Il y a, dans le domaine de la surveillance de santé structurale (SHM), une demande croissante pour des appareils intégrables à l'intérieur de la structure elle-même et capable de fournir des informations sur plusieurs paramètres physiques indicatifs de la santé d'une structure. Un besoin particulier est la détection de micro-fissures causées par le retrait du béton au jeune age. Cette thèse cherche à développer un système intégrable innovant basé sur une structure modulaire utilisant les composants suivants :

• un capteur de contraintes qui transforme les déformations mécaniques en changement de résistance électrique
• un circuit de conditionnement pour effectuer l'acquisition numérique de la sortie du capteur
• une antenne pour communiquer la mesure du capteur à l'extérieur de la structure

La figure ci-dessous montra l'architecture de la solution proposée.

Les jauges de contrainte sont traditionnellement exploités comme des capteurs de surface pour la surveillance des déformations macro de structures en béton et l'évaluation du risque de défaillances structurelles. Les développements récents montrent que l'utilisation de jauges de contrainte pourrait être étendu à l'analyse volumique d'événements de microfissuration. Nous avons développé un capteur de déformation à faible coût flexible qui promet de donner de meilleurs résultats que des jauges de contrainte métallique commerciales pour détection noyé dans le béton. La jauge de contrainte piézorésistive exploite le comportement des nanotubes de carbone (CNT) en réseau imprimée sur un substrat polymère à l'aide dune imprimante à jet d'ancre. Une haute reproductibilité de la fabrication a été atteinte, ce qui suggère la possibilité d'une production en série. Avec l'utilisation de matériaux à faible coût et des technologies à faible coût, le coût de fabrication (travail compris) est estimé à moins de 100€en petites séries et en dessous de 10 € en grandes séries. Il a été montré que la relation résistance / contrainte est linéaire jusqu'à 600 microdéformation, avec sensibilité (facteur de jauge) égale à 1. Des caractérisations préliminaires sur l'appareil suggère la possibilité de suivre la déformation mécanique aussi petite que 10 microns, justifiant la demande de l'utiliser le dispositif pour la détection précoce des micro-fractures dans le béton.

La figure ci-dessous montre le capteur réalisé.

L'électronique de conditionnement effectue la conversion numérique du signal généré par l'élément de détection. Deux contraintes ont influencé la conception de ce circuit :

• faible consommation d'énergie et l'élimination du bruit pour assurer une longue durée de vie du capteur lorsqu'il est incorporé à l'intérieur du béton
• une précision suffisante pour détecter petite déformation mécanique.

La solution proposée effectue automatiquement la compensation de température. Au stade actuel de développement le circuit a une consommation de puissance estimée de 0,36 mW et est alimenté par une pile bouton avec une capacité de 225 mAh. Dans ces conditions, le système a une espérance de vie de 163 h de fonctionnement continu qui, au moyen de courte et périodique interrogation des capteurs, peut se traduire dans plusieurs années de fonctionnement (pour trois lectures par jour, la durée de vie prévue est de 10 ans).

La liaison sans fil pour communiquer les données de capteur est assurée par un lien RFID. Le protocole utilisé est le RFID Gen2 EPS classe 3. La gamme de fréquence que nous avons choisie pour l'application est la bande UHF RFID mondiale (860-960MHz) qui assure un bon compromis entre la taille de l'antenne et la profondeur de pénétration dans le béton. Une antenne patch a été conçue et fabriquée en tenant compte des propriétés électromagnétiques de béton.

Sur la figure ci-dessous on voit à gauche la sortie du circuit électrique de conditionnement pour un chargement cyclique. Sur la gauche on montre l'antenne qui a été conçue.