Conception et réalisation d'un capteur piézoélectrique de contraintes de cisaillement pour structure adaptative

= conception and realisation of a piezoelectric shear stress sensor for adaptive structure

• Auteur / Autrice : Denis Roche
• Direction : Lucien Eyraud
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance en 1995
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LGEF - Laboratoire de Génie Electrique et Ferroélectricité (Lyon, INSA)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (mécanique)

Capteurs de force

Matériaux piézoélectriques

Résumé

Cette étude concerne la conception, la modélisation et la fabrication de capteurs piézoélectriques destinés à la mesure des contraintes de cisaillement statiques et dynamiques dans les écoulements hydrodynamiques. Les phénomènes qui régissent ces écoulements sont encore mal connus et aucun dispositif ne permet, à ce jour, une mesure précise et fiable des contraintes de frottement sur la paroi. Une étude prospective des différentes solutions envisageables a d'abord été menée. Trois axes de recherche ont été principalement explorés. L'utilisation du mode de cisaillement d'une céramique ferroélectrique s'est avérée d'une sensibilité insuffisante mais nous a permis de déterminer avec précision le coefficient piézoélectrique d l5· Le second volet de nos travaux a été consacré à l'exploitation de la dérive en fréquence d'une ligne à retard à ondes de surface sous l'action d'efforts de cisaillement. Cette étude nous a permis de fixer les limites d'utilisation de ce dispositif Le troisième et dernier axe de recherche a consisté à concevoir et à réaliser un capteur original de type élément flottant, comportant deux ou plusieurs bilames piézoélectriques. La flexion de ces bilames assure la conversion de la force de cisaillement en une charge électrique mesurée à l'aide d'un simple amplificateur de charge. Inspiré de ce principe, un transducteur entièrement enrobé dans une résine polymère, a été optimisé à l'aide de la modélisation par éléments finis puis fabriqué. Ce capteur constitue un matériau composite qui présente les performances requises pour l'application recherchée.

The scope for our work is the conception, the modelling and the realisation of a piezoelectric sensor for the measurement of static and dynamic shear stresses in hydrodynamic flow. The values of the shear stresses ta be measured in a laminar or a turbulent flow are only of a few Pascal. The usual types of piezoelectric sensors can not perform this measurement with a satisfactory accuracy. Three different solutions have been investigated in out:'thesis work. The use of the shear mode of a piezoelectric ceramic has first been studied. Surface Acoustic Wave (SAW) devices have then been proposed. As these surface waves are very sensitive to external perturbation,. The shear stresses are responsible for a resonance frequency shift. The third device is a floating element type sensor. It consists of a sensing armature, in contact with the flow, and attached ta a fixed one by at least two piezoelectric bimorphs. The floating armature allows the measurement of the drag force counterbalancing the shear effort. This sensor has a high sensitivity and can perform quasi-static and dynamic shear stress measurement using a simple charge amplifier. Another concept, based on the last principle, is the composite transducer. This sensor is entirely embedded and constitutes a composite material, which has the shear stress sensitivity required.