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Capteurs et hyperfréquences @ MF/LabSTICCS. Rioual, rioual@univ-brest.fr
From sensors to knowledge : Communicate and decide
Demi-journée de réflexion sur les méthodologies et l' instrumentation sismique, acoustique électrique , magnétisme et
gravimétrique
Functional materials and sensors @ LabSTICC
Objectives:Elaboration of materialsPhysical & Chemical characterisationElectric, magnetic, dielectric, electromagnetic characterisationIntegration of sensitive materials in sensorsRealization of sensors
Equipments:PVD, Chemical methodsX-Ray Photoelectron spectrocopyX-Ray DiffractionMicroscopies (SEM, AFM, TEM,..)Magnetometer (VSM)Electrical characterisationNetwork analysers (RF) ,.. Photolithography (Heidelberg Inst.)
XPS apparatus PVD chambers
Interdigits
Hydrogels Nanogranular thinfilms
Ferromagneticnanowire
Capteur RFID (RH/T)
Architecture basée sur une puce RFID communicante @ 868 MHz
o Récupération de l’énergie : ID + capteur
o Communication SPI
o Distance de lecture : 5 mètres
o 40 €
o Lecteur RFID conventionnel (protocole Gen2)
Capteurs autonomes basés sur la technologie RFID
Réalisation de capteurs compatibles avec cette technologie (contrainte, corrosion,…) Antennes spécifiques aux applications
S2 S1
1 cm 2 cm
Le multirésonateur
Résonateur sensible à la pénétration de l’eau dans le mortier
Application of fully passive wireless sensors to the monitoring of reinforced concrete structure degradationR Khalifeh, F. Gallée, B. Lescop, P. Talbot, and S. Rioual,S. Proceedings of the 9th European Workshop on Structural Health Monitoring(EWSHM 2018), July 10-13, 2018 in Manchester, UK
Intégration dans un bloc de mortier
S2 S1
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Décalage en fréquence : ↗ ε’r
Paramètre de transmissionS12 avec la pénétration del’eau dans le mortier
S2 S1
S1
S2
≠ profondeursVariation plus rapide pour S2
Variation fréquentielle avecla pénétration de l’eau
Port 2Port 1
Caractérisation de la densité des sédimentspar une méthode RF
Fourche du pénétromètre Principe : transmission d’une onde RF entre 2 antennes
Antenne Patch
Paramètre de réflexion de l’antenne (dans un milieu de permittivité diélectrique ε’ )
ρ=f(ε’)
Variation de la densité en fonction de ε’
Functional materials and sensors @ LabSTICC
Application de capteurs autonomes au suivi des infrastructures en béton en milieu marin
S. Rioual, B. Lescop, F. Gallée, et P. Talbot
From sensors to knowledge : Communicate and decide
Blue Day Pole Mer Bretagne AtlantiqueMercredi 14 Novembre 2018
Maintenance des infrastructures / instrumentation / suivi en service / durée de vie et prolongation / nouvelles agressions
Equipe matériaux fonctionnels et capteurs @ LabSTICC
CACS: Communication, hardware, et logiciels
CID: Information et décision
MOM: Microonde, optoélectronique, et matériaux- Propagation des ondes RF- Elaboration et caractérisation de
matériaux
From sensors to knowledgeCommunicate and decide
300 permanents200 thésards/post-doc
Développement de capteurs
3 pôles
Contexte
Structures en béton Corrosion de l’acier
Opérations d’inspection et
de maintenance
€
Conditions de fonctionnement en milieu marin
o Environnements agressifs (chlorures)o Contraintes mécaniques
Ports
EMR
Ponts
1. Méthodes destructives: prélèvements et essais en laboratoireTests mécaniquesProfil en chloruresAnalyse physico-chimique et microscopique (MEB)
2. Méthodes non destructivesVisuelleMesure de potentiel (demi-pile)Résistance électrique (surface ou interne) UltrasonsRADAR
3. Intégration de capteurs sans fil (ou fibres optiques) dans la structurePotentiel électrochimique, résistance de polarisation, résistance électrique, chlorure, pH, température, humidité, contraintes mécaniques,…
Capteur de température et de résistance mécanique
Contexte : inspection des structures
Elément sensible Numérisation /Transmission des données
Architecture conventionnelle des capteurs sans fil
o ElectrodesEx: mesures de la résistivité électrique, mesures électrochimiques, impédances,…
o Matériaux fonctionnels Ex: matériaux piézorésistif pour les jauges de contraintes Consommation en énergie, distance
de lecture, fréquence, …
o Protocole de transmission
Capteur sans fil
Batterieo Durée de vie limitée / remplacement impossibleo Utilisation en environnement sévère (Température, poussière,…)o Augmente les dimensions
Couto Multiplication du nombre de capteurs pour “couvrir” la structure
Objectifs: Développement de capteurs autonomes (sans batterie) avec unprix réduit
Facteurs limitant:
Architecture conventionnelle des capteurs sans fil
Exemple : Capteur de corrosion (LUNA Inc.)
o Capteur de corrosion cumulatif (variation de la résistance électrique), RH, T
o Protocole Zigbeeo Durée de vie de la batterie : 3 anso 4500 €
Application à l’inspection des structures
Interrogation de capteurs autonomes par des drones marins
Capteurs autonomes intégrés dans la structure (5/10 cm de profondeur)
Quelques mètres
Objectif de la thèse de K. Bouzaffour (début en Octobre 2018)
Programme Régional SAMM "Systèmes Autonomes en Milieu Maritime"
Drones marins de surface
Verrous technologiques à lever :
- Réalisation de capteurs autonomes pour le suivi de la corrosion / pénétration des chlorures dans le béton
Différentes architectures de capteurs autonomes : RFID et RFID chipless
- Communication entre le lecteur embarqué sur le drone et les capteursAntennes spécifiques (lecteur et dans le béton); communication
Application à l’inspection des structures
Démonstrateur en fin de thèse (tests en environnement significatif)Niveau TRL 5/6
Très bas cout, passive, compact….
Technologie d’identification ≠ Capteur
Capteurs autonomes basés sur la technologie RFID
Technologie RFID
R.Suwalak et al. Progress In Electromagnetics Research, vol.130, pp.601–617, 2012
Exemple 1: Détection de la pénétration de l’eau dans du béton
Technologie RFID & capteurs : variation des propriétés de l’antenne
Augmentation de la permittivité diélectrique du matériauModification des propriétés de l’antenneVariation de l’amplitude du signal retourné au lecteur
Exemple 2: « Detection of Reinforced Metal in Light Weight Concrete Structures using an RFID Sensor System » , Suwalak 2014
Influence de la dimension des tiges d’acier sur les propriétés de l’antenne
Capteurs autonomes basés sur la technologie RFID
Technologie RFID & capteurs : variation des propriétés de l’antenne
Etiquette RFID sur un bloc de béton arméEtiquette RFID
Capteur RFID (RH/T)
Puce RFID communicante @ 868 MHz
o Récupération de l’énergie : ID + capteur
o Communication SPI
o Distance de lecture : 5 mètres
o 40 €
o Lecteur RFID conventionnel (protocole Gen2)
Lecteur RFID Antenne RFID PC et logiciels
Capteurs autonomes basés sur la technologie RFID
Inconvénients des capteurs RFID
o Basse fréquence: dimensions importanteso Puce : plage en température limitéeo Durée de vie inconnue
Vers une technologie sans puce (chipless)
Exemple d’une architecture RFID chipless
Preradovic and Karmakar, Monash University Australia « Fully printable chipless RFID tag » 2011
La technologie RFID Chipless
Développement de capteurssuivant une technologie «chipless »
Etiquette RFID
Résonateurs radiofrequences sensibles
- Perte de métal (corrosion)- Pénétration de l’eau dans les matériaux- Mesure du potentiel de corrosion
Etiquette / capteurLecteur
Résonateur sensible à la corrosion des métaux
Fils de zinc(épaisseur: 2 µm)
Corrosion du zinc : o Variation du champ électromagnétique dans le résonateuro Décalage de fréquence
Résonateur sensible à la perte de zinc métallique
CorrosionAvant corrosion
Vitesse de corrosion des métaux (zinc)
Port 1
Port 2
Référence : A Microwave sensor for zinc corrosion detectionJ. Ramal, F. Salameh, O. Tantot, N. Delhote, S. Verdeyme, S. Rioual, F. Gallée, B. Lescop; J. Appl. Phys. 122, 114501 (2017).
Paramètre de transmission S12Le résonateur constitué de zinc
S2 S1
1 cm 2 cm
Le multirésonateur
Résonateur sensible à la pénétration de l’eau dans le mortier
Application of fully passive wireless sensors to the monitoring of reinforced concrete structure degradationR Khalifeh, F. Gallée, B. Lescop, P. Talbot, and S. Rioual,S. Proceedings of the 9th European Workshop on Structural Health Monitoring(EWSHM 2018), July 10-13, 2018 in Manchester, UK
Intégration dans un bloc de mortier
S2 S1
���� ��
4� ����
Décalage en fréquence : ↗ ε’r
Paramètre de transmissionS12 avec la pénétration del’eau dans le mortier
S2 S1
S1
S2
≠ profondeursVariation plus rapide pour S2
Variation fréquentielle avecla pénétration de l’eau
Port 2Port 1
Résonateur sensible au potentiel de corrosion
Development of wireless and passive corrosion sensors for material degradation monitoring in coastal zones and immersed environmentRania Khalifeh, Maria Yasri, Benoit Lescop, François Gallée, Erwan Diler, Dominique Thierry, Stéphane RioualIEEE J. Ocean. Eng. 99, 776-782 (2016)
D: diode varicap(capacité variable)
Mesure du potentiel Ecorr
Le résonateur
référence: Hg/Hg2Cl2
Paramètre de transmissionS12 associé à la passivation
Décalage fréquentiel référence: zinc
Passivation de l'acier 316L dans l'eau de mer
Conclusion
Projet : réalisation de capteurs autonomes intégrables pour le suivi de la corrosion de l’acier et interrogeables par des drones marins
Différentes architectures de capteurs (sans batterie, sans fil)
Sensibilité des capteurs à la perte de masse en acier et à la détection des chloruresDéveloppement d’antennes spécifiques pour cette application
Contexte plus général des capteurs autonomesProjet européen H2020: SensMAT (capteurs autonomes de corrosion)Collaboration avec l’IFSTTAR (L. Gaillet) : corrosion sous peinture / contraintes mécaniquesAutres applications: mesures environnementales (pollution), caractérisation des sédiments marins,…
Prototype en fin de thèse (2021)
Merci pour votre attention
Remerciements:
o The European Union through the European Regional Development Fund (ERDF) / H2020o ANRT (financement CIFRE)o La Région Bretagneo Le Conseil général du Finistèreo Brest Métropole Océane
From sensors to knowledge : Communicate and decide
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