ondes acoustiques et interrogation de celui-ci - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques, comprenant une transmission, par un dispositif d’interrogation, d’un signal radiofréquence d'interrogation au capteur à ondes acoustiques au moyen d'une antenne de transmission, une réception, de la part du dispositif d’interrogation, d’un signal radiofréquence de réponse en provenance du capteur à ondes acoustiques au moyen d'une antenne de réception, et un traitement par un moyen de traitement du dispositif d’interrogation du signal radiofréquence de réponse reçu pour obtenir des composantes en phase et en quadrature à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel, une détermination par le moyen de traitement de perturbations des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel, et une détermination par le moyen de traitement d’une valeur d'un mesurande sur la base des perturbations détectées. Figure pour l’abrégé : Figure 1
Description
La présente invention concerne des capteurs passifs du type à ondes acoustiques et, en particulier, un capteur passif à ondes acoustiques de surface ou à ondes en volume et l’interrogation de ceux-ci.
Les capteurs sont d’une importance croissante et deviennent de plus en plus omniprésents dans la vie de tous les jours. Les systèmes mécaniques microélectriques (MEMS) sont une option attrayante pour répondre à la demande de performances accrues des capteurs avec des tailles et des coûts réduits. Les capteurs à ondes acoustiques de surface (SAW),et dans une moindre mesure les capteurs à ondes acoustiques en volume (BAW) ou les capteurs acoustiques à onde de Lamb ou à ondes de Love, offrent des options particulièrement avantageuses en raison d'une grande variété de paramètres ambiants mesurables, notamment une température, une pression, une contrainte et un couple, par exemple.
Les capteurs à ondes acoustiques utilisent l'effet piézoélectrique pour convertir un signal électrique en une onde mécanique/acoustique. Les capteurs à base de SAW sont construits sur des matériaux piézoélectriques monocristallins tels que du quartz (SiO2), du niobate de lithium (LiNbO3), du tantalate de lithium (LiTaO3), du langasite (LGS) ou des matériaux piézoélectriques polycristallins comme du nitrure d'aluminium (AlN) ou de l’oxyde de zinc (ZnO), en particulier, déposés sur du silicium ou même sur un matériau composite de matériau piézoélectrique-sur-isolant (POI) comprenant une couche de matériau piézoélectrique, en particulier, un matériau monocristallin, tel que, par exemple, du tantalate de lithium ou du niobate de lithium, lié à un substrat de support comme par exemple du silicium, si nécessaire au moyen d'une couche de liaison, comme par exemple une couche d'oxyde de silicium (en général, toute combinaison d'un matériau piézoélectrique monocristallin avec des substrats non piézoélectriques utilisés pour leurs propriétés spécifiques comme la stabilité thermique ou la qualité acoustique). Un transducteur, dans le cas d'ondes acoustiques de surface un transducteur interdigité (IDT), convertit l'énergie électrique du signal électrique en énergie d’onde acoustique. L'onde acoustique se déplace à travers la surface (ou dans la masse) d'un substrat de dispositif via ce que l’on nomme une ligne à retard jusqu'à un autre transducteur, en particulier, un IDT, qui convertit l'onde acoustique en un signal électrique pouvant être détecté. Dans certains dispositifs, des absorbeurs mécaniques et/ou des réflecteurs sont fournis afin d'éviter des motifs d'interférence et de réduire une perte d'insertion. Dans certains dispositifs, l'autre IDT (de sortie) est remplacé par un réflecteur qui réfléchit l'onde acoustique générée en arrière vers l'IDT (d'entrée) qui peut être couplé à une antenne pour une interrogation à distance du dispositif capteur. Avantageusement, les mesures peuvent être effectuées de manière complètement passive, c'est-à-dire que le capteur ne doit pas être alimenté par une source d'alimentation.
Une classe particulière de capteurs acoustiques comprend des résonateurs présentant des fréquences de résonance qui varient selon des conditions ambiantes variables. Un résonateur à ondes de surface conventionnel, par exemple, comprend un transducteur électroacoustique avec des peignes interdigités arrangés entre des miroirs de Bragg. À la fréquence de résonance, la condition de synchronisme entre les réflecteurs est satisfaite, permettant d'obtenir une addition cohérente des différentes réflexions qui se produisent sous les réflecteurs. Un maximum d'énergie acoustique est alors observé dans la cavité résonante et, d'un point de vue électrique, un maximum d'amplitude du courant admis par le transducteur est observé. Les capteurs à ondes acoustiques différentiels peuvent comprendre deux résonateurs ou plus présentant des fréquences de résonance différentes ou un résonateur fonctionnant en multi-mode (plusieurs fréquences de résonance), où des différences de fréquences mesurées reflètent des variations des paramètres ambiants, comme par exemple, une température ou une contrainte.
Cependant, malgré le processus d'ingénierie récent, l'ensemble du processus d'interrogation, dans lequel un dispositif d’interrogation transmet un signal radiofréquence approprié qui est reçu par le capteur à ondes acoustiques via une antenne de réception et converti par un transducteur en une onde acoustique de surface (ou une onde en volume, dans le cas de dispositifs du type capteur à ondes acoustiques en volume) qui est convertie en un signal radiofréquence étant retransmis via une antenne de transmission et reçu et analysé par le dispositif d’interrogation, pose encore des problèmes techniques. Particulièrement, du bruit radiofréquence présent dans les bandes ISM (industrielles, scientifiques, médicales) couramment utilisées, par exemple dans des bandes avec une fréquence centrale de 434 MHz ou 2,45 GHz, provoque des erreurs de lecture/interprétation affectant la qualité de la génération et de l'analyse de spectres de réponse fournis par les capteurs. En particulier, les parasites/échos parasites intermittents tels que les émissions WiFi ou Bluetooth ou GSM peuvent affecter négativement la qualité de la réponse spectrale, entraînant des erreurs de lecture et une obstruction du signal utile. Un bruit blanc de fond permanent peut affecter négativement des mesures dans le domaine temporel. Un autre problème est lié aux mouvements relatifs entre le dispositif capteur et le dispositif d'interrogation causant des parasites, affectant ainsi la fréquence de résonance des capteurs à ondes acoustiques du type résonateur.
Par conséquent, un but de la présente invention est de fournir un moyen pour interroger un capteur à ondes acoustiques avec une qualité de signal accrue, par exemple un rapport signal/bruit accru par rapport à la technique.
La présente invention atteint le but mentionné ci-dessus en proposant un procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques (et de captage d'un mesurande au moyen du capteur à ondes acoustiques) comprenant les étapes de transmission, par un dispositif d’interrogation, d’un signal radiofréquence d'interrogation au capteur à ondes acoustiques qui doit être interrogé au moyen d'une antenne de transmission (le capteur à ondes acoustiques recevant le signal radiofréquences d'interrogation par sa propre antenne) ; de réception, par le dispositif d’interrogation, d’un signal radiofréquence de réponse en provenance du capteur à ondes acoustiques (transmis par une antenne comprise dans le dispositif capteur acoustique et qui peut être identique ou non à l'antenne utilisée pour recevoir le signal radiofréquence d'interrogation) au moyen d'une antenne de réception (qui peut être ou non la même que l'antenne de transmission) ; et de traitement par un moyen de traitement ( étant ou comprenant par exemple une CPU ou un micro-dispositif de commande) du dispositif d'interrogation du signal radiofréquence de réponse reçu pour obtenir des composantes en phase et en quadrature à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ; de détection par le moyen de traitement de perturbations des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ; et de détermination par le moyen de traitement d’une valeur d'un mesurande sur la base des perturbations détectées, le mesurande étant un paramètre ambiant, par exemple une température, une contrainte, une pression ou un couple d'un axe de rotation.
Le capteur à ondes acoustiques peut être un capteur à ondes acoustiques de surface ou un capteur à ondes acoustiques en volume et peut comprendre une structure de ligne à retard ainsi qu'une structure de résonateur simple ou multiple.
En conséquence, le traitement/l'analyse du signal radiofréquence de réponse reçu est effectué(e) en déterminant les composantes en phase et en quadrature à la fois dans les domaines temporel et fréquentiel, et en fonction du bruit/des perturbations pouvant être présents dans au moins un des domaines, le traitement ultérieur est effectué dans le domaine temporel ou le domaine fréquentiel ou dans les deux domaines mentionnés.
Selon un mode de réalisation, la valeur du mesurande est déterminée dans le domaine temporel si les perturbations dans le domaine fréquentiel dépassent un premier seuil prédéterminé et inversement, et la valeur du mesurande est déterminée dans le domaine fréquentiel si les perturbations dans le domaine temporel dépassent un second seuil prédéterminé (par exemple, le deuxième seuil est identique au premier seuil).
Le signal radiofréquence de réponse reçu peut généralement être traité en trames, et des trames comprenant des perturbations dépassant un seuil prédéterminé peuvent être exclues en tant que trames défectueuses lors de la détermination de la valeur du mesurande. En excluant des trames défectueuses, le traitement global est plus robuste et donne des résultats plus fiables pour les valeurs mesurées du mesurande.
En particulier, la valeur du mesurande peut être déterminée dans le domaine temporel et/ou dans le domaine fréquentiel au moins en partie sur la base d'une phase du signal radiofréquence de réponse reçu. La phase est très sensible aux variations du mesurande, et peut donc être utilisée avantageusement pour mesurer le mesurande à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel. Cependant, en détectant les fréquences de résonance comme maxima locaux du module spectral, il est possible de démontrer que la phase correspondant à la fréquence de résonance est nécessairement égale à zéro, selon la définition de la résonance (toutes les contributions dans le résonateur sont additionnées en phase à la fréquence de résonance). Dans le domaine temporel, si le capteur présente un espace libre qui se déplace, par exemple dans une ligne à retard ou dans un résonateur à cavité, la phase du signal du domaine temporel correspondant à une amplitude maximale est modifiée en raison de variations de paramètres environnementaux ou de la position du capteur.
Si à la fois a) les perturbations dans le domaine temporel ne dépassent pas le second seuil prédéterminé et b) les perturbations dans le domaine fréquentiel ne dépassent pas le premier seuil prédéterminé, un mouvement de translation et/ou de rotation du capteur à ondes acoustiques par rapport au dispositif d’interrogation sur la base des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel peut être déterminé. Ainsi, les effets causés par le mouvement du capteur à ondes acoustiques par rapport au dispositif d’interrogation peuvent être pris en compte et/ou une position initiale du capteur acoustique peut être déterminée de manière fiable.
La détermination des perturbations dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus peut comprendre une détermination dynamique des variances ou des écarts-types des composantes en phase et en quadrature obtenues sur des trames entières respectives. La variance ou l’écart-type des composantes en phase I et des composantes en quadrature Q sur une trame entière particulière de N trames échantillonnées consécutivement, par exemple la 1ère trame, est calculé(e) et représente un seuil initial. Pour les trames suivantes (N+1, N+2, etc.), à nouveau, les variances ou les écarts-types des composantes en phase et des composantes en quadrature sur les trames entières respectives (à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel) sont calculé(e)s. Si les variances ou les écarts-types des trames suivantes diminuent, la valeur de seuil sera mise à jour par les variances ou les écarts-types des trames suivantes. Lorsqu'une variance ou un écart-type d'une trame suivante est supérieur(e) à celui ou celle de la trame précédente, la variance ou l'écart-type de la trame précédente est utilisé(e) comme valeur de seuil. Dans l'analyse effectuée ultérieurement, des trames qui dépassent le seuil ainsi obtenu sont rejetées et ne sont pas considérées dans l'étape de processus consistant à déterminer une valeur d'un mesurande sur la base des perturbations déterminées du procédé inventif d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques.
Le but mentionné ci-dessus est également atteint en proposant un système de détection d'un mesurande, comprenant un capteur à ondes acoustiques (par exemple, un capteur à ondes acoustiques de surface ou un capteur à ondes acoustiques en volume ayant une ou plusieurs antennes) ; et un dispositif d’interrogation comprenant un moyen de traitement, une antenne de transmission et une antenne de réception (pouvant être mises en œuvre par une même antenne ou non) et configuré pour transmettre un signal radiofréquence d’interrogation au capteur à ondes acoustiques au moyen de l’antenne de transmission et pour recevoir un signal radiofréquence de réponse en provenance du capteur à ondes acoustiques au moyen de l'antenne de réception ; le moyen de traitement du dispositif d’interrogation étant configuré pour traiter le signal radiofréquence de réponse reçu afin d'obtenir des composantes en phase et en quadrature à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ; détecter des perturbations des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ; et déterminer une valeur d'un mesurande (paramètre ambiant) sur la base des perturbations détectées.
Selon un mode de réalisation, le moyen de traitement est configuré pour déterminer la valeur du mesurande dans le domaine temporel si les perturbations dans le domaine fréquentiel dépassent un premier seuil prédéterminé, et la valeur du mesurande est déterminée dans le domaine fréquentiel si les perturbations dans le domaine temporel dépassent un second seuil prédéterminé (par exemple le même que le premier seuil prédéterminé). En outre, le moyen de traitement peut être configuré pour traiter le signal radiofréquence de réponse reçu en trames, des trames comprenant des perturbations dépassant un seuil prédéterminé étant exclues lors de la détermination de la valeur du mesurande. En outre, le moyen de traitement peut être configuré pour déterminer la valeur du mesurande dans le domaine temporel et/ou dans le domaine fréquentiel au moins en partie sur la base d'une phase (et de son changement temporel au cours d'un processus de surveillance) du signal radiofréquence de réponse reçu. Lors de la détection des fréquences de résonance comme maxima locaux du module spectral, il est possible de démontrer que la phase correspondant à la fréquence de résonance est nécessairement égale à zéro, selon la définition de résonance (toutes les contributions du résonateur sont additionnées en phase à la fréquence de résonance). Dans le domaine temporel, si le capteur présente un espace libre qui se déplace par exemple dans une ligne à retard ou dans un résonateur à cavité, la phase du signal de domaine temporel correspondant à une amplitude maximale est modifiée en raison de variations de paramètres environnementaux ou de la position de capteur.
Selon un mode de réalisation supplémentaire, le moyen de traitement du dispositif d’interrogation est configuré pour déterminer un mouvement de translation et/ou de rotation du capteur à ondes acoustiques par rapport au dispositif d’interrogation sur la base des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et le domaine de fréquence, si a) les perturbations dans le domaine temporel ne dépassent pas le second seuil prédéterminé et b) les perturbations dans le domaine fréquentiel ne dépassent pas le premier seuil prédéterminé. En outre, le moyen de traitement peut être configuré pour déterminer les perturbations (de manière dynamique) en déterminant les variances ou les écarts-types des composantes en phase et en quadrature obtenues sur des trames entières respectives.
Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, le capteur à ondes acoustiques peut comprendre un transducteur configuré pour convertir le signal radiofréquence d'interrogation en une onde acoustique, en particulier une onde acoustique de surface, deux cavités de résonance et des structures de miroirs de Bragg. Ainsi, un capteur à ondes acoustiques hybrides peut être fourni qui permet de combiner une architecture de ligne à retard avec une architecture de résonance et fournit facilement des données de détection pouvant être traitées à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel. Dans tous les modes de réalisation décrits ci-dessus, le système peut être configuré pour réaliser les étapes des modes de réalisation du procédé inventif d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques décrit ci-dessus.
Des caractéristiques et avantages supplémentaires de la présente invention vont être décrits en référence aux dessins. Dans la description, il est fait référence aux figures annexées destinées à illustrer des modes de réalisation préférés de l'invention. Il est entendu que de tels modes de réalisation ne représentent pas toute la portée de l'invention.
La présente invention fournit des techniques d'interrogation à distance de capteurs à ondes acoustiques passifs, en particulier de dispositifs capteurs à ondes acoustiques de surface, les techniques étant caractérisées par un rapport signal/bruit élevé. Les techniques peuvent être appliquées à de quelconques dispositifs d’interrogation qui sont configurés pour déterminer une réponse spectrale et impulsionnelle en provenance d'un capteur à ondes acoustiques interrogé. Alors que dans la technique, le signal radiofréquence de réponse reçu par le dispositif d’interrogation est traité dans le domaine temporel ou fréquentiel (spectral), une technique est fournie ici qui, en principe, offre un traitement dans les deux domaines en fonction de conditions d'interrogation actuelle, par exemple des perturbations sonores. En particulier, s’il est déterminé que des parasites lourds sont présents dans l’un des domaines, l’autre des domaines peut être utilisé pour traiter/analyser le signal désiré.
La illustre un exemple de dispositif de capteur à ondes acoustiques hybride dans lequel a) la structure de ligne à retard dans laquelle un mesurande affecte la vitesse de l'onde acoustique qui se propage et/ou la longueur géométrique du chemin de propagation et b) l'approche de résonance dans laquelle la/les fréquence(s) de résonance est/sont affectée(s) par le mesurande, chacune d’elles étant connues dans la technique, sont mises en œuvre en combinaison l’une avec l’autre. Le dispositif capteur à ondes acoustiques hybride comprend un transducteur pour convertir un signal radiofréquence reçu en une onde acoustique, dans le cas présent une onde acoustique de surface (SAW). Cependant, l'invention n'est pas limitée aux capteurs SAW et peut également être appliquée à des capteurs à ondes acoustiques en volume, par exemple. En outre, le dispositif capteur à ondes acoustiques hybride comprend deux cavités et des miroirs. Le dispositif capteur fournit un facteur de qualité élevé Qf correspondant au rapport entre la fréquence centrale et la largeur à la moitié du maximum de la bande passante utilisée dans le processus d'interrogation. Le facteur de qualité élevé Qf garantit une résolution suffisamment élevée des échantillons de données détectés. À la fois dans le domaine temporel et le domaine fréquentiel, il est possible d’obtenir des réponses en forme de peigne dans le signal radiofréquence de réponse. Dans un mode de fonctionnement différentiel, des signaux obtenus à partir de la structure de ligne à retard peuvent être comparés aux signaux obtenus à partir de la structure de résonateur.
Un signal d'interrogation transmis par un dispositif d’interrogation peut, par exemple, représenter un signal à onde continue étagé en fréquence ou un signal à onde continue modulé en fréquence linéaire. Le signal radiofréquence de réponse transmis par le dispositif capteur est reçu par le dispositif d’interrogation et peut être traité par le dispositif d’interrogation dans le domaine temporel ou le domaine fréquentiel, le traitement comprenant la détermination des composantes en phase et en quadrature (parties réelle et imaginaire) du signal de radiofréquence de réponse. Le signal radiofréquence de réponse reçu peut être mélangé par un moyen de traitement avec un signal radiofréquence d'interrogation selon le protocole dit I-Q tel qu'il est connu dans la technique pour extraire la phase I et la quadrature Q à partir desquelles le module et la phase peuvent ensuite être déduits.
Des modifications d'un paramètre ambiant détecté (mesurande), par exemple une température, une contrainte, une pression ou un couple d'un axe rotatif, peuvent ainsi être détectées soit par des décalages de fréquence, éventuellement différents d'un pic à l'autre, de sorte que la détection peut donc être effectuée soit pour les valeurs de fréquence absolue ou relative, soit dans le domaine temporel par changement de temps de vol ou par changements de phase différentiels d'un écho à un autre, ou par les deux.
Lors du traitement dans le domaine fréquentiel, la bande de fréquence du capteur est échantillonnée en plusieurs étapes successives et la valeur de capteur est déterminée à partir des différences d'amplitude et de phase/fréquence entre le signal radiofréquence d'interrogation transmis et le signal radiofréquence de réponse. Lors du traitement dans le domaine temporel, la bande de fréquence du capteur est échantillonnée en une seule étape à la fois. Par conséquent, un échantillonnage plus rapide doit être effectué dans le dispositif d’interrogation, mais, du côté positif, des vitesses de mise à jour de mesure plus élevées peuvent être obtenues. En outre, en raison du multiplexage temporel entre le signal radiofréquence d'interrogation transmis et le signal radiofréquence de réponse, une plage dynamique élevée peut être obtenue.
Bien que le domaine temporel et le domaine fréquentiel soient connectés mathématiquement entre eux au moyen de transformées de Fourier (inverses), des perturbations (parasites et bruits parasites) peuvent être présentes de manière significative dans un seul des domaines, l'autre n'étant pas trop affecté. Des parasites intermittents, tels que les émissions Wi-Fi, Bluetooth ou GSM, par exemple, peuvent être présents dans le domaine fréquentiel mais ne produisent que quelques salves dans le domaine temporel qui n’affectent pas de manière significative les informations temporelles reconstruites par une transformée de Fourier inverse, une fois que toutes les données spectrales ont été acquises (le dispositif d’interrogation/lecteur peut fonctionner comme un analyseur de réseau vectoriel détectant la réponse S11). Dans d'autres situations, un bruit de fond blanc permanent peut affecter les mesures dans le domaine temporel, ne masquant pas de manière significative les informations spectrales. Selon l'invention, en fonction des conditions d'interrogation actuelles, les informations dans le domaine temporel ou les informations dans le domaine fréquentiel, ou les informations dans les deux domaines, peuvent être acquises et utilisées pour surveiller un mesurande.
La qualité de la mesure peut être déterminée par un traitement statistique basé sur le calcul de variances ou d’écarts-types des valeurs en phase et en quadrature sur des bases d’échantillonnages respectives et un seuillage approprié. Si les variances ou les écarts-types calculé(e)s dépassent un certain seuil prédéterminé, la mesure est refusée pour le traitement supplémentaire, c'est-à-dire une analyse par rapport à la détermination d'un paramètre ambiant. La illustre l'apparition de différentes signatures dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel pour un signal de résonateur. La rangée supérieure montre la réponse spectrale dans les composantes en quadrature et en phase du signal radiofréquence de réponse reçu, le module de ces composantes et un module amélioré obtenu par certains post-traitements. Les composantes en phase sont données par I = Y cos φ et les composantes en quadrature par Q = Y sin φ, où Y désigne l'amplitude et φ la phase, et le module est calculé par
Les pics de résonance peuvent être clairement identifiés. Comme il est possible de le voir dans la rangée supérieure de la , pour les deux dernières résonances, des salves de perturbation sont présentes. Après le seuillage, les trames correspondantes peuvent être exclues. La rangée du milieu montre les composantes en quadrature et en phase dans le domaine temporel. Ces données ne sont pas affectées par les perturbations présentes dans le domaine fréquentiel et peuvent directement servir à déterminer un paramètre ambiant, dans ce cas la température, comme représentée dans la rangée inférieure de la .
Le seuillage pour exclure les trames défectueuses (perturbées) peut être effectué comme suit. La variance ou l’écart-type des composantes en phase I et des composantes en quadrature Q sur une trame entière particulière parmi N trames échantillonnées, par exemple la 1ère trame, est calculé(e) et représente un seuil initial. Pour les trames suivantes, à nouveau, les variances ou les écarts-types des composantes en phase I et des composantes en quadrature Q sur les trames entières respectives sont calculé(e)s. Si les variances ou les écarts-types des trames suivantes diminuent, la valeur de seuil sera mise à jour par les variances ou les écarts-types des trames suivantes. Lorsqu'une variance ou un écart-type d'une trame suivante est supérieur(e) à celui ou celle de la trame précédente, la variance ou l'écart-type de la trame précédente est utilisé(e) comme valeur de seuil. Dans l'analyse effectuée ensuite, les trames dépassant le seuil ainsi obtenu sont rejetées (trames défectueuses).
Il convient de noter que la sensibilité de détection à la fois dans le domaine fréquentiel et dans le domaine temporel ainsi qu’à la fois dans l'approche de ligne à retard et l'approche de résonateur est généralement limitée à quelques kHz pour des largeurs de bande de quelques MHz, et est de 30 ou 50 ns pour les chronogrammes de quelques µs. Dans ce contexte, une meilleure sensibilité peut être obtenue en utilisant les phases des signaux radiofréquences de réponse reçus. Dans un système cohérent, la phase peut être obtenue par φ = arctan(Q/I). Par exemple, à 2,45 GHz, une variation dans le domaine temporel de 0,1 ns se traduit par π/2 radian. Cet effet d’amplification est présent à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel, et peut être utilisé à la fois dans l’approche de ligne à retard et dans l’approche de résonateur et, dans ce dernier cas, de la même manière pour des architectures mono-résonantes ou multi-résonantes fonctionnant à l’intérieur ou à l’extérieur des bandes de Bragg admissibles. Par exemple, il est possible de mesurer un mesurande sur la base de variations de phase mesurées directement ou différentiellement pour des pics résolus dans la plage spectrale, et ensuite de surveiller l'évolution temporelle de la phase ou de la différence de phase entre des pics résolus dans le temps dans le contexte de l'interrogation de plusieurs capteurs. Il est à noter que des ambiguïtés se produisent lorsque les décalages de phase dépassent 360°. Ce problème d'ambiguïté peut être résolu, par exemple, en fournissant plusieurs réflecteurs à des positions connues et en évaluant leurs différences de phase afin de résoudre de quelconques ambiguïtés.
Une autre cause de limitations de précision des détections par des dispositifs capteurs à ondes acoustiques se situe dans des mouvements de capteur par rapport au dispositif d’interrogation. La illustre les effets de mouvements de translation et de rotation d'un capteur de résonance sur la fréquence de résonance. En fait, il a été observé qu’un déplacement linéaire du capteur de ± x entraîne un décalage de la fréquence de résonance f0 tel que la fréquence de résonance déterminée obtenue par des mesures est donnée par f = f0(1+a cos(2 πx/λ)), avec λ étant la longueur d'onde. Le paramètre a peut être trouvé expérimentalement à partir de mesures et dépend de la manière dont les antennes sont couplées des côtés du dispositif d’interrogation et du capteur. Par exemple, a correspond environ à 18 kHz pour une variation de fréquence maximale environ de f0 = 2,45 GHz. De même, une rotation du capteur à ondes acoustiques de θ entraîne un décalage de la fréquence de résonance f0 tel que la fréquence de résonance déterminée obtenue par des mesures est donnée par f = f0(1+a cos(θ)). Ce problème de précision, en principe, peut être résolu par une commande de décalage de phase de l'antenne du dispositif capteur, en utilisant deux antennes pour le dispositif capteur qui sont désaccordées à 180° et/ou en déplaçant le capteur à ondes acoustiques dans une étape d'initialisation de λ/2 et en calibrant la fréquence de résonance à f0 = (f0(x)+f0(x+λ/2))/2 pour compenser des mouvements linéaires.
En fait, comme la variation est périodique, en considérant deux points de fréquence comme des phases opposées, la valeur moyenne des deux fréquences correspondantes est automatiquement égale à f0: f(x)+f(x+λ/2) = f0(1+a cos(2πx/λ)) + f0(1+a cos(2 πx/λ+π)) = 2 f0.
D'autre part, si des signaux valides (suffisamment exempts de perturbations) sont obtenus dans le domaine temporel ainsi que dans le domaine fréquentiel, les résultats dans les deux domaines peuvent être comparés l'un avec l'autre et contrôlés pour assurer la cohérence des informations obtenues. Par exemple, si une certaine rotation de phase est déterminée à partir des données de mesure dans le domaine temporel et qu'aucun écart significatif de la fréquence de résonance n'est déterminé à partir des données de mesure situées dans le domaine fréquentiel, il est conclu qu'un certain mouvement relatif du dispositif capteur par rapport au dispositif d’interrogation s’est produit. En déroulant les informations de phase, la distance parcourue par le capteur de manière translationnelle et/ou rotationnelle peut être déterminée, un mouvement de translation entraînant des modifications des phases déroulées, tandis qu’une rotation entraînant un comportement de phase rotationnelle, même lorsque la phase est déroulée.
En fait, lorsqu'un dispositif capteur à résonateur est soumis à des variations d'un paramètre ambiant à détecter, par exemple des variations thermiques, la phase des échos du domaine temporel, pour un capteur à comportement linéaire, varie linéairement, c'est-à-dire que la fréquence de résonance diminue linéairement dans le temps, et ainsi que la phase se déplace vers le bas. La vraie phase (sans déroulement périodique -π/+π) peut être obtenue en déroulant la phase entraînant un changement de phase linéaire. En rapprochant ou en éloignant le capteur par rapport au dispositif d’interrogation, un effet similaire est observé, puisque la rotation de phase dans la liaison RF est accumulée, ce qui affecte le capteur de la même manière. Les mesures expérimentales montrent que lorsque le capteur est en rotation, la phase reste dans la plage -π/+π, de sorte que la phase reste dans la plage -π/+π après le déroulement. Cela est en raison du fait que la phase moyenne globale ne change pas vraiment, si la position du dispositif capteur reste presque la même (pas de mouvement de translation significatif).
Tous les modes de réalisation décrits précédemment ne sont pas destinés à être limitatifs mais servent d'exemples illustrant des caractéristiques et des avantages de l'invention. Il faut comprendre que tout ou partie des caractéristiques décrites ci-dessus peuvent également être combinées de différentes manières.
Claims (8)
- Procédé d'interrogation d'un capteur à ondes acoustiques, comprenant les étapes consistant à
transmettre, par un dispositif d’interrogation, un signal radiofréquence d'interrogation au capteur à ondes acoustiques au moyen d'une antenne de transmission ;
recevoir, par le dispositif d’interrogation, un signal de radiofréquence de réponse en provenance du capteur à ondes acoustiques au moyen d'une antenne de réception ; et
traiter par un moyen de traitement du dispositif d’interrogation le signal radiofréquence de réponse reçu pour obtenir des composantes en phase et en quadrature à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ;
détecter par le moyen de traitement des perturbations des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ; et
déterminer par le moyen de traitement une valeur d'un mesurande sur la base des perturbations détectées, dans lequel, si ni les perturbations dans le domaine temporel ne dépassent un second seuil prédéterminé ni les perturbations dans le domaine fréquentiel ne dépassent un premier seuil prédéterminé, un mouvement de translation et/ou de rotation du capteur à ondes acoustiques par rapport au dispositif d’interrogation est déterminé sur la base des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel.
- Procédé selon la revendication 1, dans lequel le signal radiofréquence de réponse reçu est traité en trames, et dans lequel des trames comprenant des perturbations dépassant un seuil prédéterminé sont exclues lors de la détermination de la valeur du mesurande.
- Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la valeur du mesurande est déterminée dans le domaine temporel et/ou le domaine fréquentiel au moins en partie sur la base d'une phase du signal radiofréquence de réponse reçu.
- Procédé selon la revendication 2 ou selon la revendication 3 prise en combinaison avec la revendication 2, dans lequel la détermination des perturbations comprend la détermination des variances ou des écarts-types des composantes en phase et en quadrature obtenues sur des trames entières respectives.
- Système de détection d'un mesurande, comprenant :
un capteur à ondes acoustiques ; et
un dispositif d’interrogation comprenant un moyen de traitement, une antenne de transmission et une antenne de réception, et configuré pour transmettre un signal radiofréquence d'interrogation au capteur à ondes acoustiques au moyen de l'antenne de transmission, et
pour recevoir un signal radiofréquence de réponse en provenance du capteur à ondes acoustiques au moyen de l'antenne de réception ;
dans lequel le moyen de traitement du dispositif d’interrogation est configuré pour traiter le signal radiofréquence de réponse reçu afin d'obtenir des composantes en phase et en quadrature à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ;
pour détecter des perturbations des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois dans le domaine temporel et dans le domaine fréquentiel ; et
pour déterminer une valeur d'un mesurande sur la base des perturbations détectées, dans lequel le moyen de traitement est configuré pour déterminer un mouvement de translation et/ou de rotation du capteur à ondes acoustiques par rapport au dispositif d’interrogation sur la base des composantes en phase et en quadrature obtenues à la fois le domaine temporel et le domaine fréquentiel, si ni les perturbations dans le domaine temporel ne dépassent un second seuil prédéterminé et ni les perturbations dans le domaine fréquentiel ne dépassent un premier seuil prédéterminé.
- Système selon la revendication 5, dans lequel le moyen de traitement est configuré pour déterminer la valeur du mesurande dans le domaine temporel et/ou dans le domaine fréquentiel au moins en partie sur la base d'une phase du signal radiofréquence de réponse reçu.
- Système selon l’une des revendications 5 ou 6, dans lequel le moyen de traitement est configuré pour traiter le signal radiofréquence de réponse reçu en trames, et dans lequel des trames comprenant des perturbations dépassant un seuil prédéterminé sont exclues lors de la détermination de la valeur du mesurande et pour déterminer les perturbations en déterminant les variances ou les écarts-types des composantes en phase et en quadrature obtenues sur des trames entières respectives.
- Système selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel le capteur à ondes acoustiques comprend un transducteur configuré pour convertir le signal radiofréquence d'interrogation en une onde acoustique, en particulier une onde acoustique de surface, deux cavités de résonance et des structures de miroirs de Bragg.
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Citations (3)
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| US20100250170A1 (en) * | 2009-03-25 | 2010-09-30 | Victor Alexandrovich Kalinin | Interrogation method for passive wireless sensor interrogation system |
-
2021
- 2021-08-06 FR FR2108555A patent/FR3113316B1/fr active Active
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