WO2020049068A1 - Fine detection of deformations in a material to be monitored - Google Patents

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WO2020049068A1
WO2020049068A1 PCT/EP2019/073627 EP2019073627W WO2020049068A1 WO 2020049068 A1 WO2020049068 A1 WO 2020049068A1 EP 2019073627 W EP2019073627 W EP 2019073627W WO 2020049068 A1 WO2020049068 A1 WO 2020049068A1
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processing unit
elastic
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Vincent Placet
Jean-Michel Friedt
Thomas Baron
Emmanuel Ramasso
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Universite De Franche Comte
Ecole Nationale Superieure De Mecanique Et Des Microtechniques
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Definitions

  • the present invention relates to the detection of deformations in a material to be monitored, in particular a material in service and capable of being stressed so as to undergo stresses deforming and / or damaging the material.
  • the material can for example be a composite (in particular based on glass fibers, carbon, vegetable or other) used in the ground or air transport and requiring, in service, a fine and especially rapid surveillance to detect if the deformations or stresses undergone by the material go beyond a tolerance threshold for example, which can then cause a local rupture of the material or the ruin of the structure.
  • a composite in particular based on glass fibers, carbon, vegetable or other
  • the systems currently proposed for monitoring materials used in such applications require an electrical supply to the sensor and / or do not provide ultra-rapid detection of deformations or transient distortions. Furthermore, a sensor technique may be desired which could allow a characterization of deformation, beyond a simple detection of deformation.
  • the present invention improves the situation by overcoming all or part of the above drawbacks.
  • a device for monitoring the structural state of a material subject to deformation comprising:
  • At least one passive sensor comprising a piezoelectric substrate in contact with the material to be monitored
  • a processing unit connected to the piezoelectric substrate and repeatedly injecting a probe signal into the substrate to be converted into an elastic probe wave propagating in or on the piezoelectric substrate of the sensor, the piezoelectric substrate further converting an elastic measurement wave resulting from the propagation of the elastic probe wave in or on the substrate, into a measurement signal intended for the processing unit.
  • processing unit :
  • deformation of the material to be monitored is understood below to mean both a deformation linked to a local stress of the material (tension or pressure) and damage to the material (for example a fracture, a matrix cracking, a fiber decohesion). / matrix, delamination, fiber breakage or other).
  • phase shift can be explained as follows.
  • a “deformation” in the material to be monitored creates a stress field which also deforms, at least temporarily, the piezoelectric substrate with which the material is in contact.
  • the elastic measurement wave then has a delay (positive or negative) depending on the stress field which the substrate undergoes, by stress transfer, in the event of a deformation event of the material to be monitored.
  • the term “passive sensor” means that it requires no power supply or any other internal source of energy to operate.
  • the sensor may include an antenna for receiving the probe signal in the form of an electromagnetic wave.
  • piezoelectric substrate in contact with the material means an intimate contact between two, being for example joined to one another by an adhesive preferably rigid, or even by being encapsulated in the volume of the material to be monitored.
  • the piezoelectric substrate can be shaped to be joined, with a surface contact, to the material to be monitored.
  • the aforementioned elastic wave can be an elastic surface wave (or SAW for "Surface Acoustic Wave”) propagating on the piezoelectric substrate of the sensor.
  • the piezoelectric substrate may include one or more periodic electrodes deposited on the piezoelectric substrate, the propagation of the surface elastic wave comprising a reflection of the surface elastic wave on an electrode, and the expected phase shift being representative a travel time of the elastic wave following a go to an electrode and a return.
  • the processing unit can also be arranged to detect a deformation causing said transient acoustic wave.
  • the frequency of the transient wave can be between 10 kHz and 1 MHz, and the processing unit can then characterize the deformation causing the transient wave by observing the measurement signal.
  • the processing unit comprises a first antenna arranged to transmit a probe electromagnetic wave as a probe signal and to receive an electromagnetic measurement wave as a measurement signal
  • the sensor comprises a second antenna arranged to cooperate with the first antenna and receive the electromagnetic probe wave that the piezoelectric substrate converts into said elastic probe wave, and emit the electromagnetic measurement wave resulting from the conversion of the elastic measurement wave from the material to be monitored.
  • the electromagnetic wave probe can be of frequency greater than 1 GHz.
  • the piezoelectric substrate can, for its part, be made of a material comprising lithium niobate and / or lithium tantalate.
  • the present invention also relates to a method for monitoring the structural state of a material subject to deformation, using a device according to the invention and comprising:
  • At least one passive sensor comprising a piezoelectric substrate in contact with the material to be monitored
  • a processing unit connected to the piezoelectric substrate and repeatedly injecting a probe signal into the substrate to be converted into an elastic probe wave propagating in or on the piezoelectric substrate of the sensor,
  • the piezoelectric substrate further converting an elastic measurement wave resulting from the propagation of the elastic probe wave in or on the substrate, into a measurement signal intended for the processing unit.
  • the method includes the steps executed by the processing unit:
  • a deformation in the material to be monitored creating a stress field which also deforms the piezoelectric substrate at least temporarily, the elastic measurement wave may have a delay (positive or negative) depending on the stress field which the stress undergoes, by stress transfer. substrate in the event of a deformation event of the material to be monitored.
  • the method may include a prior step of commissioning the material to be monitored, said commissioning being capable of requesting the material to be monitor by generating one or more local deformations, the processing unit being arranged to repeatedly and dynamically implement the stages of detection of unexpected phase shift.
  • the material to be monitored is typically a fiber-based composite.
  • the present invention also relates to a computer program comprising instructions for the implementation of the above method, when said instructions are executed by a processor of a processing unit.
  • a SAW sensor bonded to the material to be monitored for example a composite structure.
  • a loading a deformation
  • this damage generation or propagation
  • the passage of the acoustic wave under the SAW sensor causes a transient deformation of the SAW sensor, deformation which evolves during the time of passage of the acoustic wave under the sensor.
  • the processing unit emits electromagnetic waves which when received at the SAW sensor are converted by the piezoelectric substrate into incident elastic waves.
  • This incident elastic wave of SAW type, propagates on the surface of the piezoelectric substrate and is reflected on mirrors as will be seen below.
  • the piezoelectric substrate then reversibly converts the reflected elastic wave into an electromagnetic signal intended for the processing unit.
  • the delay between successive echoes returned by the elastic wave transducer makes it possible to identify a deformation of the sensor.
  • By interrogating the sensor with very short time intervals for example a microsecond
  • a bandwidth of 1 MS / s
  • the processing unit thus probes the response of the sensor by emitting a probe signal in the aforementioned substrate and observes its temporal response (echoes), according to a principle similar to short-range RADAR.
  • the principle of operation of the sensor aimed at a compact solution and mainly sensitive to a physical quantity which consists in the conversion of the incident electromagnetic wave into an elastic wave propagating on the surface of the piezoelectric substrate then plays the role of transducer.
  • the piezoelectric substrate also reversibly converts an elastic wave into an electromagnetic signal intended for the processing unit: the characterization of the RADAR section, and in particular of the delay between the successive echoes returned by the elastic wave transducer, makes it possible to go back to information about the sensor's environment, and in particular its deformation.
  • the elastic wave transducer is intimately fixed to the composite substrate to be analyzed, effectively transmitting any deformation or distortion of the composite material, for example by bonding or insertion of the sensor into the organic matrix during the manufacture of the composite.
  • the measurement of the static deformation can be supplemented by the measurement of the transient deformations of the composite induced by the creation or the propagation of a damage (fiber breakage, matrix cracking, delamination, etc.) in the composite: these emission signals acoustics induce the creation of a transient elastic wave which propagates in the composite and in the piezoelectric material, inducing a variation in the speed of the elastic wave at the surface of the piezoelectric substrate which is detected as a variation in the flight time of the backscattered echoes by the sensor when interrogated by short-range RADAR.
  • the processing unit is arranged to estimate the time of flight between backscattered echoes in the form of a measured phase shift between the measurement signal and the signal probe, compare this phase shift to an expected value, and then detect a deformation of the material to be monitored in the event of a difference between the measured phase shift and the expected value:
  • the originality of this approach consists in measuring with a sufficient bandwidth, up to 'at mega-samples / s, this phase in order to rapidly detect the transient deformations induced in the passive sensor by the passage of the acoustic wave associated with the acoustic emission in the composite.
  • the principle of design of the device consists in delaying the echoes beyond the clutter of the echoes induced by the environment of the RADAR at short range: in the proposed implementation, the first echo is delayed by 500 ns, beyond of the estimated passive target likely to induce clutter (distance of 75 m in the air) and the last echo of 1 m8 so as not to handicap the measurement bandwidth (1 Samples / s).
  • the material to be monitored induces a deformation and therefore stresses in the piezoelectric substrate inducing a variation in speed of l elastic wave and therefore a variable delay introduced by the delay line, detected as a phase shift measured by the processing unit.
  • a difference observed in this phase shift then means that the delay of the received wave (for the flight time in the “material-substrate” pair) is disturbed by a local modification of the speed of the elastic surface wave, this modification local resulting in the presence of a local stress field.
  • the propagation of the elastic surface wave comprises a reflection of the wave on mirrors produced by depositing electrodes on the piezoelectric substrate with a periodicity of half the wavelength (Bragg mirror)
  • the expected phase shift is then representative of a time for the outward and return journey of the wave to each of these mirrors.
  • an analog quantity can be measured in the form of the delay of the echoes, with a resolution determined by the signal-to-noise ratio given by the radio link budget, which differs from a digital link usually understood by users of active sensors communicating via radio frequency link or passive identifier (RFID).
  • RFID passive identifier
  • a deformation of the material to be monitored can give rise to a transient acoustic wave propagating in volume in the material to be monitored, and received by the piezoelectric substrate.
  • the processing unit is arranged to further detect a deformation / damage causing this transient acoustic wave.
  • the processing unit can then finely characterize the deformation / G damage causing the transient wave by observation of the aforementioned measurement signal.
  • the device is shaped so that the coupling between the piezoelectric substrate and the material to transfer the deformation associated with the aforementioned acoustic wave (the main wave), with in particular the material to be monitor who plays the role of waveguide for this acoustic wave.
  • the processing unit comprises a first antenna arranged to emit a probe electromagnetic wave as probe signal and receive a measurement electromagnetic wave as a measurement signal.
  • the sensor comprises a second antenna arranged to cooperate with the first antenna and receive the electromagnetic wave probe which the piezoelectric substrate converts into the aforementioned elastic wave probe, and emit the electromagnetic measurement wave resulting from the conversion of the elastic measurement wave delayed by a delay introduced by the deformation transferred from the material to be monitored to the piezoelectric substrate.
  • the electromagnetic probe wave has a frequency greater than 1 GHz.
  • Such an embodiment allows the observation of the aforementioned transient wave but more generally of all the stress changes and rapid deformations, when the material to be monitored is in service.
  • such a measurement signal frequency is compatible with the measurement electronics that the aforementioned processing unit may include.
  • the piezoelectric substrate In order to optimize the radio frequency link budget and maximize the amplitude of the echoes backscattered by the passive sensor, it is advantageous for the piezoelectric substrate to be made of a material with a high electromechanical coupling coefficient such as, for example, lithium niobate or tantalate lithium.
  • FIG. 1 schematically illustrates a device according to an exemplary embodiment of the invention, here comprising several sensors C1, ..., Cn arranged on a STR structure to be monitored,
  • FIG. 2 schematically illustrates a sensor C in section on the surface of the STR material to be monitored, according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 schematically illustrates the main steps of a method within the meaning of the invention, according to an exemplary embodiment.
  • Structural health monitoring and damage detection methods have been the subject of increasing research and use for several years. These can effectively play a major role in reducing maintenance costs, improving the operational reliability of structures, and predicting their remaining life.
  • the interest is shared by many sectors of the innovative industry such as aeronautics, land transport, civil engineering and the mechanical industry.
  • the deployment of SHM solutions represents a major challenge in the aeronautics sector.
  • the use of structural health monitoring can effectively allow operators to monitor the state of health of equipment in operation, thereby significantly reducing aircraft downtime for preventive maintenance operations.
  • the SHM requires integrating into the structure that one wishes to control, devices making it possible to detect the appearance of damage.
  • composite materials have gained an important place in the transport sectors.
  • the lack of knowledge of their long-term behavior constitutes an additional motivation to deploy a SHM strategy for structures incorporating this type of material.
  • Active or passive techniques can be used. Passive techniques are generally based on:
  • acoustic emission represents a powerful and promising technique. Its name results from the physical phenomenon which it makes it possible to measure, namely the generation of acoustic waves, or more exactly transient acoustic waves caused by the damage of the material.
  • the release of energy due to the local rupture of the material effectively excites different modes of propagation within the material and according to the dimensions and the structure of the material.
  • These acoustic waves cause in matter and on their propagation path local displacements of very small amplitudes. This is the propagation of acoustic emissions.
  • These transient displacements / distortions can be detected by a sensor on the surface of the material with an elastic surface wave or "SAW".
  • SAW elastic surface wave
  • Acoustic emission can therefore make it possible to detect and, under certain conditions, to discriminate and localize the types of damage generated within the composite, from transient distortions captured and recorded on the surface of the material.
  • the sensors used are generally based on piezoelectric materials (quartz, synthetic ceramics, Poly-Vinyl-Di-Fluoride PVDF, etc.). These health monitoring devices must withstand the operational conditions of the structure. The sensors can thus be integrated into materials whose health must be monitored, in order to be protected from the aggressive environments to which the structure may be exposed. Of course, the presence of these sensors must not cause major faults within the material. To limit the invasiveness of the sensors, several solutions can be envisaged. They generally go through the thinning of the sensors, their miniaturization or the increase in their elasticity (as in the case of piezoelectric polymers to make them conformable).
  • the alternative solution proposed, and which is the subject of the invention, is to use surface wave sensors (SAW), the operation of which is also based on piezoelectricity and on wireless technologies and, in addition, operating without microchip or local energy source.
  • SAW surface wave sensors
  • the information picked up by the piezoelectric material is transmitted by radio frequency to remote electronics (bearing the reference UT in FIG. 1 commented below) which can operate at interrogation frequencies of the order of 500 kHz, and possibly up to 1 MHz if the sensor is designed accordingly.
  • remote electronics bearing the reference UT in FIG. 1 commented below
  • interrogation frequencies of the order of 500 kHz, and possibly up to 1 MHz if the sensor is designed accordingly.
  • an interrogation frequency makes it possible to detect and record transient signals such as acoustic emissions.
  • the invention then combines:
  • an elastic wave sensor for example surface elastic wave
  • a material suitable for this frequency domain (as will be seen below)
  • the aforementioned sensor indeed acts as a delay line and is designed to be integrated into the composite material without generating a major defect and to detect transient acoustic waves which can be generated, in service, by the damage of the material under the stresses which are applied to it or generated by an excitation source used in service and / or during maintenance operations to probe the health of the material.
  • the sensor can be integrated into the material because its active part is encapsulated in a material resistant to the main environmental aggressions.
  • the sensor is sensitive to local distortions of the material caused by the propagation of waves in the material to be monitored in or on which the sensor is integrated. It is capable of instantly measuring the deformations induced by the change in structure and therefore fulfilling the role of a deformation gauge in real or almost real time.
  • the signal processing unit is presented as a high refresh rate pulse reader.
  • this equipment implements a signal processing and processing technique based on a fine measurement by exploiting in particular the phase of the signals by identifying the phase rotations (and the phase differences between transmitted signals and signals received from the sensor).
  • one or more miniature sensors C1, C2, ..., Cn, of acoustic elastic surface wave (SAW) sensors provided with respective antennas AC1, AC2, are provided for this purpose. .., ACn, and in contact with a STR material, for example a composite, of the structure to be monitored.
  • a STR material for example a composite
  • no chip electronics is not required in the sensors, neither wires nor local energy source.
  • the sensors Cl, C2, ..., Cn comprise respective transducers SP1, SP2, ..., SPn, such as piezoelectric substrates of elongated rectangular shape for example (like free acoustic paths of electrodes of 3 6 mm long and less than 500 ⁇ m wide) attached to the surface of the STR material (by a rigid adhesive to effectively transfer the stress from the composite material to the piezoelectric substrate of the elastic wave transducer, as illustrated in Figure 2).
  • phase shift DEPH between the excitation signal emitted and the measurement signal received from the antenna AC and specific to the round trip at the interface with the material to be monitored STR.
  • This DEPH phase shift (which is proportional to the flight time tv) does not have the usual expected value if a deformation is present in the STR material.
  • transient wave OT in volume which can also be detected (in the amplitude and / or the frequency of the measurement signal) and this disturbance of the signal measurement can thus define a signature characterizing the DEF deformation (as to its type, its intensity, or other).
  • the antennas of the sensors AC1, AC2, ..., ACn are connected by electromagnetic waves (for example by radio frequency) to the antenna AUT of a processing unit UT comprising electronics (hardware ) remote calculation and interrogation, with a high refresh rate and up to 1 MHz with a sensor structure delaying the incident signal by a maximum of 1 m8.
  • a processing unit UT comprising electronics (hardware ) remote calculation and interrogation, with a high refresh rate and up to 1 MHz with a sensor structure delaying the incident signal by a maximum of 1 m8.
  • This UT processing unit typically includes, in its implementation of short-range monostatic RADAR, a radiofrequency INT interface for transmission and reception switched by duplexer connected to the AUT antenna, as well as a PROC processor cooperating with a MEM memory (storing in particular instruction data from a computer program within the meaning of the invention).
  • the processor PROC by reading the memory MEM, can implement all or part of the steps of the above method and in particular: following the reception of the measurement signal in step S1, determining in step S2 a DEPH phase shift between the probe signal sent in sensor C and the measurement signal received at the AUT antenna,
  • step S3 compare in step S3 the value of this phase shift DEPH with an expected phase shift value VAT, and if the difference between these two values (in absolute value for example) is greater than a threshold SE (arrow OK at the output of test S3) ,
  • an alert signal can be triggered in step S4 to indicate the presence of a deformation DEF (for example via a man-machine interface HMI that includes the processing unit UT to warn a human operator, or simply to a communication interface of an actuator or other type of equipment to stop the stressing of the STR structure, or others). If necessary, the method can continue with the analysis of the measurement signal received for a fine characterization of the deformation DEF through the analysis of the effect of the transient wave OT in step S5.
  • the process is dynamically repeated (arrow KO at the end of the test S3 and at the end of the step S5) to observe in real time the deformations that the STR material can undergo.
  • Such a device therefore makes it possible to detect acoustic waves generated by the damage to the material and locally and transiently causing, during their propagation, distortions of the material. These distortions are transmitted to the sensor C (which can be attached to the surface of the material or integrated in volume in the composite), thus producing deformations of the piezoelectric substrate that the sensor comprises.
  • the sensor C which can be attached to the surface of the material or integrated in volume in the composite
  • the sensor thus makes it possible to detect and record transient waves with high sensitivity and over a wide range of frequencies since the associated electronics make it possible to interrogate it with very short time intervals (for example of 2 microseconds).
  • acoustic emissions which, generally for composites, have shorter durations or of the order of a millisecond, a content frequency between 10 kHz and a few hundred kHz, and displacement or deformation amplitudes falling over several decades (depending on the mode and intensity of the deformation, or even damage).
  • the dimensions of the sensor C are less than 800 microns in thickness and typically 50 mm 2 on the surface.
  • the device makes it possible to detect transient waves generated by the deformation of the composite material but also by the sensor C which raises them, with the aim of identifying the appearance or the propagation of damage in the STR structure.
  • the device can also measure deformation (static) or temperature, the variations of which over time are much slower.
  • the piezoelectric substrate of the sensor itself can be made of a material of strong electromechanical coupling such as lithium niobate or lithium tantalate, by way of nonlimiting example.

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Abstract

The invention relates to a monitoring of the structural state of a material subject to deformation. To this effect, there is provided at least one passive sensor (C) which comprises a piezoelectric substrate (SP) in contact with the material to be monitored (STR), and a processing unit which is connected to the piezoelectric substrate and injects a probe signal into the substrate for conversion into a probe elastic wave (SAW) propagating within the material to be monitored. The piezoelectric substrate reversibly converts an elastic wave resulting from the propagation of the probe elastic wave in the material, and thus issuing from the material to be monitored, into a measurement signal destined for the processing unit. In particular, the processing unit estimates a phase shift (DEPH) which is measured between the measurement signal and the probe signal and corresponds to a time-of-flight of the wave (SAW) along a round trip path (tv). The processing unit then compares the phase shift (DEPH) to an expected value and detects a deformation (DEF) of the material to be monitored (STR) in the event of a gap between the measured phase shift and the expected value.

Description

Détection fine de déformations dans un matériau à surveiller  Fine detection of deformations in a material to be monitored
La présente invention concerne la détection de déformations dans un matériau à surveiller, notamment un matériau en service et susceptible d’être sollicité de sorte à subir des contraintes déformant et/ou endommageant le matériau. The present invention relates to the detection of deformations in a material to be monitored, in particular a material in service and capable of being stressed so as to undergo stresses deforming and / or damaging the material.
Le matériau peut être par exemple un composite (notamment à base de fibres de verre, carbone, végétales ou autre) utilisé dans le transport terrestre ou aérien et nécessitant, en service, une surveillance fine et surtout rapide pour détecter si les déformations ou contraintes subies par le matériau vont au-delà d’un seuil de tolérance par exemple, ce qui peut causer ensuite une rupture locale du matériau ou la ruine de la structure. The material can for example be a composite (in particular based on glass fibers, carbon, vegetable or other) used in the ground or air transport and requiring, in service, a fine and especially rapid surveillance to detect if the deformations or stresses undergone by the material go beyond a tolerance threshold for example, which can then cause a local rupture of the material or the ruin of the structure.
Par ailleurs, il s’agit habituellement d’environnements où il est préférable qu’un capteur disposé in situ pour surveiller le matériau soit autonome en énergie, voire d’éviter une quelconque alimentation électrique à prévoir pour le capteur. In addition, these are usually environments where it is preferable that a sensor arranged in situ to monitor the material be energy independent, or even avoid any electrical supply to be provided for the sensor.
Les systèmes proposés actuellement pour la surveillance de matériaux intervenant dans de telles applications nécessitent une alimentation électrique du capteur et/ou ne fournissent pas une détection ultra-rapide des déformations ou de distorsions transitoires. Par ailleurs, il peut être souhaité une technique de capteur qui pourrait permettre une caractérisation de déformation, au-delà d’une simple détection de déformation. The systems currently proposed for monitoring materials used in such applications require an electrical supply to the sensor and / or do not provide ultra-rapid detection of deformations or transient distortions. Furthermore, a sensor technique may be desired which could allow a characterization of deformation, beyond a simple detection of deformation.
La présente invention vient améliorer la situation en surmontant tout ou partie des inconvénients ci-dessus. The present invention improves the situation by overcoming all or part of the above drawbacks.
Elle propose à cet effet un dispositif pour surveiller l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, le dispositif comprenant : To this end, it proposes a device for monitoring the structural state of a material subject to deformation, the device comprising:
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et  at least one passive sensor comprising a piezoelectric substrate in contact with the material to be monitored, and
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur, le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement. - a processing unit connected to the piezoelectric substrate and repeatedly injecting a probe signal into the substrate to be converted into an elastic probe wave propagating in or on the piezoelectric substrate of the sensor, the piezoelectric substrate further converting an elastic measurement wave resulting from the propagation of the elastic probe wave in or on the substrate, into a measurement signal intended for the processing unit.
En particulier, l’unité de traitement :  In particular, the processing unit:
estime un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde, compare ce déphasage à une valeur attendue, et  estimates a measured phase difference between the measurement signal and the probe signal, compares this phase difference with an expected value, and
détecte une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.  detects a deformation of the material to be monitored in the event of a difference between the measured phase shift and the expected value.
On entend par « déformation du matériau à surveiller », ci-après, aussi bien une déformation liée à une contrainte locale du matériau (tension ou pression) qu’un endommagement du matériau (par exemple une fracture, une fissuration matricielle, une décohésion fibres/matrice, un délaminage, une rupture de fibre ou autre). The term “deformation of the material to be monitored” is understood below to mean both a deformation linked to a local stress of the material (tension or pressure) and damage to the material (for example a fracture, a matrix cracking, a fiber decohesion). / matrix, delamination, fiber breakage or other).
L’observation du déphasage précité peut s’expliquer comme suit. Une « déformation » dans le matériau à surveiller crée un champ de contrainte déformant aussi, au moins transitoirement, le substrat piézoélectrique avec lequel le matériau est en contact. L’onde élastique de mesure présente alors un retard (positif ou négatif) dépendant du champ de contrainte que subit, par transfert de contrainte, le substrat dans le cas d’un évènement de déformation du matériau à surveiller. The observation of the aforementioned phase shift can be explained as follows. A “deformation” in the material to be monitored creates a stress field which also deforms, at least temporarily, the piezoelectric substrate with which the material is in contact. The elastic measurement wave then has a delay (positive or negative) depending on the stress field which the substrate undergoes, by stress transfer, in the event of a deformation event of the material to be monitored.
On relèvera alors qu’une telle réalisation permet de détecter de façon efficace une déformation du matériau, en mesurant le déphasage sur le signal de mesure reçu, et avec un capteur passif. It will then be noted that such an embodiment makes it possible to effectively detect a deformation of the material, by measuring the phase shift on the measurement signal received, and with a passive sensor.
On entend ici par « capteur passif » le fait qu’il ne nécessite aucune alimentation électrique ni d’autre source d’énergie interne pour fonctionner. Ainsi, dans un exemple de réalisation détaillé plus loin, le capteur peut comporter une antenne pour recevoir le signal sonde sous la forme d’onde électromagnétique. Here, the term "passive sensor" means that it requires no power supply or any other internal source of energy to operate. Thus, in an exemplary embodiment detailed below, the sensor may include an antenna for receiving the probe signal in the form of an electromagnetic wave.
Par ailleurs, on entend par « substrat piézoélectrique en contact avec le matériau » un contact intime entre deux, en étant par exemple accolés l’un à l’autre par une colle préférentiellement rigide, ou encore en étant encapsulé dans le volume du matériau à surveiller. Furthermore, the term "piezoelectric substrate in contact with the material" means an intimate contact between two, being for example joined to one another by an adhesive preferably rigid, or even by being encapsulated in the volume of the material to be monitored.
Ainsi, dans une réalisation, le substrat piézoélectrique peut être conformé pour être accolé, avec un contact surfacique, au matériau à surveiller. Thus, in one embodiment, the piezoelectric substrate can be shaped to be joined, with a surface contact, to the material to be monitored.
Dans ce cas, l’onde élastique précitée peut être une onde élastique de surface (ou SAW pour « Surface Acoustic Wave ») se propageant sur le substrat piézoélectrique du capteur. In this case, the aforementioned elastic wave can be an elastic surface wave (or SAW for "Surface Acoustic Wave") propagating on the piezoelectric substrate of the sensor.
Dans une telle réalisation, le substrat piézoélectrique peut comporter une ou plusieurs électrodes périodiques déposées sur le substrat piézoélectrique, la propagation de l’onde élastique de surface comprenant une réflexion de l’onde élastique de surface sur une électrode, et le déphasage attendu étant représentatif d’un temps de parcours de l’onde élastique suivant un aller jusqu’à une électrode et un retour. In such an embodiment, the piezoelectric substrate may include one or more periodic electrodes deposited on the piezoelectric substrate, the propagation of the surface elastic wave comprising a reflection of the surface elastic wave on an electrode, and the expected phase shift being representative a travel time of the elastic wave following a go to an electrode and a return.
Plus généralement, une déformation du matériau à surveiller donnant naissance à une onde acoustique transitoire se propageant en volume dans le matériau à surveiller, et couplant avec le substrat piézoélectrique par transfert de contrainte, l’unité de traitement peut être agencée en outre pour détecter une déformation occasionnant ladite onde acoustique transitoire. More generally, a deformation of the material to be monitored giving rise to a transient acoustic wave propagating in volume in the material to be monitored, and coupling with the piezoelectric substrate by stress transfer, the processing unit can also be arranged to detect a deformation causing said transient acoustic wave.
Typiquement, la fréquence de l’onde transitoire peut être comprise entre 10 kHz et 1 MHz, et l’unité de traitement peut alors caractériser la déformation occasionnant l’onde transitoire par observation du signal de mesure. Typically, the frequency of the transient wave can be between 10 kHz and 1 MHz, and the processing unit can then characterize the deformation causing the transient wave by observing the measurement signal.
Dans une réalisation, l’unité de traitement comporte une première antenne agencée pour émettre une onde électromagnétique sonde en tant que signal sonde et recevoir une onde électromagnétique de mesure en tant que signal de mesure, et le capteur comporte une deuxième antenne agencée pour coopérer avec la première antenne et recevoir l’onde électromagnétique sonde que le substrat piézoélectrique convertit en ladite onde élastique sonde, et émettre l’onde électromagnétique de mesure résultant de la conversion de l’onde élastique de mesure issue du matériau à surveiller. Une telle réalisation permet ainsi d’atteindre des performances de détection très satisfaisantes tout en utilisant un capteur passif ne nécessitant pas d’alimentation électrique. In one embodiment, the processing unit comprises a first antenna arranged to transmit a probe electromagnetic wave as a probe signal and to receive an electromagnetic measurement wave as a measurement signal, and the sensor comprises a second antenna arranged to cooperate with the first antenna and receive the electromagnetic probe wave that the piezoelectric substrate converts into said elastic probe wave, and emit the electromagnetic measurement wave resulting from the conversion of the elastic measurement wave from the material to be monitored. Such an embodiment thus makes it possible to achieve very satisfactory detection performance while using a passive sensor that does not require an electrical supply.
Typiquement, l’onde électromagnétique sonde peut être de fréquence supérieure à 1 GHz. Typically, the electromagnetic wave probe can be of frequency greater than 1 GHz.
Le substrat piézoélectrique peut être réalisé, quant à lui, dans un matériau comportant du niobate de lithium et/ou du tantalate de lithium. The piezoelectric substrate can, for its part, be made of a material comprising lithium niobate and / or lithium tantalate.
La présente invention vise aussi un procédé de surveillance de l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, à partir d’un dispositif selon l’invention et comprenant :The present invention also relates to a method for monitoring the structural state of a material subject to deformation, using a device according to the invention and comprising:
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et at least one passive sensor comprising a piezoelectric substrate in contact with the material to be monitored, and
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur,  - a processing unit connected to the piezoelectric substrate and repeatedly injecting a probe signal into the substrate to be converted into an elastic probe wave propagating in or on the piezoelectric substrate of the sensor,
le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement. the piezoelectric substrate further converting an elastic measurement wave resulting from the propagation of the elastic probe wave in or on the substrate, into a measurement signal intended for the processing unit.
En particulier, le procédé comporte les étapes exécutées par l’unité de traitement :  In particular, the method includes the steps executed by the processing unit:
estimer un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde, comparer ce déphasage à une valeur attendue, et  estimate a measured phase difference between the measurement signal and the probe signal, compare this phase difference with an expected value, and
détecter une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.  detect a deformation of the material to be monitored in the event of a difference between the measured phase shift and the expected value.
Une déformation dans le matériau à surveiller créant un champ de contrainte déformant aussi au moins transitoirement le substrat piézoélectrique, l’onde élastique de mesure peut comporter un retard (positif ou négatif) dépendant du champ de contrainte que subit, par transfert de contrainte, le substrat dans le cas d’un évènement de déformation du matériau à surveiller. A deformation in the material to be monitored creating a stress field which also deforms the piezoelectric substrate at least temporarily, the elastic measurement wave may have a delay (positive or negative) depending on the stress field which the stress undergoes, by stress transfer. substrate in the event of a deformation event of the material to be monitored.
Dans une réalisation, le procédé peut comporter une étape préalable de mise en service du matériau à surveiller, ladite mise en service étant susceptible de solliciter le matériau à surveiller en générant une ou plusieurs déformations locales, l’unité de traitement étant agencée pour mettre en œuvre répétitivement et en dynamique les étapes de détection de déphasage non attendu. In one embodiment, the method may include a prior step of commissioning the material to be monitored, said commissioning being capable of requesting the material to be monitor by generating one or more local deformations, the processing unit being arranged to repeatedly and dynamically implement the stages of detection of unexpected phase shift.
Dans un exemple de réalisation, le matériau à surveiller est typiquement un composite à base de fibres. In an exemplary embodiment, the material to be monitored is typically a fiber-based composite.
La présente invention vise aussi un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé ci-avant, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un processeur d’une unité de traitement. The present invention also relates to a computer program comprising instructions for the implementation of the above method, when said instructions are executed by a processor of a processing unit.
Ainsi, dans une réalisation, on considère alors un capteur SAW collé sur le matériau à surveiller, par exemple une structure composite. Lorsque la structure composite subit un chargement (une déformation) qui induit un endommagement du matériau composite (rupture de fibres, fissuration matricielle, délaminage...), cet endommagement (génération ou propagation) est à l'origine de la génération d'une onde acoustique qui se propage dans le matériau composite jusqu'à la surface sur laquelle est collée le capteur SAW. Le passage de l'onde acoustique sous le capteur SAW entraîne une déformation transitoire du capteur SAW, déformation qui évolue au cours du temps de passage de l'onde acoustique sous le capteur. Thus, in one embodiment, we then consider a SAW sensor bonded to the material to be monitored, for example a composite structure. When the composite structure undergoes a loading (a deformation) which induces damage to the composite material (fiber breakage, matrix cracking, delamination ...), this damage (generation or propagation) is at the origin of the generation of a acoustic wave which propagates in the composite material to the surface on which the SAW sensor is stuck. The passage of the acoustic wave under the SAW sensor causes a transient deformation of the SAW sensor, deformation which evolves during the time of passage of the acoustic wave under the sensor.
En outre, l'unité de traitement émet des ondes électromagnétiques qui lorsqu'elles sont reçues au niveau du capteur SAW sont converties par le substrat piézoélectrique en des ondes élastiques incidentes. Cette onde élastique incidente, de type SAW, se propage à la surface du substrat piézoélectrique et est réfléchie sur des miroirs comme on le verra plus loin. Le substrat piézoélectrique convertit alors réversiblement l'onde élastique réfléchie en un signal électromagnétique destiné à l'unité de traitement. Le délai entre les échos successifs renvoyés par le transducteur à onde élastique, permet d’identifier une déformation du capteur. En interrogeant le capteur avec des intervalles de temps très brefs (par exemple une microseconde), il est alors possible d'enregistrer l'évolution de la déformation au cours du temps avec une bande passante (de 1 MS/s) compatible avec les fréquences contenues dans l'onde acoustique se propageant dans le composite. Avec une telle réalisation et en particulier une telle fréquence de mesure, l'onde acoustique générée par la déformation (dans le composite) peut être non seulement détectée mais en outre être caractérisée. In addition, the processing unit emits electromagnetic waves which when received at the SAW sensor are converted by the piezoelectric substrate into incident elastic waves. This incident elastic wave, of SAW type, propagates on the surface of the piezoelectric substrate and is reflected on mirrors as will be seen below. The piezoelectric substrate then reversibly converts the reflected elastic wave into an electromagnetic signal intended for the processing unit. The delay between successive echoes returned by the elastic wave transducer, makes it possible to identify a deformation of the sensor. By interrogating the sensor with very short time intervals (for example a microsecond), it is then possible to record the evolution of the deformation over time with a bandwidth (of 1 MS / s) compatible with the frequencies contained in the acoustic wave propagating in the composite. With such an embodiment and in particular such a measurement frequency, the acoustic wave generated by the deformation (in the composite) can not only be detected but also be characterized.
L’unité de traitement sonde ainsi la réponse du capteur en émettant un signal sonde dans le substrat précité et en observe la réponse temporelle (échos), selon un principe s’apparentant au RADAR à courte portée. Le principe de fonctionnement du capteur visant en une solution compacte et majoritairement sensible à une grandeur physique qui consiste en la conversion de l’onde électromagnétique incidente en une onde élastique se propageant à la surface du substrat piézoélectrique joue alors le rôle de transducteur. Le substrat piézoélectrique convertit en outre, réversiblement, une onde élastique en un signal électromagnétique destiné à l’unité de traitement : la caractérisation de la section RADAR, et en particulier du délai entre les échos successifs renvoyés par le transducteur à onde élastique, permet de remonter à une information de l’environnement du capteur, et en particulier sa déformation. Le transducteur à onde élastique est intimement fixé sur le substrat composite à analyser, en transmettant efficacement toute déformation ou distorsion du matériau composite, par exemple par collage ou insertion du capteur dans la matrice organique lors de la fabrication du composite. La mesure de la déformation statique peut être complétée par la mesure des déformations transitoires du composite induites par la création ou la propagation d’un endommagement (rupture de fibres, fissuration matricielle, délaminage, etc.) dans le composite : ces signaux d’émission acoustique induisent la création d’une onde élastique transitoire qui se propage dans le composite et dans le matériau piézoélectrique, induisant une variation de célérité de l’onde élastique à la surface du substrat piézoélectrique qui est détectée comme variation du temps de vol des échos rétrodiffusés par le capteur lors de son interrogation par le RADAR à courte portée. Afin de distinguer, dans la suite du texte, « l’onde élastique » de surface radiofréquence qui se propage à la surface du substrat piézoélectrique et au cœur du fonctionnement du capteur, de l’onde mécanique se propageant dans le composite (résultant de l’émission acoustique), cette dernière est nommée ici (abusivement) « onde acoustique » malgré sa propagation dans un milieu solide. The processing unit thus probes the response of the sensor by emitting a probe signal in the aforementioned substrate and observes its temporal response (echoes), according to a principle similar to short-range RADAR. The principle of operation of the sensor aimed at a compact solution and mainly sensitive to a physical quantity which consists in the conversion of the incident electromagnetic wave into an elastic wave propagating on the surface of the piezoelectric substrate then plays the role of transducer. The piezoelectric substrate also reversibly converts an elastic wave into an electromagnetic signal intended for the processing unit: the characterization of the RADAR section, and in particular of the delay between the successive echoes returned by the elastic wave transducer, makes it possible to go back to information about the sensor's environment, and in particular its deformation. The elastic wave transducer is intimately fixed to the composite substrate to be analyzed, effectively transmitting any deformation or distortion of the composite material, for example by bonding or insertion of the sensor into the organic matrix during the manufacture of the composite. The measurement of the static deformation can be supplemented by the measurement of the transient deformations of the composite induced by the creation or the propagation of a damage (fiber breakage, matrix cracking, delamination, etc.) in the composite: these emission signals acoustics induce the creation of a transient elastic wave which propagates in the composite and in the piezoelectric material, inducing a variation in the speed of the elastic wave at the surface of the piezoelectric substrate which is detected as a variation in the flight time of the backscattered echoes by the sensor when interrogated by short-range RADAR. In order to distinguish, in the following text, the “elastic wave” of radiofrequency surface which propagates on the surface of the piezoelectric substrate and at the heart of the operation of the sensor, from the mechanical wave propagating in the composite (resulting from the 'acoustic emission), the latter is here called (improperly) "acoustic wave" despite its propagation in a solid medium.
En particulier, l’unité de traitement est agencée pour estimer le temps de vol entre échos rétrodiffusés sous forme d’un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde, comparer ce déphasage à une valeur attendue, et détecter alors une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue : l’originalité de cette approche consiste à mesurer avec une bande passante suffisante, allant jusqu’au méga-échantillons/s, cette phase afin de détecter suffisamment rapidement les déformations transitoires induites dans le capteur passif par le passage de l’onde acoustique associée à l’émission acoustique dans le composite. In particular, the processing unit is arranged to estimate the time of flight between backscattered echoes in the form of a measured phase shift between the measurement signal and the signal probe, compare this phase shift to an expected value, and then detect a deformation of the material to be monitored in the event of a difference between the measured phase shift and the expected value: the originality of this approach consists in measuring with a sufficient bandwidth, up to 'at mega-samples / s, this phase in order to rapidly detect the transient deformations induced in the passive sensor by the passage of the acoustic wave associated with the acoustic emission in the composite.
Le principe de conception du dispositif consiste à retarder les échos au-delà du fouillis (clutter) des échos induits par l’environnement du RADAR à courte portée : dans l’implémentation proposée, le premier écho est retardé de 500 ns, au-delà de la cible passive estimée susceptible d’induire du fouillis (distance de 75 m dans l’air) et le dernier écho de 1 m8 afin de ne pas handicaper la bande passante de mesure (1 Méchantillons/s). The principle of design of the device consists in delaying the echoes beyond the clutter of the echoes induced by the environment of the RADAR at short range: in the proposed implementation, the first echo is delayed by 500 ns, beyond of the estimated passive target likely to induce clutter (distance of 75 m in the air) and the last echo of 1 m8 so as not to handicap the measurement bandwidth (1 Samples / s).
A cet égard, on peut citer à titre indicatif : In this regard, we can cite as an indication:
J.-M Friedt, Passive cooperative targets for subsurface physical and Chemical measurements: a Systems perspective, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters vol 14, issue 6, pp.821-825 (2017)]  J.-M Friedt, Passive cooperative targets for subsurface physical and Chemical measurements: a Systems perspective, IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters vol 14, issue 6, pp.821-825 (2017)]
Dans une réalisation où l’onde élastique précitée peut être une onde de surface (ou « SAW » en anglais pour Surface Acoustic Wave), le matériau à surveiller induit une déformation et donc des contraintes dans le substrat piézoélectrique induisant une variation de célérité de l’onde élastique et donc un retard variable introduit par la ligne à retard, détecté comme un déphasage mesuré par l’unité de traitement. Une différence observée dans ce déphasage signifie alors que le retard de l’onde reçue (pour le temps de vol dans le couple « matériau-substrat ») est perturbé par une modification locale de la vitesse de l’onde élastique de surface, cette modification locale se traduisant par la présence d’un champ de contrainte locale. In an embodiment where the aforementioned elastic wave can be a surface wave (or “SAW” in English for Surface Acoustic Wave), the material to be monitored induces a deformation and therefore stresses in the piezoelectric substrate inducing a variation in speed of l elastic wave and therefore a variable delay introduced by the delay line, detected as a phase shift measured by the processing unit. A difference observed in this phase shift then means that the delay of the received wave (for the flight time in the “material-substrate” pair) is disturbed by a local modification of the speed of the elastic surface wave, this modification local resulting in the presence of a local stress field.
Dans une réalisation où la propagation de l’onde élastique de surface comprend une réflexion de l’onde sur des miroirs réalisés par dépôt d’électrodes sur le substrat piézoélectrique avec une périodicité de la demi-longueur d’onde (miroir de Bragg), le déphasage attendu est alors représentatif d’un temps de parcours aller et retour de l’onde jusqu’à chacun de ces miroirs. Par exemple, pour un substrat transducteur ayant une forme allongée de 500pm (ouverture acoustique du transducteur) de large sur 3 à 6 mm de long, l’onde élastique SAW supposée se propager à une vitesse de l’ordre de 3500 m/s parcourt les 3 à 6 mm en aller et retour en t=1.7 à 3.4 m8 - donc un taux de rafraîchissement de l’information de l06/3.4=300 kHz et peut être accélérée ou ralentie par les déformations. Pour un dispositif fonctionnant à une fréquence du signal injecté de l’ordre de ou supérieur à f=l GHz comme on le verra dans les exemples de réalisation plus loin, une variation de déphasage peut être aisément détectée : le déphasage entre les deux échos radians est tel qu’une sensibilité à la contrainte de l’ordre de 4 ppm/MPa induit une variation de phase de 0.04 rad/MPa=2.3 degrés/MPa. La stabilité de l’étage de réception du RADAR à courte portée, et en particulier de son oscillateur local, détermine la plus petite variation de contrainte détectable : une grandeur analogique peut être mesurée sous forme du retard des échos, avec une résolution déterminée par le rapport signal à bruit donné par le bilan de liaison radiofréquence, qui se distingue d’une liaison numérique habituellement appréhendée par les utilisateurs de capteurs actifs communiquant par liaison radiofréquence ou identifiant passifs (RFID). In an embodiment where the propagation of the elastic surface wave comprises a reflection of the wave on mirrors produced by depositing electrodes on the piezoelectric substrate with a periodicity of half the wavelength (Bragg mirror), the expected phase shift is then representative of a time for the outward and return journey of the wave to each of these mirrors. For example, for a transducer substrate having an elongated shape of 500pm (acoustic opening of the transducer) wide by 3 to 6 mm long, the elastic SAW wave supposed to propagate at a speed of the order of 3500 m / s travels the 3 to 6 mm back and forth at t = 1.7 to 3.4 m8 - therefore an information refresh rate of l0 6 /3.4=300 kHz and can be accelerated or slowed down by the deformations. For a device operating at a frequency of the injected signal of the order of or greater than f = 1 GHz as will be seen in the exemplary embodiments below, a variation in phase shift can be easily detected: the phase shift between the two radian echoes is such that a sensitivity to the stress of the order of 4 ppm / MPa induces a phase variation of 0.04 rad / MPa = 2.3 degrees / MPa. The stability of the reception stage of short-range RADAR, and in particular of its local oscillator, determines the smallest detectable variation in stress: an analog quantity can be measured in the form of the delay of the echoes, with a resolution determined by the signal-to-noise ratio given by the radio link budget, which differs from a digital link usually understood by users of active sensors communicating via radio frequency link or passive identifier (RFID).
Dans une réalisation avantageuse, une déformation du matériau à surveiller peut donner naissance à une onde acoustique transitoire se propageant en volume dans le matériau à surveiller, et reçue par le substrat piézoélectrique. Ainsi, avec une fréquence d’observation de l’ordre du GHz typiquement, l’unité de traitement est agencée pour détecter en outre une déformation/ un endommagement occasionnant cette onde acoustique transitoire. Une telle réalisation permet de caractériser en profondeur l’endommagement précité, voire de distinguer sa nature (ruptures fibres...) d’autres formes d’endommagement. In an advantageous embodiment, a deformation of the material to be monitored can give rise to a transient acoustic wave propagating in volume in the material to be monitored, and received by the piezoelectric substrate. Thus, with an observation frequency of the order of GHz typically, the processing unit is arranged to further detect a deformation / damage causing this transient acoustic wave. Such an embodiment makes it possible to characterize in depth the aforementioned damage, or even to distinguish its nature (fiber breaks ...) from other forms of damage.
Ainsi, dans le cas notamment où la fréquence du signal sonde est supérieure à lGHz, comme la fréquence de l’onde transitoire est plus faible et peut être comprise entre 10 kHz et 1 MHz, l’unité de traitement peut alors caractériser finement la déformation/G endommagement occasionnant l’onde transitoire par observation du signal de mesure précité.  Thus, in the case in particular where the frequency of the probe signal is greater than 1 GHz, as the frequency of the transient wave is lower and can be between 10 kHz and 1 MHz, the processing unit can then finely characterize the deformation / G damage causing the transient wave by observation of the aforementioned measurement signal.
En effet, on peut obtenir une information sur le type d’endommagement en observant l’onde acoustique transitoire, avec une mesure tous les dt avec dt le retard introduit par l’écho le plus long. Si dt=l m8, le taux de rafraîchissement de la mesure est de 1 Méchantillons/s. En dehors de cette onde transitoire, dans une réalisation, le dispositif est conformé pour que le couplage entre le substrat piézoélectrique et le matériau à transférer la déformation associée à l’onde acoustique précitée (l’onde principale), avec en particulier le matériau à surveiller qui joue le rôle de guide d’onde pour cette onde acoustique. Indeed, one can obtain information on the type of damage by observing the transient acoustic wave, with a measurement every dt with dt the delay introduced by the longest echo. If dt = l m8, the refresh rate of the measurement is 1 Samples / s. Outside this transient wave, in one embodiment, the device is shaped so that the coupling between the piezoelectric substrate and the material to transfer the deformation associated with the aforementioned acoustic wave (the main wave), with in particular the material to be monitor who plays the role of waveguide for this acoustic wave.
Selon un autre avantage du dispositif et de son capteur, ce dernier n’est pas connecté de façon filaire et dans un exemple de réalisation, l’unité de traitement comporte une première antenne agencée pour émettre une onde électromagnétique sonde en tant que signal sonde et recevoir une onde électromagnétique de mesure en tant que signal de mesure. De son côté, le capteur comporte une deuxième antenne agencée pour coopérer avec la première antenne et recevoir l’onde électromagnétique sonde que le substrat piézoélectrique convertit en l’onde élastique sonde précitée, et émettre l’onde électromagnétique de mesure résultant de la conversion de l’onde élastique de mesure retardée par un délai introduit par la déformation transférée du matériau à surveiller vers le substrat piézoélectrique. According to another advantage of the device and of its sensor, the latter is not connected by wire and in an exemplary embodiment, the processing unit comprises a first antenna arranged to emit a probe electromagnetic wave as probe signal and receive a measurement electromagnetic wave as a measurement signal. For its part, the sensor comprises a second antenna arranged to cooperate with the first antenna and receive the electromagnetic wave probe which the piezoelectric substrate converts into the aforementioned elastic wave probe, and emit the electromagnetic measurement wave resulting from the conversion of the elastic measurement wave delayed by a delay introduced by the deformation transferred from the material to be monitored to the piezoelectric substrate.
Avantageusement et comme décrit plus haut, l’onde électromagnétique sonde est de fréquence supérieure à 1 GHz. Advantageously and as described above, the electromagnetic probe wave has a frequency greater than 1 GHz.
Une telle réalisation permet l’observation de l’onde transitoire précitée mais plus généralement de tous les changements de contrainte et des déformations rapides, lorsque le matériau à surveiller est en service.  Such an embodiment allows the observation of the aforementioned transient wave but more generally of all the stress changes and rapid deformations, when the material to be monitored is in service.
Par ailleurs, comme on le verra dans la description détaillée plus loin, une telle fréquence de signal de mesure est compatible avec l’électronique de mesure que peut comporter l’unité de traitement précitée.  Furthermore, as will be seen in the detailed description below, such a measurement signal frequency is compatible with the measurement electronics that the aforementioned processing unit may include.
Afin d’optimiser le bilan de liaison radiofréquence et maximiser l’amplitude des échos rétrodiffusées par le capteur passif, il est avantageux que le substrat piézoélectrique soit réalisé dans un matériau de fort coefficient de couplage électromécanique tel que par exemple le niobate de lithium ou tantalate de lithium. In order to optimize the radio frequency link budget and maximize the amplitude of the echoes backscattered by the passive sensor, it is advantageous for the piezoelectric substrate to be made of a material with a high electromechanical coupling coefficient such as, for example, lithium niobate or tantalate lithium.
D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d’exemples de réalisation ci-après, et à l’examen des dessins annexés, sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement un dispositif selon un exemple de réalisation de l’invention, comportant ici plusieurs capteurs Cl, ..., Cn disposés sur une structure STR à surveiller, Other advantages and characteristics of the invention will appear on reading the detailed description of exemplary embodiments below, and on examining the appended drawings, in which: FIG. 1 schematically illustrates a device according to an exemplary embodiment of the invention, here comprising several sensors C1, ..., Cn arranged on a STR structure to be monitored,
la figure 2 illustre schématiquement un capteur C en coupe sur la surface du matériau STR à surveiller, selon un exemple de réalisation,  FIG. 2 schematically illustrates a sensor C in section on the surface of the STR material to be monitored, according to an exemplary embodiment,
la figure 3 illustre schématiquement les étapes principales d’un procédé au sens de l’invention, selon un exemple de réalisation.  FIG. 3 schematically illustrates the main steps of a method within the meaning of the invention, according to an exemplary embodiment.
On décrit ci-après un exemple d’application de l’invention pour une détection d’émissions acoustiques basée sur une technique passive pour le suivi de santé de structures. An example of application of the invention for the detection of acoustic emissions based on a passive technique for monitoring the health of structures is described below.
Le contrôle de santé de structure (ou SHM pour « Structural Health Monitoring » en anglais) et les méthodes de détection de dommages sont l'objet d'investigations et d'utilisations croissantes depuis plusieurs années. Celles-ci peuvent effectivement jouer un rôle majeur dans la réduction des coûts de maintenance, l'amélioration de la fiabilité opérationnelle des structures, et la prédiction de leur durée de vie restante. L'intérêt est partagé par de nombreux secteurs de l'industrie innovante tels que l'aéronautique, le transport terrestre, le génie-civil et l'industrie mécanique. Le déploiement de solutions SHM représente un enjeu majeur dans le secteur de l'aéronautique. L'utilisation de suivi de santé de la structure peut effectivement permettre aux exploitants de suivre l'état de santé des équipements en fonctionnement, réduisant ainsi sensiblement les temps d'immobilisation au sol des aéronefs pour les opérations de maintenance préventive. Structural health monitoring (or SHM) and damage detection methods have been the subject of increasing research and use for several years. These can effectively play a major role in reducing maintenance costs, improving the operational reliability of structures, and predicting their remaining life. The interest is shared by many sectors of the innovative industry such as aeronautics, land transport, civil engineering and the mechanical industry. The deployment of SHM solutions represents a major challenge in the aeronautics sector. The use of structural health monitoring can effectively allow operators to monitor the state of health of equipment in operation, thereby significantly reducing aircraft downtime for preventive maintenance operations.
Le SHM requiert d'intégrer à la structure que l'on souhaite contrôler, des dispositifs permettant de détecter l'apparition d'endommagements. Dans la logique d'allègement des structures, les matériaux composites ont gagné une place importante dans les secteurs du transport. La méconnaissance de leur comportement au long-terme constitue une motivation supplémentaire pour déployer une stratégie SHM pour les structures intégrant ce type de matériaux. Des techniques actives ou passives peuvent être utilisées. Les techniques passives reposent généralement sur : The SHM requires integrating into the structure that one wishes to control, devices making it possible to detect the appearance of damage. In the logic of lightening structures, composite materials have gained an important place in the transport sectors. The lack of knowledge of their long-term behavior constitutes an additional motivation to deploy a SHM strategy for structures incorporating this type of material. Active or passive techniques can be used. Passive techniques are generally based on:
- la mesure et le suivi des déformations dans les zones fortement contraintes de la structure, - measurement and monitoring of deformations in highly constrained areas of the structure,
- le suivi du comportement vibratoire de la structure et - monitoring the vibrational behavior of the structure and
- la détection de l'apparition d'endommagements ainsi que le suivi de leur propagation. Parmi ces techniques passives, « l'émission acoustique » représente une technique puissante et prometteuse. Son nom résulte du phénomène physique qu'elle permet de mesurer, à savoir la génération d'ondes acoustiques, ou plus exactement d'ondes acoustiques transitoires provoquées par l'endommagement du matériau. La libération d'énergie due à la rupture locale de la matière excite effectivement différents modes de propagation au sein de la matière et en fonction des dimensions et de la structure du matériau. Ces ondes acoustiques provoquent dans la matière et sur leur chemin de propagation des déplacements locaux de très faibles amplitudes. Il s'agit de la propagation des émissions acoustiques. Ces déplacements/distorsions transitoires peuvent être détectés par un capteur à la surface du matériau avec une onde élastique de surface ou « SAW ». La forme et les caractéristiques des signaux transitoires qui peuvent être enregistrés dépendent directement du mode local de déformation du matériau à surveiller. - detecting the appearance of damage and monitoring its spread. Among these passive techniques, "acoustic emission" represents a powerful and promising technique. Its name results from the physical phenomenon which it makes it possible to measure, namely the generation of acoustic waves, or more exactly transient acoustic waves caused by the damage of the material. The release of energy due to the local rupture of the material effectively excites different modes of propagation within the material and according to the dimensions and the structure of the material. These acoustic waves cause in matter and on their propagation path local displacements of very small amplitudes. This is the propagation of acoustic emissions. These transient displacements / distortions can be detected by a sensor on the surface of the material with an elastic surface wave or "SAW". The shape and characteristics of the transient signals that can be recorded depend directly on the local mode of deformation of the material to be monitored.
L'émission acoustique peut donc permettre de détecter et, dans certaines conditions, de discriminer et localiser les types d'endommagements générés au sein du composite, à partir des distorsions transitoires captées et enregistrées à la surface du matériau. Acoustic emission can therefore make it possible to detect and, under certain conditions, to discriminate and localize the types of damage generated within the composite, from transient distortions captured and recorded on the surface of the material.
Les capteurs utilisés sont généralement à base de matériaux piézoélectriques (quartz, céramiques synthétiques, Poly-Vinyle-Di-Fluorure PVDF, etc.). Ces dispositifs de suivi de santé doivent résister aux conditions opérationnelles de la structure. Les capteurs peuvent être ainsi intégrés au sein des matériaux dont la santé doit être surveillée, afin d'être protégés des environnements agressifs auxquels la structure peut être exposée. Bien sûr, la présence de ces capteurs ne doit pas provoquer de défauts majeurs au sein de la matière, Pour limiter le caractère invasif des capteurs, plusieurs solutions peuvent être envisagées. Elles passent généralement par l'amincissement des capteurs, leur miniaturisation ou l'accroissement de leur élasticité (comme pour le cas des polymères piézoélectriques pour les rendre conformables). Au-delà du capteur en lui-même, il est également souhaitable d'intégrer dans la structure les fils qui permettent de le relier à son électronique et aux sources d'énergie associées. Dans le cas des composites à fibres de carbone, un soin particulier doit être apporté pour éviter le contact entre les électrodes et les fibres de carbone. L'utilisation des capteurs piézoélectriques dans les parties de la structure soumises à des températures élevées (par exemple dans certaines sous-structures de la nacelle d'un moteur d'avion) reste encore un point dur. En effet, pour les matériaux couramment utilisés, la perte des propriétés piézoélectriques est observée au-delà de 200°C. The sensors used are generally based on piezoelectric materials (quartz, synthetic ceramics, Poly-Vinyl-Di-Fluoride PVDF, etc.). These health monitoring devices must withstand the operational conditions of the structure. The sensors can thus be integrated into materials whose health must be monitored, in order to be protected from the aggressive environments to which the structure may be exposed. Of course, the presence of these sensors must not cause major faults within the material. To limit the invasiveness of the sensors, several solutions can be envisaged. They generally go through the thinning of the sensors, their miniaturization or the increase in their elasticity (as in the case of piezoelectric polymers to make them conformable). Beyond the sensor itself, it is also desirable to integrate the wires into the structure which allow it to be connected to its electronics and associated energy sources. In the case of carbon fiber composites, special care must be taken to avoid contact between the electrodes and the carbon fibers. The use of piezoelectric sensors in the parts of the structure subjected to high temperatures (for example in certain substructures of the nacelle of a aircraft engine) is still a hard point. Indeed, for commonly used materials, the loss of piezoelectric properties is observed beyond 200 ° C.
L'avènement de la technologie dite « sans fil » a permis de simplifier l'acquisition des données envoyées par le (ou les) capteur(s) intégrés dans la structure. Cette technologie permet en particulier de remédier aux problèmes d'intégration des câbles dans la structure, de leur vieillissement, et autre. Cette technologie permet également d'ouvrir la voie à la surveillance de l'état de santé à distance. The advent of so-called "wireless" technology has simplified the acquisition of data sent by the sensor (s) integrated into the structure. This technology makes it possible in particular to remedy the problems of integration of the cables into the structure, of their aging, and the like. This technology also paves the way for remote health monitoring.
Toutefois, pour l'émission acoustique, le flux de données à transmettre peut être massif, et le débit des technologies sans fil est actuellement insuffisant pour assurer une utilisation robuste de cette technique. Par ailleurs, il n'en demeure pas moins, qu'une partie de l'électronique, celle permettant d'exciter le capteur et d'en acquérir les réponses et la source d'énergie nécessaire pour alimenter les composants, doit toujours être intégrée avec le capteur dans la structure. Les récentes avancées de la technologie des circuits imprimés ont permis de développer des circuits miniaturisés ou des circuits imprimés en polymère (polyamide par exemple) moins invasifs pour la structure. However, for acoustic emission, the data flow to be transmitted can be massive, and the throughput of wireless technologies is currently insufficient to ensure robust use of this technique. Furthermore, the fact remains that part of the electronics, that which makes it possible to excite the sensor and acquire the responses and the energy source necessary to power the components, must always be integrated. with the sensor in the structure. Recent advances in printed circuit technology have made it possible to develop miniaturized circuits or printed circuits in polymer (polyamide for example) less invasive for the structure.
La solution alternative proposée, et faisant l'objet de l'invention, est d'utiliser des capteurs à ondes de surface (SAW), dont le fonctionnement est également basé sur la piézoélectricité et sur des technologies sans fil et, en sus, fonctionnant sans puce électronique, ni source d'énergie locale. En particulier, l’information captée par le matériau piézoélectrique est transmise par radiofréquence à une électronique déportée (portant la référence UT sur la figure 1 commentée plus loin) qui peut opérer à des fréquences d'interrogation de l'ordre de 500 kHz, et possiblement jusqu’à 1 MHz si le capteur est conçu en conséquent. En plus de la mesure de grandeurs physiques telles que la déformation locale du matériau, une telle fréquence d’interrogation permet de détecter et enregistrer des signaux transitoires tels que les émissions acoustiques. L’invention vient alors combiner : The alternative solution proposed, and which is the subject of the invention, is to use surface wave sensors (SAW), the operation of which is also based on piezoelectricity and on wireless technologies and, in addition, operating without microchip or local energy source. In particular, the information picked up by the piezoelectric material is transmitted by radio frequency to remote electronics (bearing the reference UT in FIG. 1 commented below) which can operate at interrogation frequencies of the order of 500 kHz, and possibly up to 1 MHz if the sensor is designed accordingly. In addition to the measurement of physical quantities such as the local deformation of the material, such an interrogation frequency makes it possible to detect and record transient signals such as acoustic emissions. The invention then combines:
- un capteur à ondes élastiques (par exemple à ondes élastiques de surface) doté d'une forme générale adéquate et réalisé dans un matériau adapté à ce domaine fréquentiel (comme on le verra plus loin),  - an elastic wave sensor (for example surface elastic wave) with a generally adequate shape and made of a material suitable for this frequency domain (as will be seen below),
- d'une électronique d'interrogation spécifique, et  - specific interrogation electronics, and
- d'un procédé simple et rapide de traitement des signaux analysés. Le capteur précité agit en effet comme une ligne à retard et est conçu pour être intégré dans le matériau composite sans générer de défaut majeur et pour détecter des ondes acoustiques transitoires pouvant être générées, en service, par l'endommagement du matériau sous les sollicitations qui lui sont appliquées ou générées par une source d'excitation utilisée en service et/ou pendant les opérations de maintenance pour sonder la santé du matériau. Le capteur peut être intégré dans la matière car sa partie active est encapsulée dans un matériau résistant aux principales agressions de l'environnement. Le capteur est sensible aux distorsions locales de la matière provoquées par la propagation d'ondes dans le matériau à surveiller dans ou sur lequel le capteur est intégré. Il est capable de mesurer instantanément les déformations induites par le changement de la structure et donc de remplir le rôle d'une jauge de déformation en temps réel ou quasi-réel. - a simple and rapid process for processing the analyzed signals. The aforementioned sensor indeed acts as a delay line and is designed to be integrated into the composite material without generating a major defect and to detect transient acoustic waves which can be generated, in service, by the damage of the material under the stresses which are applied to it or generated by an excitation source used in service and / or during maintenance operations to probe the health of the material. The sensor can be integrated into the material because its active part is encapsulated in a material resistant to the main environmental aggressions. The sensor is sensitive to local distortions of the material caused by the propagation of waves in the material to be monitored in or on which the sensor is integrated. It is capable of instantly measuring the deformations induced by the change in structure and therefore fulfilling the role of a deformation gauge in real or almost real time.
L’unité de traitement des signaux reçus se présente comme un lecteur impulsionnel à taux de rafraîchissement élevé. The signal processing unit is presented as a high refresh rate pulse reader.
On peut citer typiquement comme référence à ce sujet:  As a reference, we can typically quote:
G. Goavec-Merou, N. Chrétien, J.-M Friedt, P. Sandoz, G. Martin, M. Lenczner, S.Ballandras, "i ast contactless vibrating structure characterization using real time FPGA- based digital signal processing: démonstrations with a passive wireless acoustic delay line probe and vision^, Rev. Sci. Instrum vol 85, issue 1, J an. 2014, pp.015109] G. Goavec-Merou, N. Chrétien, J.-M Friedt, P. Sandoz, G. Martin, M. Lenczner, S. Ballandras, "i ast contactless vibrating structure characterization using real time FPGA- based digital signal processing: demonstrations with a passive wireless acoustic delay line probe and vision ^ , Rev. Sci. Instrum vol 85, issue 1, J an. 2014, pp.015109]
Constitué d'une électronique de mesure utilisée pour les lignes à retard fonctionnant typiquement à plus de lGHz (par exemple 2,45 GHz) et permettant une acquisition rapide jusqu'à (125 MS/s par exemple) sur un matériel de type FPGA (« Field-Programmable Gâte Array »), ce matériel met en œuvre une technique de traitement et exploitation des signaux reposant sur une mesure fine en exploitant en particulier la phase des signaux en identifiant les rotations de phase (et les différences de phase entre signaux émis et signaux reçus du capteur). Consisting of measurement electronics used for delay lines typically operating at more than 1 GHz (for example 2.45 GHz) and allowing rapid acquisition up to (125 MS / s for example) on FPGA type equipment ( “Field-Programmable Gate Array”), this equipment implements a signal processing and processing technique based on a fine measurement by exploiting in particular the phase of the signals by identifying the phase rotations (and the phase differences between transmitted signals and signals received from the sensor).
En référence maintenant à la figure 1, on prévoit à cet effet un ou plusieurs capteurs miniatures Cl, C2, ..., Cn, d'émissions acoustiques à ondes élastiques de surface (SAW) équipés d’antennes respectives AC1, AC2, ..., ACn, et en contact avec un matériau STR, par exemple un composite, de la structure à surveiller. En particulier, aucune puce électronique n’est nécessaire dans les capteurs, ni fils, ni source d'énergie locale. En effet, les capteurs Cl, C2, ..., Cn comportent des transducteurs respectifs SP1, SP2, ..., SPn, tels que des substrats piézoélectriques de forme rectangulaire allongée par exemple (comme des chemins acoustiques libres d’électrodes de 3 à 6 mm de long sur moins de 500pm de large) accolés sur la surface du matériau STR (par une colle rigide pour transférer efficacement la contrainte du matériau composite vers le substrat piézoélectrique du transducteur à onde élastique, comme illustré sur la figure 2). With reference now to FIG. 1, one or more miniature sensors C1, C2, ..., Cn, of acoustic elastic surface wave (SAW) sensors provided with respective antennas AC1, AC2, are provided for this purpose. .., ACn, and in contact with a STR material, for example a composite, of the structure to be monitored. In particular, no chip electronics is not required in the sensors, neither wires nor local energy source. Indeed, the sensors Cl, C2, ..., Cn comprise respective transducers SP1, SP2, ..., SPn, such as piezoelectric substrates of elongated rectangular shape for example (like free acoustic paths of electrodes of 3 6 mm long and less than 500 µm wide) attached to the surface of the STR material (by a rigid adhesive to effectively transfer the stress from the composite material to the piezoelectric substrate of the elastic wave transducer, as illustrated in Figure 2).
Ainsi, comme illustré sur la figure 2, dans le cas où l’onde élastique de surface SAW rencontre une déformation DEF dans sa propagation à l’interface entre le substrat piézoélectrique SP et le matériau à surveiller STR, cette déformation DEF créant localement un champ de contrainte, la vitesse habituelle de l’onde SAW (de l’ordre de 3500m/s dans cet exemple) est modifiée du fait de cette déformation DEF. On observe alors un temps de vol tv pour le trajet aller-retour de l’onde SAW le long du substrat SP (depuis son bord gauche jusqu’à son bord droit, dans l’exemple de la figure 2, puis retour de l’onde), différent d’un temps de trajet habituel. Ainsi, en pilotant l’émission d’un signal d’excitation dans le substrat SP, via l’antenne AC, on peut observer un déphasage DEPH entre le signal d’excitation émis et le signal de mesure reçu de l’antenne AC et propre au trajet aller/retour à l’interface avec le matériau à surveiller STR. Ce déphasage DEPH (qui est proportionnel au temps de vol tv) n’a pas une valeur habituelle, attendue, si une déformation est présente dans le matériau STR. Thus, as illustrated in FIG. 2, in the case where the elastic surface wave SAW encounters a deformation DEF in its propagation at the interface between the piezoelectric substrate SP and the material to be monitored STR, this deformation DEF locally creating a field of constraint, the usual speed of the SAW wave (of the order of 3500m / s in this example) is modified due to this deformation DEF. We then observe a time of flight tv for the return trip of the SAW wave along the substrate SP (from its left edge to its right edge, in the example of Figure 2, then return from the wave), different from a usual journey time. Thus, by controlling the emission of an excitation signal in the substrate SP, via the antenna AC, one can observe a phase shift DEPH between the excitation signal emitted and the measurement signal received from the antenna AC and specific to the round trip at the interface with the material to be monitored STR. This DEPH phase shift (which is proportional to the flight time tv) does not have the usual expected value if a deformation is present in the STR material.
Par ailleurs, dans le cas où une déformation locale est présente, il s’en suit une onde transitoire OT en volume qui peut être aussi détectée (dans l’amplitude et/ou la fréquence du signal de mesure) et cette perturbation du signal de mesure peut définir ainsi une signature caractérisant la déformation DEF (quant à son type, son intensité, ou autre). Furthermore, in the case where a local deformation is present, there follows a transient wave OT in volume which can also be detected (in the amplitude and / or the frequency of the measurement signal) and this disturbance of the signal measurement can thus define a signature characterizing the DEF deformation (as to its type, its intensity, or other).
En référence à nouveau à la figure 1, les antennes des capteurs AC1, AC2, ..., ACn sont reliées par ondes électromagnétiques (par exemple par radiofréquence) à l’antenne AUT d’une unité de traitement UT comprenant une électronique (hardware) de calcul et d'interrogation à distance, dotée d'un taux de rafraîchissement élevé et pouvant atteindre 1 MHz avec une structure de capteur retardant le signal incident de 1 m8 au maximum. Une telle réalisation permet de détecter rapidement une déformation, en service, de la structure à surveiller et permet en outre d’observer la signature de cette déformation dans le signal de mesure reçu et analysé. Referring again to FIG. 1, the antennas of the sensors AC1, AC2, ..., ACn are connected by electromagnetic waves (for example by radio frequency) to the antenna AUT of a processing unit UT comprising electronics (hardware ) remote calculation and interrogation, with a high refresh rate and up to 1 MHz with a sensor structure delaying the incident signal by a maximum of 1 m8. Such an embodiment makes it possible to quickly detect a deformation, in service, of the structure to be monitored and also makes it possible to observe the signature of this deformation in the measurement signal received and analyzed.
Cette unité de traitement UT comporte typiquement, dans son implémentation de RADAR monostatique à courte portée, une interface INT radiofréquence d’émission et réception commutée par duplexeur reliée à l’antenne AUT, ainsi qu’un processeur PROC coopérant avec une mémoire MEM (stockant notamment des données d’instructions d’un programme informatique au sens de l’invention). Ainsi, le processeur PROC, en lisant la mémoire MEM, peut mettre en œuvre tout ou partie des étapes du procédé ci-avant et notamment : suite à la réception du signal de mesure à l’étape Sl, déterminer à l’étape S2 un déphasage DEPH entre le signal sonde émis dans le capteur C et le signal de mesure reçu à l’antenne AUT, This UT processing unit typically includes, in its implementation of short-range monostatic RADAR, a radiofrequency INT interface for transmission and reception switched by duplexer connected to the AUT antenna, as well as a PROC processor cooperating with a MEM memory (storing in particular instruction data from a computer program within the meaning of the invention). Thus, the processor PROC, by reading the memory MEM, can implement all or part of the steps of the above method and in particular: following the reception of the measurement signal in step S1, determining in step S2 a DEPH phase shift between the probe signal sent in sensor C and the measurement signal received at the AUT antenna,
comparer à l’étape S3 la valeur de ce déphasage DEPH à une valeur de déphasage attendue VAT, et si la différence entre ces deux valeurs (en valeur absolue par exemple) est supérieure à un seuil SE (flèche OK en sortie du test S3),  compare in step S3 the value of this phase shift DEPH with an expected phase shift value VAT, and if the difference between these two values (in absolute value for example) is greater than a threshold SE (arrow OK at the output of test S3) ,
alors un signal d’alerte peut être déclenché à l’étape S4 pour indiquer la présence d’une déformation DEF (par exemple via une interface homme machine IHM que comporte l’unité de traitement UT pour prévenir un opérateur humain, ou simplement vers une interface de communication d’un équipement de type actionneur ou autre pour cesser la sollicitation de la structure STR, ou autres). Le cas échéant, le procédé peut se poursuivre par l’analyse du signal de mesure reçu pour une caractérisation fine de la déformation DEF à travers l’analyse de l’effet de l’onde transitoire OT à l’étape S5.  then an alert signal can be triggered in step S4 to indicate the presence of a deformation DEF (for example via a man-machine interface HMI that includes the processing unit UT to warn a human operator, or simply to a communication interface of an actuator or other type of equipment to stop the stressing of the STR structure, or others). If necessary, the method can continue with the analysis of the measurement signal received for a fine characterization of the deformation DEF through the analysis of the effect of the transient wave OT in step S5.
Ensuite, le procédé est réitéré de façon dynamique (flèche KO en sortie du test S3 et en sortie de l’étape S5) pour observer en temps réel les déformations que peut subir le matériau STR.  Then, the process is dynamically repeated (arrow KO at the end of the test S3 and at the end of the step S5) to observe in real time the deformations that the STR material can undergo.
Un tel dispositif permet donc de détecter des ondes acoustiques générées par l'endommagement du matériau et provoquant localement et de manière transitoire, lors de leur propagation, des distorsions de la matière. Ces distorsions sont transmises au capteur C (qui peut être accolé sur la surface du matériau ou intégré en volume dans le composite), produisant ainsi des déformations du substrat piézoélectrique que comporte le capteur. On peut montrer qu’une relation bijective existe entre ces déformations du couple matériau- capteur et la célérité de l’onde élastique se propagent à la surface du substrat piézoélectrique formant le capteur. Le capteur permet ainsi de détecter et enregistrer des ondes transitoires avec une grande sensibilité et sur une large gamme de fréquences puisque l'électronique associée permet de l'interroger avec des intervalles de temps très court (par exemple de 2 microsecondes). Ces caractéristiques (en termes de sensibilité aux perturbations locales et de fréquence d'échantillonnage) rendent possible l'enregistrement d'émissions acoustiques, qui, généralement pour les composites, ont des durées inférieures ou de l'ordre d’une milliseconde, un contenu fréquentiel compris entre 10 kHz et quelques centaines de kHz, et des amplitudes de déplacement ou de déformation s'inscrivant sur plusieurs décades (en fonction du mode et de l'intensité de la déformation, voire de l'endommagement) . Such a device therefore makes it possible to detect acoustic waves generated by the damage to the material and locally and transiently causing, during their propagation, distortions of the material. These distortions are transmitted to the sensor C (which can be attached to the surface of the material or integrated in volume in the composite), thus producing deformations of the piezoelectric substrate that the sensor comprises. We can show that a bijective relation exists between these deformations of the material-couple sensor and the speed of the elastic wave propagate on the surface of the piezoelectric substrate forming the sensor. The sensor thus makes it possible to detect and record transient waves with high sensitivity and over a wide range of frequencies since the associated electronics make it possible to interrogate it with very short time intervals (for example of 2 microseconds). These characteristics (in terms of sensitivity to local disturbances and sampling frequency) make it possible to record acoustic emissions, which, generally for composites, have shorter durations or of the order of a millisecond, a content frequency between 10 kHz and a few hundred kHz, and displacement or deformation amplitudes falling over several decades (depending on the mode and intensity of the deformation, or even damage).
Les dimensions du capteur C sont inférieures à 800 microns en épaisseur et typiquement 50 mm2 en surface. Le dispositif permet de détecter des ondes transitoires générées par la déformation du matériau composite mais également par le capteur C qui les relève, dans le but d'identifier l'apparition ou la propagation d'endommagements dans la structure STR. En plus des émissions acoustiques, le dispositif peut également mesurer la déformation (statique) ou la température dont les variations au cours du temps sont beaucoup plus lentes. The dimensions of the sensor C are less than 800 microns in thickness and typically 50 mm 2 on the surface. The device makes it possible to detect transient waves generated by the deformation of the composite material but also by the sensor C which raises them, with the aim of identifying the appearance or the propagation of damage in the STR structure. In addition to acoustic emissions, the device can also measure deformation (static) or temperature, the variations of which over time are much slower.
Néanmoins, un avantage particulier du dispositif au sens de l’invention (et notamment de son capteur C) consiste en sa rapidité. A cet égard, le substrat piézoélectrique du capteur lui-même peut être réalisé dans un matériau de fort couplage électromécanique tel que niobate de lithium ou tantalate de lithium, à titre d’exemple non limitatif. However, a particular advantage of the device within the meaning of the invention (and in particular of its sensor C) consists in its speed. In this regard, the piezoelectric substrate of the sensor itself can be made of a material of strong electromechanical coupling such as lithium niobate or lithium tantalate, by way of nonlimiting example.

Claims

Revendications Claims
1. Dispositif pour surveiller l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, le dispositif comprenant : 1. Device for monitoring the structural state of a material subject to deformation, the device comprising:
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et  at least one passive sensor comprising a piezoelectric substrate in contact with the material to be monitored, and
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur,  - a processing unit connected to the piezoelectric substrate and repeatedly injecting a probe signal into the substrate to be converted into an elastic probe wave propagating in or on the piezoelectric substrate of the sensor,
le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement, the piezoelectric substrate further converting an elastic measurement wave resulting from the propagation of the elastic probe wave in or on the substrate, into a measurement signal intended for the processing unit,
caractérisé en ce que l’unité de traitement : characterized in that the processing unit:
estime un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde, compare ce déphasage à une valeur attendue, et  estimates a measured phase difference between the measurement signal and the probe signal, compares this phase difference with an expected value, and
détecte une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.  detects a deformation of the material to be monitored in the event of a difference between the measured phase shift and the expected value.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique est conformé pour être accolé, avec un contact surfacique, au matériau à surveiller. 2. Device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric substrate is shaped to be attached, with a surface contact, to the material to be monitored.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite onde élastique est une onde élastique de surface se propageant sur le substrat piézoélectrique du capteur. 3. Device according to claim 2, characterized in that said elastic wave is an elastic surface wave propagating on the piezoelectric substrate of the sensor.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique comporte une ou plusieurs électrodes périodiques déposées sur le substrat piézoélectrique, la propagation de l’onde élastique de surface comprenant une réflexion de l’onde élastique de surface sur une électrode, et le déphasage attendu étant représentatif d’un temps de parcours de l’onde élastique suivant un aller jusqu’à une électrode et un retour. 4. Device according to claim 3, characterized in that the piezoelectric substrate comprises one or more periodic electrodes deposited on the piezoelectric substrate, the propagation of the surface elastic wave comprising a reflection of the surface elastic wave on an electrode, and the expected phase shift being representative of a travel time of the elastic wave following a go to an electrode and a return.
5. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, une déformation du matériau à surveiller donnant naissance à une onde acoustique transitoire se propageant en volume dans le matériau à surveiller, et couplant avec le substrat piézoélectrique par transfert de contrainte, l’unité de traitement est agencée en outre pour détecter une déformation occasionnant ladite onde acoustique transitoire. 5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a deformation of the material to be monitored giving rise to a transient acoustic wave propagating in volume in the material to be monitored, and coupling with the substrate piezoelectric by stress transfer, the processing unit is further arranged to detect a deformation causing said transient acoustic wave.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que la fréquence de l’onde transitoire est comprise entre 10 kHz et 1 MHz, et en ce que l’unité de traitement est agencée pour caractériser la déformation occasionnant l’onde transitoire par observation du signal de mesure. 6. Device according to claim 5, characterized in that the frequency of the transient wave is between 10 kHz and 1 MHz, and in that the processing unit is arranged to characterize the deformation causing the transient wave by observation of the measurement signal.
7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité de traitement comporte une première antenne agencée pour émettre une onde électromagnétique sonde en tant que signal sonde et recevoir une onde électromagnétique de mesure en tant que signal de mesure, et en ce que le capteur comporte une deuxième antenne agencée pour coopérer avec la première antenne et recevoir l’onde électromagnétique sonde que le substrat piézoélectrique convertit en ladite onde élastique sonde, et émettre l’onde électromagnétique de mesure résultant de la conversion de l’onde élastique de mesure issue du matériau à surveiller. 7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the processing unit comprises a first antenna arranged to transmit a probe electromagnetic wave as a probe signal and to receive an electromagnetic measurement wave as a measurement signal, and in that the sensor comprises a second antenna arranged to cooperate with the first antenna and receive the electromagnetic wave probe that the piezoelectric substrate converts into said elastic wave probe, and emit the electromagnetic measurement wave resulting from the conversion of the elastic measuring wave from the material to be monitored.
8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’onde électromagnétique sonde est de fréquence supérieure à 1 GHz. 8. Device according to claim 7, characterized in that the electromagnetic wave probe is of frequency greater than 1 GHz.
9. Dispositif selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat piézoélectrique est réalisé dans un matériau comportant du niobate de lithium et/ou du tantalate de lithium. 9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the piezoelectric substrate is made of a material comprising lithium niobate and / or lithium tantalate.
10. Procédé de surveillance de l’état structurel d’un matériau sujet à une déformation, à partir d’un dispositif selon l’une des revendications précédentes et comprenant : 10. Method for monitoring the structural state of a material subject to deformation, using a device according to one of the preceding claims and comprising:
- au moins un capteur passif comportant un substrat piézoélectrique en contact avec le matériau à surveiller, et  at least one passive sensor comprising a piezoelectric substrate in contact with the material to be monitored, and
- une unité de traitement reliée au substrat piézoélectrique et injectant répétitivement un signal sonde dans le substrat pour être converti en une onde élastique sonde se propageant dans ou sur le substrat piézoélectrique du capteur, le substrat piézoélectrique convertissant en outre une onde élastique de mesure résultant de la propagation de l’onde élastique sonde dans ou sur le substrat, en un signal de mesure destiné à l’unité de traitement, - a processing unit connected to the piezoelectric substrate and repeatedly injecting a probe signal into the substrate to be converted into an elastic probe wave propagating in or on the piezoelectric substrate of the sensor, the piezoelectric substrate further converting an elastic measurement wave resulting from the propagation of the elastic probe wave in or on the substrate, into a measurement signal intended for the processing unit,
le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte les étapes exécutées par l’unité de traitement :  the method being characterized in that it comprises the steps executed by the processing unit:
estimer un déphasage mesuré entre le signal de mesure et le signal sonde, comparer ce déphasage à une valeur attendue, et  estimate a measured phase difference between the measurement signal and the probe signal, compare this phase difference with an expected value, and
détecter une déformation du matériau à surveiller en cas d’écart entre le déphasage mesuré et la valeur attendue.  detect a deformation of the material to be monitored in the event of a difference between the measured phase shift and the expected value.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel une déformation dans le matériau à surveiller crée un champ de contrainte déformant aussi au moins transitoirement le substrat piézoélectrique, le procédé étant caractérisé en ce que l’onde élastique de mesure comporte un retard dépendant du champ de contrainte que subit, par transfert de contrainte, le substrat dans le cas d’un évènement de déformation du matériau à surveiller. 11. The method of claim 10, wherein a deformation in the material to be monitored creates a stress field also deforming at least transiently the piezoelectric substrate, the method being characterized in that the elastic measurement wave has a delay depending on the field of stress which the substrate undergoes, by stress transfer, in the event of a deformation event of the material to be monitored.
12. Procédé selon l’une des revendications 10 et 11, caractérisé en ce qu’il comporte une étape préalable de mise en service du matériau à surveiller, ladite mise en service étant susceptible de solliciter le matériau à surveiller en générant une ou plusieurs déformations locales, l’unité de traitement étant agencée pour mettre en œuvre répétitivement et en dynamique les étapes de détection de déphasage non attendu. 12. Method according to one of claims 10 and 11, characterized in that it comprises a prior step of commissioning the material to be monitored, said commissioning being capable of urging the material to be monitored by generating one or more deformations local, the processing unit being arranged to repeatedly and dynamically implement the steps of detection of unexpected phase shift.
13. Procédé selon la revendication 12, caractérisé en ce que le matériau à surveiller est un composite à base de fibres. 13. The method of claim 12, characterized in that the material to be monitored is a fiber-based composite.
14. Programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 10 à 13, lorsque lesdites instructions sont exécutées par un processeur d’une unité de traitement. 14. Computer program comprising instructions for implementing the method according to one of claims 10 to 13, when said instructions are executed by a processor of a processing unit.
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