Le document présente la réalisation d'une chaîne de conditionnement pour un réseau de capteurs sans fil, axée sur l'interface électronique permettant de faire communiquer des capteurs piézoélectriques avec un convertisseur analogique-numérique. Il détaille les processus de modélisation, de simulation, de prototypage et les résultats obtenus, illustrés par des graphiques de réponse en fréquence et de signaux. Les conclusions soulignent l'importance de la recherche sur les transducteurs piézoélectriques et la conception de circuits électroniques compacts et efficaces.

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. Planication de la présentation
1 Contexte
2 Transducteur piézoélectrique
3 Chaîne de conditionnement
4 Résultats
5 Conclusions et perspectives
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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.
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4. Rail d'essai à l'IEMN
Figure: Rail sur lequel les essais seront réalisés.
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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.
...
:-)
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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)
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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)
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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)
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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.
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15. Planication de la présentation
1 Contexte
2 Transducteur piézoélectrique
3 Chaîne de conditionnement
4 Résultats
Réponse fréquencielle
Réponse temporelle
5 Conclusions et perspectives
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16. Le montage
Figure: Montage dans lequel la prototypage et les essais ont été réalisés.
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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.
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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.
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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.
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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.
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21. Planication de la présentation
1 Contexte
2 Transducteur piézoélectrique
3 Chaîne de conditionnement
4 Résultats
5 Conclusions et perspectives
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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.
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