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UNIVERSITE DU QUEBEC MEMOIRE PRESENTE A L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC A CHICOUTIMI COM

UNIVERSITE DU QUEBEC MEMOIRE PRESENTE A L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC A CHICOUTIMI COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN INGENIERIE Par Zahira Ghalmi CONTRIBUTION AU DÉVELOPPEMENT D'UN CAPTEUR ULTRASONIQUE POUR MESURER L'ÉPAISSEUR DE LA GLACE Mars 2006 Mise en garde/Advice Afin de rendre accessible au plus grand nombre le résultat des travaux de recherche menés par ses étudiants gradués et dans l'esprit des règles qui régissent le dépôt et la diffusion des mémoires et thèses produits dans cette Institution, l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) est fière de rendre accessible une version complète et gratuite de cette œuvre. Motivated by a desire to make the results of its graduate students' research accessible to all, and in accordance with the rules governing the acceptation and diffusion of dissertations and theses in this Institution, the Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) is proud to make a complete version of this work available at no cost to the reader. L'auteur conserve néanmoins la propriété du droit d'auteur qui protège ce mémoire ou cette thèse. Ni le mémoire ou la thèse ni des extraits substantiels de ceux-ci ne peuvent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. The author retains ownership of the copyright of this dissertation or thesis. Neither the dissertation or thesis, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. 11 RESUME L'avancement de la recherche dans le développement de nouveaux types de capteurs plus performants destinés aux régions froides, capables de mesurer des épaisseurs d'une accumulation de glace sur une surface pour pouvoir activer des systèmes de déglaçage adéquats est nécessaire afin d'accroître la fiabilité des réseaux de transport d'énergie sous des conditions de givrage atmosphérique. Dans ce contexte, l'utilisation des capteurs ultrasoniques est indispensable compte tenu de leur possibilité de mesurer des épaisseurs importantes d'une accumulation. Le présent mémoire, entrepris dans le cadre des travaux de la chaire de recherche du Canada sur l'ingénierie du givrage des réseaux électriques (INGIVRE) à l'Université du Québec à Chicoutimi, a pour but de contribuer au développement d'un capteur ultrasonique capable de mesurer ponctuellement l'épaisseur d'une accumulation de glace sur une surface et de vérifier leur pouvoir de discrimination entre les différentes précipitations froides accumulées. Les résultats expérimentaux obtenus ont montré que la propagation des ultrasons dans les milieux solides diffèrent par rapport aux milieux liquides suivant leurs caractéristiques (densité, formation du milieu, vitesse du son, etc.). De plus, la présence de bulles d'air dans une couche de glace ou de givre modifie considérablement la réponse du capteur, ce qui expliquerait la réflexion de l'onde ultrasonore à l'interface de deux milieux. Ainsi, l'adjonction d'une couche de plexiglas entre le transducteur ultrasonique et le milieu accumulé a permis de mesurer de faibles épaisseurs d'une accumulation, de discriminer entre les différents types d'accumulations et de l'utiliser comme une référence pour la mesure des épaisseurs de différents milieux accumulés sur une surface. Nous avons conclu que l'utilisation d'un transducteur à faible coefficient de surtension est préférable car il permet une bonne discrimination entre les différents échos. De plus, il permettra de mesurer de faibles épaisseurs d'une accumulation sur une surface. Ainsi, les travaux réalisés dans le cadre de ce projet ont contribué à une meilleure compréhension de l'effet des ultrasons et de leur propagation dans les différents milieux accumulés (la glace, le givre et l'eau). De plus, ces résultats contribueront à améliorer la conception de nouveaux types de capteurs ultrasoniques, mieux adaptés aux surfaces cylindriques pour pouvoir mesurer la distribution d'une précipitation froide sur une surface. Ill ABSTRACT Advancement of research in the development of new types of more powerful sensors intended for the cold region is necessary to increase the reliability of electrical overhead networks under atmospheric icing conditions. For this purpose, these sensors must be capable of measuring ice accumulation thickness. hi this context, the use of the ultrasonic sensor is essential because of their capacity to measure accumulations of high thickness. The purpose of the present report, undertaken within the framework of Canada Research Chair of Atmospheric Icing and Power Network Engineering (INGIVRE) at the University of Quebec in Chicoutimi, is to contribute to the development of an ultrasonic sensor able to punctually measure the thickness of an accumulation of ice on a surface and to discriminate between different types of precipitations. The experimental results show that the propagation of ultrasounds in solid media differ from that to liquid media as to characteristics such as density, formation of the medium, speed of sound, etc. Moreover, the presence of air bubbles in a layer of ice or white frost considerably modifies the response of the sensor, which would explain the reflection of the ultrasonic waves at the interface of two media. Thus, the addition of a layer of Plexiglas between the ultrasonic transducer and the accumulated medium makes it possible to measure thin accumulations, to distinguish the various types of accumulations and to use the Plexiglas layer as a reference mark for thicknesses measurement of various media accumulated on a surface. It was concluded that using a transducer of low quality factor is preferable because it allows for a better discrimination between the various echoes. Moreover, such a transducer makes it possible to measure thin accumulations on a surface. Thus, the work completed within the framework of this project has contributed to a better comprehension of the effects of the ultrasounds and of their propagation through various accumulated media (ice, white frost and water). Moreover, these results will contribute to improve the design of new types of ultrasonic sensors, better adapted to cylindrical surfaces and capable of measuring the distribution of cold precipitations on a surface. IV REMERCIEMENTS Ce projet de recherche a été effectué dans le cadre du programme de la chaire industrielle CRSNG/Hydro-Québec/UQAC sur le givrage atmosphérique des équipements des réseaux électriques (CIGELE), à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC). Je tiens tout d'abord à remercier avec une profonde gratitude le Professeur Masoud Farzaneh, mon directeur de recherche et titulaire de la CIGELE, pour m'avoir accueilli au sein de son équipe de recherche, pour ses judicieux conseils tout au long de mes études de maîtrise et pour le soutien financier. Ma gratitude va également à mon co-directeur de mémoire, Docteur Christophe Volât qui a toujours su m'écouter et me conseiller avec diligence. Sa rigueur au travail, ainsi que sa motivation quotidienne pour le développement d'idées nouvelles, m'auront grandement inspirée tout au long de mes études. Je tiens à remercier tous les chercheurs, techniciens et administrateurs de la CIGELE, qui m'ont toujours aidé chaque fois que je les ai sollicités. Leur gentillesse à mon égard m'a permis de travailler dans une ambiance agréable, et je leur exprime ici toute ma sympathie. Je tiens tout particulièrement à remercier MM. Marc-André Perron et Pierre Camirand pour le soutien technique dans la réalisation des montages. Enfin, je tiens à remercier ma famille pour les encouragements qu'ils m'ont apportés tout au long de cette recherche. TABLE DES MATIERES CHAPITRE I INTRODUCTION 1 1.1 Problématique 1 1.2 Objectifs de la recherche 4 1.3 Méthodologie de travail 5 1.4 Originalité et portée de cette recherche 6 1.5 Organisation du mémoire 7 CHAPITRE II REVUE DE LITTÉRATURE 9 11.1 Introduction 9 11.2 Mesure ultrasonique 11 11.2.1 Les détecteurs à guide d'ondes ultrasonores 11 11.2.2 Détecteurs acoustiques d'impédance 16 11.2.2.1 Méthodes à un transducteur 16 11.2.2.2 Méthodes à deux transducteurs 18 11.2.3 Détecteurs sensibles à la masse 20 11.3 Autres méthodes 22 U3.\ Méthodes optiques 23 II.3.2 Méthodes capacitives 28 11.4 Conclusion 31 CHAPITRE III THÉORIE DE LA PIÉZO-ÉLECTRCITÉ 33 111.1 L'effet piézo-électrique 33 111.2 Équations de la piézo-électricité 36 111.3 Mode de vibration 37 VI 111.4 Paramètres caractéristiques et modélisation des éléments piézo-électriques 39 111.4.1 Représentation électrique d'un élémentpiézo-électrique 44 111.4.2 Coefficient de couplage 46 111.4.3 Facteur de qualité mécanique 48 111.5 Piézo-électricité dans les céramiques PZT 48 111.5.1 Introduction 48 111.5.2 Caractéristiques physiques d'une céramique PZT. 51 111.5.3 Les avantages et les inconvénients des céramiques PZT 52 111.6 Piézo-électricité dans le matériau PVDF 53 111.6.1 Introduction 53 111.6.2 Origine de la piézo-électricité dans le PVDF 58 111.6.3 Caractéristiques physiques du PVDF 59 111.6.4 Les avantages et les inconvénients des PVDF 61 CHAPITRE IV LES TRANSDUCTEURS ULTRASONIQUES. PIÉZO-ÉLECTRIQUE 63 IV.l Théorie des ultrasons 64 rv.1.1 Définition des ultrasons 64 IV.1.2 Paramètres de l'onde ultrasonore 65 IV. 1.2.1 L'impédance acoustique 66 IV.l..2.,2 La longueur de l'onde 66 IV. 1.2.3 La pression et l'intensité 67 IV. 1.2.4 L'équation de l'onde ultrasonore 67 IV.1.3 Propagation des ultrasons dans un milieu solide 68 IV.l .4 Propagation des ultrasons dans un milieu liquide 70 TV A.S Émission et réception de l'onde ultrasonore 71 IV.1.5.1 Description du faisceau ultrasonore émis 71 a) Zone initiale : zone de Fresnel 72 b) Zone distale : zone de Fraunhofer 73 IV. 1.5.2 Atténuation d'une onde ultrasonore 74 IV.l.5.3 L'absorption et la dispersion 76 IV'.1.5.4 Réflexion et réfraction de l'onde ultrasonore 78 IV. 1.5.5 Calcul du temps de vol d'une impulsion 82 IV.2 Théorie des transducteurs ultrasoniques piézo-électriques 83 TV.2.1 Définition 83 IV.2.2 Simulation de uploads/Geographie/ capteur-ultrasonique.pdf