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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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

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