WO2008015129A1 - Methode d'interrogation a distance de capteurs passifs - Google Patents

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WO2008015129A1
WO2008015129A1 PCT/EP2007/057631 EP2007057631W WO2008015129A1 WO 2008015129 A1 WO2008015129 A1 WO 2008015129A1 EP 2007057631 W EP2007057631 W EP 2007057631W WO 2008015129 A1 WO2008015129 A1 WO 2008015129A1
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WO
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frequency
sensor
parameter
modulation
frequencies
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/057631
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English (en)
Inventor
Sylvain Ballandras
Gilles Martin
Lionel Fagot-Revurat
Original Assignee
Société de Technologie Michelin
Michelin Recherche Et Technique S.A.
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60C—VEHICLE TYRES; TYRE INFLATION; TYRE CHANGING; CONNECTING VALVES TO INFLATABLE ELASTIC BODIES IN GENERAL; DEVICES OR ARRANGEMENTS RELATED TO TYRES
    • B60C23/00—Devices for measuring, signalling, controlling, or distributing tyre pressure or temperature, specially adapted for mounting on vehicles; Arrangement of tyre inflating devices on vehicles, e.g. of pumps or of tanks; Tyre cooling arrangements
    • B60C23/02—Signalling devices actuated by tyre pressure
    • B60C23/04—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre
    • B60C23/0408—Signalling devices actuated by tyre pressure mounted on the wheel or tyre transmitting the signals by non-mechanical means from the wheel or tyre to a vehicle body mounted receiver
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for

Definitions

  • the invention belongs to the field of remote measurement of a physical quantity, in particular via a radio frequency link and a passive component, in particular for a parameter of a tire of a vehicle.
  • the interrogation principle according to the invention is based on the emission of radio frequency signals, modulated in frequency, to excite a passive component of "resonator" type, and the reception in almost simultaneous mode of its response to these excitations.
  • the invention thus relates to a method and a device for remote interrogation of passive components of the resonant structure type for the determination of the resonance frequency or frequencies of the passive component, by interrogation by a frequency modulated radio frequency signal.
  • the invention also relates to the use of passive resonator type sensors in a ground connection of a vehicle, for example at the tire, for remotely and wirelessly measuring parameters such as the temperature of the gums. of a tire or the pressure and temperature of the internal air of the tires.
  • a tire instrumentation track aims to integrate electronic devices, such as sensors, to monitor parameters relating to their use and / or wear.
  • TPMS systems Transire Pressure Monitoring System
  • an advantageous solution consists in the use of passive sensors, that is to say not requiring a power source embedded on the tire / wheel assembly, but powered by a radio frequency wave remote or by a self-generating system of energy associated with the tire.
  • passive sensors that is to say not requiring a power source embedded on the tire / wheel assembly, but powered by a radio frequency wave remote or by a self-generating system of energy associated with the tire.
  • an interrogation signal is sent to the sensor equipped with an antenna; following the reception of the signal, the sensor emits a radio wave which contains the information on the physical parameter to which it is directly or indirectly sensitive.
  • the SAW sensors may be of the "delay line” type (the phase difference between several echoes generated by the sensor will depend on the parameter to be measured) or the "resonator” type (the resonant frequency of the sensor will depend on the parameter at measure).
  • Resonator type sensors because of their smaller size, are generally more suitable for measuring a physical parameter of the tire since that access to this parameter requires the integration of the sensor during the manufacture of the tire.
  • volume wave resonators (BAW: "BuIk Acoustic Wave") are based on the vibration of a blade of a piezoelectric material sandwiched between two electrodes opposite; the piezoelectric material plate may be in the form of a film for so-called “hybrid” resonators, described for example in FR 05 52397.
  • the parameter is determined by the variation of the difference between each resonance frequency.
  • the document EP 1 419 476 presents a method in which, after a phase of searching for the optimal frequency of interrogation / excitation of a resonance of the sensor, an RF pulse is sent to the sensor at this optimum frequency, the response emitted by the excited resonator of the sensor is received and the natural frequency thereof is obtained by lowering the frequency, sampling and then making a discrete Fourier transform.
  • a coherent accumulation of the response of the sensor to a succession of excitations at the optimal excitation frequency makes it possible to improve the detection accuracy of the eigenfrequency of the excited resonator.
  • the parameter (s) at which the sensor (s) is sensitive is (are) calculated, knowing beforehand the calibration function of the sensor. sensor considered.
  • the invention proposes to provide a new interrogation principle adapted to the measurement of physical parameters of a tire or any other element of a ground connection of a vehicle, or for any other application in a vehicle. different field.
  • the term "tire” designates an inflatable tire as well as an elastic bandage or a caterpillar, all these terms to be interpreted as equivalent;
  • the "ground connection" 1 of a vehicle includes the tire 2 as defined above, as well as the elements that comprise it, such as the support supports 3 of the tread of the tire, if applicable , and all the components that connect it to the chassis 4 of the vehicle, namely in particular the wheel, the rim, the braking system 5, the damping system 6, the axle, ... up to the articulation 7 as shown in Figure 1.
  • the invention relates to a method for determining the resonance frequency Fo of at least one resonator forming part of a sensor comprising the following steps:
  • the resonance frequency as being equal to the carrier frequency / when the spectrum of the response wave of the sensor satisfies a given relation in a frequency range less than 2.5 times the modulation frequency ⁇ of the emitted signal .
  • the resonant frequency F 0 of the sensor is determined as being equal to the frequency of the carrier / when the contribution to twice the frequency 2 of modulation of the emitted signal is maximum in the spectrum of the sensor response.
  • the resonant frequency as being arranged between two carrier frequencies / ;, /, when the phase difference between the response wave of the sensor and the modulation source is negative for the first frequency. and positive for the second / 2, the second frequency having a value greater than the first.
  • the resonance frequencies thus determined by the method according to the invention can be used for the measurement of parameters, in particular by evaluating the variation of the difference between two resonance peaks for sensors comprising several resonators.
  • the method according to the invention may be reiterated, in order to give a continuous measurement of the resonance peaks and / or parameters; preferably, the method is repeated a number of times at the end of which the values of the determined resonant frequencies are processed, in particular by filtering the outliers, and averaged, so as to give an average value of the frequencies and / or the parameter measured through them.
  • This second variant is particularly preferred in the case where the sensor is not continuously in the receiving zone of the reader, in particular in the case where the sensor is on a rolling tire.
  • the sensor has two resonant frequencies, located for example in the 433 MHz ISM band, and the value of which varies differently depending on the temperature.
  • the temperature is supplied to the user at predetermined intervals, preferably every three seconds.
  • This device comprises a sensor with at least one resonator, and preferably a plurality of resonators whose resonance frequency varies differently depending on a parameter, for example two frequencies varying according to the temperature, and a remote reader allowing the emission to the radio frequency carrier / bandwidth sensor included in the 433 MHz ISM band, frequency modulated, and the reception from the amplitude-modulated radio frequency wave sensor.
  • the reader comprises transmission means capable of transmitting a frequency evolving in a controlled manner, in particular linearly, between two terminals of a band, for example a band included in the ISM band of 433 MHz, over a predetermined duration; the reader further comprises a circulator for isolating transmission and reception without periodically interrupting the transmission.
  • the means for processing the response signal of the sensor allowing in particular to determine the carrier frequency / for which, the amplitude of the spectral contribution to ⁇ is minimum between two maximums, the amplitude of the spectral contribution to 2 ⁇ is maximum and the phase of the spectral contribution to ⁇ vanishes, can include:
  • the device according to the invention is preferably part of a ground connection of a vehicle, and in particular the sensor is located at the tire, the reader being on the body. The device is preferably used to measure the temperature in a tire.
  • the method according to the invention can very advantageously be used to measure the temperature in a tire, especially when rolling.
  • the method and device of the invention can also be applied in many other fields, including industrial for the control of processes and machines but also related to safety, environment and medical.
  • a SAW or BAW temperature sensor By way of example, they can be used to continuously monitor the internal temperature of a living mammal, such as a dog, in which there is a SAW or BAW temperature sensor.
  • This sensor may have been ingested in a food for example. It may also have been inserted into the intestine or any other part of the body by any known means.
  • FIG. 2 diagrammatically illustrates a device according to the invention
  • FIGS. 3A, 3B and 3C show the principle of detection of a frequency-modulated signal on a resonance flank with conversion into an amplitude-modulated signal, respectively when the carrier and resonance frequencies are distinct [FIGS. 3A and 3B] or confused [Figure 3C];
  • the remote interrogation of passive sensors for measuring physical parameters conventionally uses RF radio frequency waves. These waves are regulated and only restricted bands, called ISM, are legally usable, any emission out of the bands being prohibited. Conventionally, the resonators chosen for the invention have a natural resonance frequency Fo lying in the ISM band of the
  • the preferred ISM band is centered on 433.92 MHz, ISMBW 1.74 MHz wide; it is possible to emit radio waves of power P erp ("Effective Radiated Power") of 10 dB m (10 mW) with a duty cycle or duty cycle P ISM of 10%; out of this band, within 5 MHz of its bounds, the tolerated radio emission levels are below -36 dBm in Europe.
  • the useful band B considered for the sensors according to the invention is of width BW ⁇ ISMBW, ie a sensor band B which reserves a guard band G distributed, preferably equitably, of on both sides of the targeted ISM band.
  • parameters are preferably measured by the relative difference between resonance frequencies; for this purpose, a number of resonators equal to the number of parameters plus one unit is necessary, each of the resonant frequencies being in the useful band B considered for the entire range of expected values of the parameter.
  • a single parameter in this case the temperature
  • the method and the device according to the invention are immediately applicable to the measurement of several parameters, for example the temperature and the pressure of a tire with three resonators.
  • a sensor used according to the invention is such that the two resonant frequencies Fi and F 2 are separated by ⁇ F, ⁇ F ranging between 400 and 1100 kHz for a temperature ranging from -40 to 200 0 C.
  • the sensor 10 used for the measurement according to the invention thus comprises two resonators electrically connected in parallel, of SAW or BAW or hybrid types, provided with at least one antenna for RF transmission and reception.
  • the sensor 10 is, in the preferred embodiment, placed in the tread of a tire 2, but it can be located on an element of the ground connection 1 of the vehicle, in particular rotating, or at the level of any element for which measurement is desired.
  • the sensor 10 is excited by an RF wave from a transmission system 12 via an antenna 16; the sensor response signal is also recovered at the antenna 16, typically placed at a distance of about 10 cm from the sensor 10, for example on the frame 4 in the wheel well.
  • a circulator 22 makes it possible to isolate the response of the sensor from the interrogation signal and to send it to a reception system 18 which among other things makes it possible to condition and process the response signal of the sensor in order to determine the parameter.
  • a reader 20 associated with the sensor 10 comprises the two reception systems 18 and transmission 12 as well as the antenna 16 in one entity, for example secured to the chassis 4 of a vehicle, on a fixed part.
  • the reader 20 may also comprise a display 24.
  • FIG. 3A illustrates a conversion of a signal modulated into a carrier frequency fo into an amplitude modulated signal by a resonator of the sensor whose resonance natural frequency is F1.
  • Part (a) of this figure shows the amplitude of the response wave of the resonator when it is excited by an RF emission as a function of the frequency fo of the exciter RF emission.
  • fo is greater than F 1 .
  • fo and Fi have values in the ISM band of 433 MHz as previously indicated.
  • RF / o emission is frequency modulated, with a modulation ⁇ as shown in the graph (b) disposed under (a).
  • the amplitude of frequency modulation ⁇ is of the order of kHz.
  • the graph (c) of FIG. 3A illustrates the shape of the response signal of the sensor when it is excited by an RF emission of frequency fo greater than F 1 .
  • the sensor response signal is amplitude modulated with a modulation frequency of ⁇ .
  • the spectrum of the response signal of the resonator of the amplitude-modulated sensor has mainly a component of ⁇ .
  • the phase of the component in ⁇ si / 0 ⁇ ⁇ ⁇ F 1 is 180 ° opposite to the phase of the component in ⁇ if / 0 ⁇ ⁇ > F 1 .
  • Figures 4A, 4B and 4C show measurement results that confirm these results.
  • a two-resonance SAW sensor with a Q quality coefficient of charge of 2000 is used in a measuring system adapted to the invention, its two natural resonance frequencies being between 433.3 MHz and 434.54 MHz.
  • a carrier excitation signal fo, 433.3 ⁇ fo ⁇ 434.54 MHz, with a frequency modulation frequency ⁇ 1 kHz and an index of modulation m of a few units, typically less than 10.
  • FIG. 4A shows the evolution of the amplitude of the component at the frequency ⁇ of the response wave of the sensor as a function of the carrier frequency fo of the exciting wave. This figure shows that this contribution to ⁇ passes through a minimum of two maximums.
  • FIG. 4C confirms that the phase of the response wave of the sensor at the modulation frequency ⁇ , more precisely the phase difference between the component at ⁇ and the modulation source, goes to zero when the frequency of the carrier corresponds to at the resonance frequency of the SAW resonator.
  • a detection system of a parameter can therefore be based on the principle described above.
  • a SAW sensor 10 comprises a resonator whose determination of the resonant frequency Fi under the conditions of use is to be determined.
  • the system according to the invention comprises means for deriving the value of the parameter, such as the temperature, from the value of the resonance frequency from tables or calibrations.
  • the senor comprises a number of resonators equal to the number of parameters increased by one unit; in particular, for the measurement of a single parameter, in this case the temperature, the sensor is provided with two resonators electrically connected in parallel and provided with at least one antenna for transmitting and receiving RF of SAW types or BAW or hybrid, whose natural frequency fluctuates within the ISM band considered [433.3-434.54 MHz] over the range of temperatures envisaged.
  • the detection according to the invention is carried out for each of the two resonators, then the difference is measured by appropriate means, and the parameter is derived therefrom.
  • the analysis of the phase of the contribution to the modulation frequency in the amplitude modulation can be furthermore carried out: this phase changes sign depending on whether one is interrogating with a carrier of frequency greater or smaller than the resonance of the sensor.

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Abstract

Procédé pour mesurer la fréquence de résonance (F0) d'un résonateur faisant partie d'un capteur (10) comprenant les étapes suivantes : émettre successivement vers le capteur (10) des signaux radio fréquences de fréquences porteuses connues (J) et modulés en fréquence (Ω), lesdits signaux radio fréquences balayant une bande de fréquence (B) incluant la fréquence de résonance (Fo); recevoir par un système de réception (20) les ondes de réponse du capteur (10); effectuer une analyse spectrale des ondes de réponse du capteur (10); et déterminer la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse (J) quand le spectre de l'onde de réponse du capteur satisfait une relation donnée dans une gamme de fréquences inférieure à 2,5 fois la fréquence de modulation du signal émis.

Description

METHODE D'INTERROGATION A DISTANCE DE CAPTEURS PASSIFS
DOMAINE TECHNIQUE
[0001] L'invention appartient au domaine de la mesure à distance d'une grandeur physique, par l'intermédiaire notamment d'une liaison radio fréquence et d'un composant passif, en particulier pour un paramètre d'un pneumatique d'un véhicule.
[0002] Plus particulièrement, le principe d'interrogation selon l'invention repose sur l'émission de signaux radio fréquence, modulés en fréquence, pour exciter un composant passif de type « résonateur », et la réception en mode quasi-simultané de sa réponse à ces excitations. L'invention concerne ainsi un procédé et un dispositif d'interrogation à distance de composants passifs de type structures résonantes pour la détermination de la, ou des, fréquences de résonance du composant passif, par interrogation par un signal radio fréquence modulé en fréquence.
[0003] L'invention se rapporte également à l'utilisation de capteurs passifs de type résonateurs dans une liaison au sol d'un véhicule, par exemple au niveau du pneumatique, pour mesurer à distance et sans fil des paramètres comme la température des gommes d'un pneumatique ou la pression et la température de l'air interne des pneumatiques.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
[0004] Pour augmenter la sécurité automobile, il apparaît souhaitable d'associer des systèmes de surveillance en temps réel des performances des pneumatiques et/ou de leurs conditions d'utilisation. A cette fin, une voie d'instrumentation des pneumatiques vise à y intégrer des dispositifs électroniques, tels que des capteurs, afin d'assurer le suivi de paramètres relatifs à leur utilisation et/ou leur usure.
[0005] Par exemple, lors du roulage, il serait souhaitable que la température des pneumatiques, important facteur de sécurité, soit contrôlée régulièrement, afin d'avertir le conducteur lorsque les pneumatiques sont à une température inadéquate pour une adhérence optimale, ou pour optimiser leur durée de vie. En ce qui concerne la pression, autre facteur de sécurité, des systèmes TPMS (« Tire Pressure Monitoring System »), composés en règle générale d'un capteur intégré dans la valve du pneumatique, sont par exemple commercialisés et permettent d'informer le conducteur si la pression de ses pneus est correcte et de détecter des fuites.
[0006] Dès lors que la mesure d'un paramètre physique d'un pneumatique monté sur sa roue et en conditions de roulage est envisagée, se pose le problème de l'énergie disponible pour pouvoir faire la mesure et la transmettre à un système de contrôle, à l'intérieur ou hors du véhicule, les dispositifs électroniques devant également comporter des moyens pour alimenter les capteurs et récupérer les signaux, voire les traiter. Les solutions actuelles, utilisées pour la majorité des systèmes TPMS déployés, reposent sur l'utilisation de piles associée à des stratégies de gestion de l'énergie permettant de ne pas les changer pendant toute la durée de vie des pneumatiques.
[0007] Cependant, une solution avantageuse consiste en l'utilisation de capteurs passifs, c'est-à-dire ne nécessitant pas de source d'énergie embarquée sur l'ensemble pneumatique / roue, mais alimentés par une onde radio fréquence à distance ou par un système d'auto génération de l'énergie associée au pneumatique. Dans le cas d'une alimentation par une onde radiofréquence, un signal d'interrogation est envoyé au capteur équipé d'une antenne ; suite à la réception du signal, le capteur émet une onde radio qui contient l'information sur le paramètre physique auquel il est directement ou indirectement sensible.
[0008] II est ainsi connu, par exemple du document EP 0 937 615, d'utiliser des capteurs à ondes de surface, ou SAW (« Surface Acoustic Wave »), pour mesurer des paramètres physiques, comme l'adhérence, du pneu de façon passive par ondes radiofréquence.
[0009] Les capteurs SAW peuvent être du type « ligne à retard » (la différence de phase entre plusieurs échos générés par le capteur dépendra du paramètre à mesurer) ou du type « résonateur » (la fréquence de résonance du capteur dépendra du paramètre à mesurer). Les capteurs de type résonateur, du fait de leur plus faible encombrement, sont généralement plus adaptés à la mesure d'un paramètre physique du pneumatique dès lors que l'accès à ce paramètre nécessite l'intégration du capteur pendant la fabrication du pneumatique.
[0010] Un autre type de résonateur peut être envisagé : les résonateurs à ondes de volumes (BAW : « BuIk Acoustic Wave ») sont basés sur la mise en vibration d'une lame d'un matériau piézoélectrique enserrée entre deux électrodes en regard ; la plaque de matériau piézoélectrique peut être sous forme de film pour les résonateurs dits « hybrides », décrits par exemple dans FR 05 52397.
[0011] Bien qu'une mesure directe du paramètre par l'intermédiaire de la fréquence de résonance soit théoriquement possible, pour s'affranchir, entre autres, des problèmes de vieillissement (en particulier pour les capteurs de type résonateur SAW) et de l'influence, sur la réponse du capteur, du couplage entre l'antenne d'interrogation dans ou hors du véhicule et l'antenne associée au capteur, l'utilisation de deux résonateurs, en général connectés électriquement en parallèle, de sensibilité différente au paramètre considéré est souvent préférée : le paramètre est déterminé par la variation de la différence entre chaque fréquence de résonance.
[0012] Pour mesurer cette différence, il est d'usage de travailler sur chaque fréquence de résonance séparément, puis d'en faire la différence. Par exemple, le document EP 1 419 476 présente un procédé dans lequel, après une phase de recherche de la fréquence optimale d'interrogation/excitation d'une résonance propre du capteur, on envoie sur le capteur une impulsion RF à cette fréquence optimale, on reçoit la réponse émise par le résonateur excité du capteur et l'on obtient la fréquence propre de celle-ci par abaissement de fréquence, en échantillonnant puis en faisant une transformée de Fourier discrète. Une accumulation cohérente de la réponse du capteur à une succession d'excitations à la fréquence optimale d'excitation permet d'améliorer la précision de détection de la fréquence propre du résonateur excité. Dès lors que toutes les fréquences propres du capteur sont déterminées, le(s) paramètre(s) au(x)quel(s) le capteur est sensible est(sont) calculé(s), en connaissant au préalable la fonction de calibration du capteur considéré. EXPOSE DE L'INVENTION
[0013] L'invention se propose de fournir un nouveau principe d'interrogation adapté à la mesure de paramètres physiques d'un pneumatique ou de tout autre élément d'une liaison au sol d'un véhicule, ou pour toute autre application dans un domaine différent.
[0014] Signalons à toutes fins utiles que, dans le contexte de la présente invention, le terme « pneumatique » désigne aussi bien un pneumatique gonflable qu'un bandage élastique ou une chenille, tous ces termes devant être interprétés comme équivalents ; la « liaison au sol » 1 d'un véhicule regroupe le pneumatique 2 tel que défini ci-dessus, ainsi que les éléments qui en font partie tels que les appuis de soutien 3 de la bande de roulement du pneumatique s'il y a lieu, et tous les composants qui le relient au châssis 4 du véhicule, à savoir notamment la roue, la jante, le système de freinage 5, le système d'amortissement 6, l'essieu,... jusqu'à l'articulation 7, tel qu'illustré sur la figure 1.
[0015] L'invention est relative à un procédé pour déterminer la fréquence de résonance Fo d'au moins un résonateur faisant partie d'un capteur comprenant les étapes suivantes :
- émettre successivement vers le capteur des signaux radio fréquences de fréquences porteuses connues /et modulés en fréquence Ω, les signaux radio fréquences balayant une bande de fréquence B incluant la fréquence de résonance Fo ;
- recevoir par un système de réception les ondes de réponse du capteur ; - effectuer une analyse spectrale des ondes de réponse du capteur ; et
- déterminer la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse/ quand le spectre de l'onde de réponse du capteur satisfait une relation donnée dans une gamme de fréquences inférieure à 2,5 fois la fréquence Ω de modulation du signal émis.
[0016] Avantageusement, on peut déterminer la fréquence de résonance F0 du capteur comme étant égale à la fréquence de la porteuse / quand la contribution à deux fois la fréquence 2Ω de modulation du signal émis est maximale dans le spectre de l'onde de réponse du capteur. [0017] Selon une première variante, on peut déterminer la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse /quand la contribution à la fréquence Ω de modulation du signal émis passe par un minimum disposé entre deux maximum dans le spectre de l'onde de réponse du capteur.
[0018] Selon une seconde variante, on peut déterminer la fréquence de résonance comme étant disposée entre deux fréquences de porteuses/;,/, quand le déphasage entre l'onde de réponse du capteur et la source de modulation est négatif pour la première fréquence/ et positif pour la seconde /2, la seconde fréquence ayant une valeur supérieure à la première.
[0019] On peut aussi mettre en œuvre successivement ou en parallèle les trois variantes du procédé selon l'invention précédentes. Cela permet de fïabiliser la détermination.
[0020] Dans ce cas, il peut être avantageux de procéder à un asservissement de façon à fixer la fréquence d'excitation sur une fréquence proche de la fréquence de résonance déterminée lors de l'étape précédente.
[0021] Les fréquences de résonance ainsi déterminées par le procédé selon l'invention peuvent être utilisées pour la mesure de paramètres, notamment par l'évaluation de la variation de la différence entre deux pics de résonance pour des capteurs comprenant plusieurs résonateurs.
[0022] Le procédé selon l'invention peut être réitéré, afin de donner une mesure continue des pics de résonance et/ou paramètres ; de préférence, le procédé est réitéré un certain nombre de fois au bout duquel les valeurs des fréquences de résonance déterminées sont traitées, en particulier par filtrage des valeurs aberrantes, et moyennées, de manière à donner une valeur moyenne des fréquences et/ou du paramètre mesuré par leur intermédiaire. Cette deuxième variante est particulièrement préférée dans le cas où le capteur ne se trouve pas continûment dans la zone de réception du lecteur, en particulier dans le cas où le capteur se trouve sur un pneumatique en roulage. [0023] De préférence, le capteur présente deux fréquences de résonance, situées par exemple dans la bande ISM des 433 MHz, et dont la valeur varie différemment selon la température. La température est fournie à l'utilisateur à intervalles prédéterminés, de préférence toutes les trois secondes.
[0024] Pour mettre en œuvre le procédé selon l'invention, on peut utiliser le dispositif suivant. Ce dispositif comprend un capteur avec au moins un résonateur, et de préférence une pluralité de résonateurs dont la fréquence de résonance varie différemment en fonction d'un paramètre, par exemple deux fréquences variant selon la température, et un lecteur à distance permettant l'émission vers le capteur d'ondes radio fréquence de porteuse / dans une bande incluse dans la bande ISM des 433 MHz, modulées en fréquence, et la réception depuis le capteur d'ondes radio fréquence modulées en amplitude. Le lecteur comprend des moyens d'émission capables d'émettre une fréquence évoluant de façon contrôlée, notamment de façon linéaire, entre deux bornes d'une bande, par exemple une bande incluse dans la bande ISM des 433 MHz, sur une durée prédéterminée ; le lecteur comprend en outre un circulateur pour isoler émission et réception sans interrompre périodiquement l'émission.
[0025] Les moyens pour traiter le signal de réponse du capteur, permettant en particulier de déterminer la fréquence porteuse / pour laquelle, l'amplitude de la contribution spectrale à Ω est minimum entre deux maximums, l'amplitude de la contribution spectrale à 2 Ω est maximum et la phase de la contribution spectrale à Ω s'annule, peuvent notamment comprendre :
- des moyens pour numériser l'onde de réponse du capteur en sortie d'un filtre passe bas qui coupe les fréquences telles que f > à 2.5 Ω, faire une FFT, et rechercher l'amplitude et la phase des contributions spectrales à Ω et 2Ω ; ou - des moyens pour multiplier l'onde de réponse du capteur en sortie d'un filtre passe bas qui coupe les fréquences telles que f > à 2.5Ω avec la source de modulation de fréquence à Ω, des moyens pour filtrer la composante résultante à 2Ω, et rechercher un minimum entre deux maximums sur la composante continue. [0026] Le dispositif selon l'invention fait de préférence partie d'une liaison au sol d'un véhicule, et notamment le capteur est localisé au niveau du pneumatique, le lecteur étant sur la caisse. Le dispositif est de préférence utilisé pour mesurer la température dans un pneumatique.
[0027] Le procédé selon l'invention peut très avantageusement être utilisé pour mesurer la température dans un pneumatique, notamment en roulage.
[0028] Les procédé et dispositif selon l'invention peuvent aussi être appliqués dans de très nombreux autres domaines, notamment industriel pour le contrôle de procédés et de machines mais aussi liés à la sécurité, à l'environnement et au médical.
[0029] A titre d'exemple, on peut les utiliser pour suivre en continu la température interne d'un mammifère vivant, tel un chien, dans lequel se trouve un capteur de température SAW ou BAW. Ce capteur peut avoir été ingéré dans un aliment par exemple. Il peut aussi avoir été inséré dans l'intestin ou tout autre partie du corps par tout moyen connu.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
[0030] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description suivante et en référence aux dessins annexés, donnés à titre uniquement illustratif et nullement limitatifs :
- la figure 1, déjà décrite, représente schématiquement une liaison au sol d'un véhicule et différentes localisations de capteurs ;
- la figure 2 illustre schématiquement un dispositif selon l'invention ;
- les figures 3A, 3B et 3C montrent le principe de détection d'un signal modulé en fréquence sur un flanc de résonance avec conversion en signal modulé en amplitude, respectivement quand les fréquences porteuse et de résonance sont distinctes [figures 3A et 3B] ou confondues [figure 3C] ; et
- les figures 4 sont des comparaisons, respectivement en amplitude à deux fois la fréquence de modulation Ω (figure 4A), en amplitude à la fréquence de modulation Ω (figure 4B) et en phase à la fréquence de modulation Ω (figure 4C) du signal basse fréquence obtenu après filtrage basse fréquence (BF) (fc = 2.5 *Ω par exemple) de la réponse du capteur.
EXPOSE DÉTAILLE DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
[0031] L'interrogation à distance de capteurs passifs pour mesurer les paramètres physiques utilise classiquement les ondes radio fréquence RF. Ces ondes sont réglementées et seules des bandes restreintes, dites ISM, sont légalement utilisables, toute émission hors des bandes étant prohibée. Classiquement, les résonateurs choisis pour l'invention ont une fréquence propre de résonance Fo se situant dans la bande ISM des
433 MHz ; il faut cependant comprendre que l'invention peut tout aussi bien être appliquée dans une autre bande ISM, par exemple si la détection est effectuée sur une harmonique de rang supérieur (comme avec les résonateurs hybrides décrits dans le document FR 05 52396), une simple adaptation étant immédiate pour l'homme du métier.
[0032] La bande ISM préférée est centrée sur 433,92 MHz, de largeur ISMBW 1,74 MHz ; il est possible d'y émettre des ondes radio de puissance Perp (« Effective Radiated Power ») de 10 dBm (10 mW) avec un rapport cyclique ou « duty cycle » PISM de 10 % ; hors de cette bande, à moins de 5 MHz de ses bornes, les niveaux d'émission radio tolérés sont inférieurs à -36 dBm en Europe. Pour éviter tout dépassement, la bande utile B considérée pour les capteurs selon l'invention est de largeur BW < ISMBW, c'est-à- dire une bande B de capteur qui réserve une bande de garde G répartie, de préférence équitablement, de part et d'autre de la bande ISM ciblée.
[0033] En particulier, une bande utile B de largeur BW = 1240 kHz (avec G = 500 kHz), centrée sur 433,92 MHz peut être envisagée dans le mode préféré de réalisation de l'invention.
[0034] Dans le cadre de l'invention, des paramètres sont de préférence mesurés par la différence relative entre des fréquences de résonance ; à cette fin, un nombre de résonateurs égal au nombre de paramètres augmenté d'une unité est nécessaire, chacune des fréquences de résonance se situant dans la bande utile B considérée pour toute la gamme de valeurs prévues du paramètre. Bien que la description qui suit soit développée pour la mesure d'un seul paramètre, en l'occurrence la température, avec donc un capteur muni de deux résonateurs dont la fréquence propre fluctue au sein de la bande B [433,3-434,54 MHz] sur la gamme de températures envisagée, le procédé et le dispositif selon l'invention s'appliquent de façon immédiate à la mesure de plusieurs paramètres, par exemple de la température et de la pression d'un pneumatique avec trois résonateurs.
[0035] Dans le mode de réalisation préféré, un capteur utilisé selon l'invention est tel que les deux fréquences de résonance Fi et F2 sont séparées de ΔF, ΔF variant entre 400 et 1100 kHz pour une température variant de -40 à 2000C.
[0036] Le capteur 10 utilisé pour la mesure selon l'invention comprend ainsi deux résonateurs électriquement connectés en parallèle, de types SAW ou BAW ou hybrides, munis d'au moins une antenne pour l'émission et la réception RF. Tel qu'illustré en figure 2, le capteur 10 est, dans le mode de réalisation préféré, placé dans la bande de roulement d'un pneumatique 2, mais il peut être localisé sur un élément de la liaison au sol 1 du véhicule, notamment tournant, ou au niveau de tout élément pour lequel la mesure est souhaitée. Le capteur 10 est excité par une onde RF depuis un système d'émission 12 par l'intermédiaire d'une antenne 16 ; le signal de réponse du capteur est récupéré également au niveau de l'antenne 16, placée typiquement à une distance de l'ordre de 10 cm du capteur 10, par exemple sur le châssis 4 dans le passage de roue. Un circulateur 22 permet d'isoler la réponse du capteur du signal d'interrogation et de l'envoyer sur un système de réception 18 qui permet entre autres de conditionner et traiter le signal de réponse du capteur afin de déterminer le paramètre. De fait, il est avantageux, tel que précisé plus loin, qu'un lecteur 20 associé au capteur 10 comprenne les deux systèmes de réception 18 et d'émission 12 ainsi que l'antenne 16 en une entité, par exemple solidarisée au châssis 4 d'un véhicule, sur une partie fixe. Le lecteur 20 peut aussi comprendre un afficheur 24.
[0037] Le principe d'interrogation selon l'invention repose sur l'utilisation des modulations de fréquences pour interroger le capteur, et sur l'analyse des contributions spectrales (en amplitude et en phase) dans le signal de réponse du capteur en modulation d'amplitude, qui avaient été ignorées jusqu'à présent. [0038] La figure 3A illustre une conversion d'un signal modulé en fréquence de porteuse fo en un signal modulé en amplitude par un résonateur du capteur dont la fréquence propre de résonance est Fi.
[0039] La partie (a) de cette figure présente l'amplitude de l'onde de réponse du résonateur lorsqu'il est excité par une émission RF en fonction de la fréquence fo de l'émission RF excitatrice. Ici, fo est supérieure à F1. fo et Fi ont des valeurs comprises dans la bande ISM des 433 MHz, comme précédemment indiqué.
[0040] L'émission RF /o est modulé en fréquence, avec une modulation Ω comme l'illustre le graphe (b) disposé sous (a). L'amplitude de modulation de fréquence Ω est de l'ordre du kHz.
[0041] Le graphe (c) de la figure 3 A illustre la forme du signal de réponse du capteur lorsqu'il est excité par une émission RF de fréquence fo supérieure à F1. Le signal de réponse du capteur est modulé en amplitude avec une fréquence de modulation de Ω.
[0042] Plus généralement, si /0 ± Ω < F1 (figure 3B) ou /0 ± Ω > F1 (figure 3A), alors le spectre du signal de réponse du résonateur du capteur modulé en amplitude présente majoritairement une composante en Ω. Par ailleurs, la phase de la composante en Ω si /0 ± Ω < F1 est opposée de 180° à la phase de la composante en Ω si /0 ± Ω > F1 .
[0043] On constate, sur la figure 3Ç, que si les fréquences fo de porteuse et Fi de résonance se superposent, alors le spectre du signal modulé en amplitude ne présente plus majoritairement de composante en Ω mais en 2Ω.
[0044] Les figures 4A, 4B et 4C présentent des résultats de mesure qui confirment ces résultats.
[0045] En particulier, on utilise dans un système de mesure adapté à l'invention un capteur SAW à deux résonances dont le coefficient de qualité Q chargé est 2000, ses deux fréquences propres de résonance étant comprises entre 433.3 MHz et 434.54 MHz. [0046] Pour déterminer les fréquences de résonance de ce capteur, on utilise un signal d'excitation de porteuse fo, 433,3 < fo < 434,54 MHz, avec une fréquence de modulation de fréquence Ω = 1 kHz et un indice de modulation m de quelques unités, typiquement inférieur à 10.
[0047] La figure 4 A présente l'évolution de l'amplitude de la composante à la fréquence Ω de l'onde de réponse du capteur en fonction de la fréquence porteuse fo de l'onde excitatrice. Cette figure montre que cette contribution à Ω passe par un minimum entre deux maximums.
[0048] Lors d'une parfaite coïncidence entre la fréquence porteuse fo et les fréquences de résonance Fi et F2 de chaque résonateur du capteur, la contribution spectrale du signal de réponse du capteur est maximale à 2Ω comme le montre la figure 4B.
[0049] La figure 4C confirme que la phase de l'onde de réponse du capteur à la fréquence de modulation Ω, plus précisément le déphasage entre la composante à Ω et la source de modulation, passe par zéro lorsque la fréquence de la porteuse correspond à la fréquence de résonance du résonateur SAW.
[0050] Un système de détection d'un paramètre peut donc reposer sur le principe décrit ci-dessus. En particulier, un mode de réalisation d'un dispositif adapté à la présente invention est schématisé en figure 2 dans lequel un capteur SAW 10 comprend un résonateur dont on cherche à déterminer la fréquence de résonance Fi dans les conditions d'utilisation.
[0051] Une fois la fréquence de résonance Fi identifiée, il est possible de la rapprocher d'un paramètre auquel le résonateur 10 est sensible. Par exemple, le système selon l'invention comprend des moyens pour dériver la valeur du paramètre, comme la température, de la valeur de la fréquence de résonance à partir de tables ou de calibrations.
[0052] Bien que la précision de la détection de la fréquence rende cette conversion directe possible, il peut être préféré d'utiliser la mesure de la différence entre deux fréquences de résonance tel que décrit plus haut en relation avec l'état de la technique. Dans ce cas, le capteur comprend un nombre de résonateurs égal au nombre de paramètres augmenté de une unité ; en particulier, pour la mesure d'un seul paramètre, en l'occurrence la température, le capteur est muni de deux résonateurs électriquement connectés en parallèle et munis d'au moins une antenne pour l'émission et la réception RF, de types SAW ou BAW ou hybrides, dont la fréquence propre fluctue au sein de la bande ISM considérée [433,3-434,54 MHz] sur la gamme de températures envisagée.
[0053] La détection selon l'invention est effectuée pour chacun des deux résonateurs, puis la différence est mesurée par des moyens appropriés, et le paramètre en est dérivé.
[0054] Par ailleurs, il est envisageable d'asservir un système selon l'invention à contre-réaction en déterminant objectivement la valeur de fréquence fo pour laquelle la phase de la contribution à Ω s'annule. Cette possibilité de verrouillage en phase est un autre avantage du principe selon l'invention.
[0055] II est ainsi possible d'interroger à distance un capteur passif de type résonateur SAW, BAW ou hybride à l'aide d'un signal modulé en fréquence et de déterminer d'une façon originale la fréquence de résonance d'un capteur comprenant un résonateur. Cette détermination est effectuée grâce à une conversion de la modulation de fréquence en modulation d'amplitude, opération bien connue dans le monde de l'ingénierie radioélectrique. Selon la position de la fréquence porteuse d'excitation, on récupère un signal à la fréquence de modulation ou à deux fois cette fréquence, lorsque porteuse et résonance du capteur coïncident ; dans cette dernière situation, la contribution spectrale à la fréquence de modulation disparaît et la contribution spectrale à deux fois la fréquence de modulation est maximale. Pour lever toute ambiguïté sur les sens de variation de la fréquence de résonance et de la porteuse, l'analyse de la phase de la contribution à la fréquence de modulation dans la modulation d'amplitude peut être en outre effectuée : cette phase change de signe selon que l'on interroge avec une porteuse de fréquence plus grande ou plus faible que la résonance du capteur. [0056] L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés et diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre défini par les revendications annexées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé pour mesurer la fréquence de résonance (Fo) d'un résonateur faisant partie d'un capteur (10) comprenant les étapes suivantes :
- émettre successivement vers le capteur (10) des signaux radio fréquences de fréquences porteuses connues (J) et modulés en fréquence (Ω), lesdits signaux radio fréquences balayant une bande de fréquence (B) incluant la fréquence de résonance (F0) ;
- recevoir par un système de réception (20) les ondes de réponse du capteur (10) ;
- effectuer une analyse spectrale des ondes de réponse du capteur (10) ; et
- déterminer la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse (J) quand le spectre de l'onde de réponse du capteur satisfait une relation donnée dans une gamme de fréquences inférieure à 2,5 fois la fréquence de modulation du signal émis.
2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on détermine la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse (J) quand la contribution à deux fois la fréquence (2Ω) de modulation du signal émis est maximale dans le spectre de l'onde de réponse du capteur.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel on détermine la fréquence de résonance comme étant égale à la fréquence de la porteuse (J) quand la contribution à la fréquence (Ω) de modulation du signal émis passe par un minimum disposé entre deux maximum dans le spectre de l'onde de réponse du capteur.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel on détermine la fréquence de résonance comme étant disposée entre deux fréquences de porteuses (Ji, /î) quand le déphasage entre l'onde de réponse du capteur et la source de modulation est négatif pour la première fréquence (Ji) et positif pour la seconde (J2), la seconde fréquence ayant une valeur supérieure à la première.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'émission d'une succession de fréquences est asservie en fréquence en fonction du résultat de la détermination.
6. Procédé de mesure d'un paramètre comprenant la détermination de la fréquence selon l'une des revendications 1 à 5 et la conversion de cette fréquence en paramètre.
7. Procédé de mesure d'un paramètre par détermination de la différence entre deux fréquences de résonance d'un capteur variant de façon différente selon le paramètre, comprenant la détermination de chacune des fréquences par un procédé selon l'une des revendications 1 à 5, la mesure de la différence entre les fréquences déterminées et la conversion de la différence mesurée en valeur du paramètre.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la fréquence de résonance des deux résonateurs fluctue en fonction de la température dans une bande de fréquence balayée incluse dans la bande ISM des 433 MHz.
9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le capteur (10) est animé d'un mouvement de rotation par rapport aux systèmes d'émission et de réception (20).
10. Dispositif de mesure d'un paramètre comprenant un capteur (10) muni d'au moins un résonateur et un lecteur (20) comprenant : - un dispositif (12) d'émission RF apte à émettre un signal modulé en fréquence,
- un dispositif de réception (18) d'une onde RF modulée en amplitude, et comportant des moyens pour analyser la modulation du signal reçu dans une gamme de fréquences inférieure à 2,5 fois la fréquence de modulation du signal émis.
11. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel le capteur (10) comprend deux résonateurs dont la fréquence de résonance varie différemment en fonction du paramètre.
12. Dispositif selon la revendication 11, comprenant des moyens pour convertir la différence entre deux fréquences de résonance en une mesure du paramètre.
13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, dans lequel le dispositif d'émission (12) est apte à émettre une fréquence évoluant de façon contrôlée entre une première et une deuxième fréquence et comprenant un circulateur (22).
14. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 13, dans lequel le capteur (10) et son antenne associée sont rotatifs par rapport au lecteur (20).
15. Liaison au sol d'un véhicule comprenant un dispositif selon l'une des revendications 10 à 14.
16. Liaison au sol d'un véhicule selon la revendication 15, dans lequel le capteur (10) est directement associé à un élément tournant, notamment un pneumatique (2).
17. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 6 à 9 ou du dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, pour mesurer la température dans un pneumatique (2).
18. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 6 à 9 ou du dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, pour mesurer la pression et la température du fluide de gonflage d'un pneumatique.
19. Utilisation du procédé selon l'une des revendications 6 à 9 ou du dispositif selon l'une des revendications 10 à 14, pour mesurer la température du corps d'un mammifère vivant.
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