Wireless communication for ultra-fast pressure sensor in extreme environment
Plateforme de communication sans fil pour réseaux de capteurs ultra rapides en environnement extrême
Résumé
The thesis focuses on the routing of signals delivered by ultra-fast blast wave pressure sensors during detonics experiments. These experiments being very dangerous, they imply a great protection distance for safety purposes. The measurement signals to be transmitted are analog and wide band., and they are currently routed with coaxial cables, which can reach hundreds of meters. Bandwidth limitation caused by wires, in addition to the problems of reflections of the electrical signal at the two ends of the cables, leads to signal integrity degradation and complicates the evaluation of the maximum overpressure of the blast wave. A wireless system has therefore been developed to overcome the drawbacks of current technology. A voltage controlled oscillator generates a radio frequency carrier at 5.8 GHz frequency modulated with the signal directly from the sensor. This carrier is then radiated by an antenna (half-wave dipole), then picked up by a horn antenna placed away from the explosion. The radiofrequency carrier is then digitized directly on reception after amplification. The instantaneous frequency of the carrier can be estimated over time over a few nanoseconds using a sliding Fourier transform, which allows the transmission of transient analog signals with rise time of less than 10 ns, regardless of distance. transmission. To find the pressure signal applied to the modulation input of the VCO from the instantaneous frequency of the carrier measured on reception, the oscillator is calibrated beforehand using a reference signal, which makes it possible to determine its voltage / frequency characteristic. Different models have been studied to estimate the characteristic of the oscillator. Finally, wireless transmission of step signals (Heaviside function) and exponential decay type signals (Friedlander function) are presented first, then actual measurement signals wirelessly transmitted from the device are also presented. Those signals were wirelessly transmitted from the inside of the Fireball formed by the detonation of condensed explosives, they are analyzed for the first time.
La thèse se concentre sur l’acheminement des signaux ultra-rapides délivrés par des capteurs de pression d’onde de souffle lors d’expérimentations de détonique. Ces expérimentations étant très dangereuses, elles impliquent une grande distance de protection à des fins de sécurité. Les signaux de mesure à transmettre sont analogiques et large bande de fréquence. Ils sont en outre altérés par la technique d’acheminement actuelle utilisant des câbles coaxiaux, qui peuvent atteindre plusieurs centaines de mètres. La limitation de la bande passante causée par ce montage filaire, en plus des problèmes posés par les réflexions du signal électrique aux deux extrémités des câbles, est à l’origine d’une modification de l’allure du signal et complique l’évaluation de la surpression maximale de l’onde de souffle. Un système sans fil a donc été élaboré pour pallier les inconvénients de la technologie actuelle. Un oscillateur contrôlé en tension module en fréquence une porteuse radiofréquence à 5.8 GHz avec le signal directement issu du capteur. Cette porteuse est ensuite rayonnée par une antenne (dipôle demi-onde), puis captée par une antenne cornet placée à distance de l’explosion. La porteuse radiofréquence est alors numérisée directement à la réception après amplification. La fréquence instantanée de la porteuse peut être estimée au cours du temps sur quelques nanosecondes à l’aide d’une transformée de Fourier glissante, ce qui permet la transmission de signaux analogiques transitoires de temps de montée inférieur à 10 ns, indépendamment de la distance de transmission. Pour retrouver le signal de pression appliqué à l’entrée de modulation du VCO à partir de la fréquence instantanée de la porteuse mesurée en réception, l’oscillateur est préalablement calibré à l’aide d’un signal de référence, ce qui permet de déterminer sa caractéristique tension/fréquence. Différents modèles ont été étudiés pour simuler au mieux la caractéristique de l’oscillateur. Au final, des résultats de transmission sans fil de signaux de type échelon (fonction de Heaviside) et de signaux de type pic-détente (fonction de Friedlander) sont d’abord présentés, puis des signaux de mesures réels transmis sans fil depuis l’intérieur de boules de feu formées par la détonation d’explosifs condensés sont obtenus et analysés pour la première fois.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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