Presentation_Roni

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Presentation_Roni

  1. 1. RÉALISATION D'UNE CHAÎNE DE CONDITIONNEMENT POUR UN RÉSEAU DE CAPTEURS SANS FIL EMBARQUÉ Roní GILBERTO GONÇALVES Tuteur académique : Farouk BENMEDDOUR Tuteur industriel : Emmanuel MOULIN IEMN, Département OAE, CNRS UMR 8520, Université de Valenciennes et du Hainaut-Cambrésis, Le Mont Houy 59313 Valenciennes Cedex 9, France Valenciennes: 11 juillet 2013
  2. 2. Planication de la présentation 1 Contexte 2 Transducteur piézoélectrique 3 Chaîne de conditionnement 4 Résultats 5 Conclusions et perspectives 1/17
  3. 3. Contexte Stage Programme d'échange BRAFITEC BRAsil France Ingénieurs TEChnologie : réalisation d'un stage de 3`eme année de l'ENSIAME. IEMNDOAE Projet transversal : Besoin d'un démonstrateur au sein du Département OAE pour une application de Contrôle Santé Integré des rails Chaîne de conditionnement Pour l'instant l'Institut ne possède pas de dispositifs portables. Ce qui est très avantageux pour les applications du Contrôle Santé Integré. 1/17
  4. 4. Rail d'essai à l'IEMN Figure: Rail sur lequel les essais seront réalisés. 2/17
  5. 5. Objectif Réalisation d'une interface électronique. Faire communiquer des capteurs piézoélectriques avec un convertisseur analogique-numérique CAN. La tension en entrée du CAN doit être entre 0V et 3,3V. ... :-) 3/17
  6. 6. Qu'est-ce que c'est un transducteur piézoélectrique ? Figure: Les deux senses de conversion sont possibles et utilisés en fonction de l'application. 4/17
  7. 7. Modélisation des capteurs piézoélectriques Modèle Butterworth-Van Dyke (BVD) : Changement de paradigme ; modélisation des systèmes électromécaniques par moyen que des élements électriques, dans ce cas là un circuit résonant RLC. Modèle de Mason : Développement d'un modèle, qui porte son nom, avec deux portes acoustiques et une porte électrique. Modèle de Krimholtz-Leedom-Matthae (KLM) : Alternative au modèle de Mason avec ses avantages et inconvenients. Adaptation par Redwood et Lamb : Ajout d'une ligne de transmission au lieu des impedances dépendantes de la fréquence a permit la simulation du modèle de Mason dans les logiciels de l'époque. 5/17
  8. 8. Modèle proposé par Redwood Z0 A vD u1 u2 F1 F2 + −VS1 + −hC0V (I1) I1 hC0I(VS1) −C0 R C0 Ve Figure: Modèle adapté par Redwood pour rendre possible de simuler le modèle de Mason dans les logiciels de simulation des circuits. Ce modèle a été utilisé et etudié par Redwood, Leach et Püttmer. 6/17
  9. 9. Simulation sur LTSpice -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Voltage(millivolt) Time (µs) Figure: Résultat donné par LTSpice de la simulation d'un système émetteur-capteur piézoélectrique. 7/17
  10. 10. Planication de la présentation 1 Contexte 2 Transducteur piézoélectrique 3 Chaîne de conditionnement Amplicateur de charge Filtre passe-haut Oset et atténuation Limiteur de tension 4 Résultats 5 Conclusions et perspectives 7/17
  11. 11. L'amplicateur de charge Amplication de la capacité d'entrée du circuit grâce à l'eet Miller. C'est aussi un ltre passe-bas. Rf Cf − + Vin Vout Figure: Circuit d'un amplicateur de charge simple Comme la tension et la charge des condensateurs sont directement proportionelles, la tension en sortie est ampliée par un facteur de : Av = 1 Cf . (1) 8/17
  12. 12. Filtre passe-haut du premier ordre Filtrer les basses fréquences. − + C Vin R Vout R1 R2 Figure: Filtre passe-haut du premier ordre avec une réponse du type Butterworth Le gain en tension est donné par : Av = R2 R1 + 1. (2) Tandis que la fréquence de coupure inférieure est égale à : fcuto = 1 2πRC . (3) 9/17
  13. 13. L'oset et l'atténuation Permet d'atténuer (ou d'augmenter) l'amplitude du signal d'entrée. L'ajout d'une composante continue au signal, c'est-à-dire, l'oset. − + R1 Vin Rf R2 Voffset Vout Figure: Circuit sommateur utilisé pour ajouter une valeur d'oset au signal et, en plus, pour permettre d'atténuer le signal si nécessaire. Où la tension de sortie vaut : Vout = −Rf Vin R1 + Voset R2 . (4) 10/17
  14. 14. Circuit limiteur de tension Coupe les tensions au-dessous de 0V. Coupe les tensions au-dessus de 3,3V. R2 Vz − + − + R1 Vin R3 C R4 R5 Vout Figure: Circuit de protection nécessaire pour éviter les valeurs en dehors de la plage du CAN. 11/17
  15. 15. Planication de la présentation 1 Contexte 2 Transducteur piézoélectrique 3 Chaîne de conditionnement 4 Résultats Réponse fréquencielle Réponse temporelle 5 Conclusions et perspectives 11/17
  16. 16. Le montage Figure: Montage dans lequel la prototypage et les essais ont été réalisés. 12/17
  17. 17. Réponse des quatres étages -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 100 101 102 103 104 105 106 107 Gain(dB) Frequency (Hz) -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 100 101 102 103 104 105 106 107 Gain(dB) Frequency (Hz) -25 -20 -15 -10 -5 0 100 101 102 103 104 105 106 107 Gain(dB) Frequency (Hz) -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 100 101 102 103 104 105 106 107 Gain(dB) Frequency (Hz) Figure: Réponse en fréquence des quatre étages qui constituent l'interface électronique. Au coin supérieur à gauche : l'amplicateur de charge; au coin supérieur à droite : le ltre passe-haut; au coin inférieur à gauche : l'oset ; au coin inférieur à droite : le limiteur de tension. 13/17
  18. 18. Diagramme de Bode de l'ensemble -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 100 101 102 103 104 105 106 107 Gain(dB) Frequency (Hz) Figure: Réponse en fréquence des quatre étages ensemble. 14/17
  19. 19. Sorties de chaque étage -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Voltage(volt) Time (s) -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Voltage(volt) Time (s) -1.4 -1.3 -1.2 -1.1 -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Voltage(volt) Time (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Voltage(volt) Time (s) Figure: Signaux de sortie de chaque étage : l'amplicateur de charge, puis le ltre passe-haut. En bas, l'oset et le limiteur de tension. 15/17
  20. 20. Comparaison entre le signal d'entrée et de sortie -15 -10 -5 0 5 10 15 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Voltage(millivolt) Time (s) 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 Voltage(volt) Time (s) Figure: Signal d'entrée fourni par le capteur piézoélectrique et signal de sortie fourni par le circuit de conditionnement. 16/17
  21. 21. Planication de la présentation 1 Contexte 2 Transducteur piézoélectrique 3 Chaîne de conditionnement 4 Résultats 5 Conclusions et perspectives 16/17
  22. 22. Conclusions et perspectives Étude bibliographique sur les transducteurs piézoélectriques. Simulation d'un transducteur piézoélectrique. Simulation de chaque étage de la chaîne de conditionnement. Prototypage de chaque étage. Comparaison entre ce qui a été simulé et la réalité. Conception et réalisation d'une interface électronique. Réalisation des cartes électroniques. Utilisation des amplis ops rail-to-rail ou, alors, des amplis d'instrumentation ainsi que des élements de circuits plus précis. Diminuition de la taille de la carte ainsi que de la consommation d'énergie en utilisant des composants CMS au lieu des through-hole. Merci de votre attention. 17/17

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