Capteurs à ondes élastiques de déformation, température et champ magnétique directement intégrés sur pièces métalliques : applications en surveillance de santé des structures

Elastic strain wave, temperature and magnetic field sensors integrated directly into metal parts : Applications in structural health monitoring

• Auteur / Autrice : Prince Warel Mengue M'Owono
• Direction : Omar El Mazria, Sami Hage-Ali
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean Lamour (Nancy ; Vandoeuvre-lès-Nancy ; Metz)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Aubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Omar El Mazria, Sami Hage-Ali, Marta Clement Lorenzo, Hamida Hallil, Sergeï Zhgoon, Pascal Nicolay, Eloi Blampain
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marta Clement Lorenzo, Hamida Hallil

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contrôle non destructif

Colles

Capteurs (technologie)

Charpentes métalliques

Thermométrie -- Instruments

Jauges de contrainte

Dispositifs à ondes acoustiques de surface

Mots clés libres

Ondes acoustiques de surface

Capteur de déformation

Capteur de température

Substrat métallique

Capteur de champ magnétique

Colle

Metallic substrate

Temperature sensor

Surface acoustics wave

Strain sensor

Magnetic sensor

Adhesive

Résumé

Les recherches menées sur le maintien de l'intégrité de structure, encore appelé surveillance de l'état des structures (SHM) permet la mise en œuvre d'une stratégie d'identification des dommages pour les infrastructures d'ingénierie aérospatiale, civile et mécanique. Ces systèmes se constituent généralement d'un réseau de capteurs intelligents qui permettent l'acquisition des données de l'intégralité de la structure. De plus, l'utilisation accrut des objets connectés (IoT) rend ces systèmes plus attractifs dans le marché. Ainsi, il devient important de concevoir des capteurs sensibles à l'environnement extérieur disposant des caractéristiques innovantes et permettant de procéder à la surveillance en continu de la structure. Les dispositifs à onde acoustique de surface disposent d'une large gamme de caractéristique innovante, leur sensibilité aux perturbations extérieures permet de réaliser des mesures des différentes mesurandes (température, pression, déformation, etc.) en continu. En plus, ces dispositifs peuvent être passifs (sans batterie) interrogeable à distance (sans fil) et auto protégés (sans packaging). La réalisation des capteurs SAW conventionnels se fait généralement sur des matériaux piézoélectriques, ce qui entraîne l'utilisation de la colle pour la fixation du capteur sur la pièce sous test. La colle entraîne la mise en place d'un certain nombre de techniques complexes à réaliser, en plus d'une calibration de la structure fixée avant tout types de mesures. L'utilisation de celle-ci a pour effet, dans un premier temps, de générer des erreurs de mesure dues à la relaxation de la colle dans des environnements hostile et variable. Dans un second temps, un retard de mesure des contraints de déformation due qui varie en fonction de l'épaisseur et de l'environnement des mesures. Dans un troisième temps, souvent très rare à observer le décollage du capteur. L'objectif des travaux de cette thèse est donc de développer des capteurs combinant, les dispositifs SAW au système de surveillance de santé de structure pour la mesure de déformation, de température et de champ magnétique intégrés directement sur des pièces métalliques industrielles.

Structural integrity research, also called structural health monitoring (SHM), enables the implementation of a damage detection strategy for aerospace, civil, and mechanical infrastructures. These systems typically consist of a network of smart sensors that enable the collection of data across the entire structure. In addition, the increasing use of connected objects (IoT) in the market is making these systems more and more attractive. Therefore, it is important to develop sensors that are responsive to the external environment, have innovative features, and enable continuous monitoring of the structure. Surface acoustic wave devices have a wide range of innovative properties. Their sensitivity to external disturbances allows continuous measurement of the various measurands (temperature, pressure, deformation, etc.). Moreover, these devices can be passive (without battery), remotely interrogatable (wireless) and self-protected (without packaging). The implementation of conventional SAW sensors is usually on piezoelectric materials, which involves the use of adhesive to attach the sensor to the part under test. The adhesive leads to the need to perform a certain number of complex techniques, in addition to a calibration of the structure to be fixed before any type of measurement. This first leads to measurement errors caused by the relaxation of the adhesive in inhospitable and variable environments. In a second step, a delay is caused in the measurement of the deformation stresses, which varies according to the thickness and environment of the measurements. In a third step, sensor lift-off is often very rare. Therefore, the aim of this work is to develop sensors that combine SAW devices with the structural health monitoring system for the measurement of deformation, temperature and magnetic field integrated directly on industrial metal parts.