- I) Contexte et objectifs du projet
- II) Capteur à jauge de contrainte à base de crayon graphite
- III) Partie Analogique
- IV) Code Arduino
- V) KiCad
- VI) Banc de tests
- VII) Application mobile
- VIII) Datasheet
L'objectif de ce projet est de réaliser un capteur low-tech à base de graphite. Les recherches ont démontré les nombreux avantages du carbone graphite. L’électronique à base de papier gagne en popularité parmi les ingénieurs grâce à sa facilité d’approvisionnement, sa simplicité de fabrication et son faible coût.
Nous avons dû réaliser tous les processus de fabrication d'un shield PCB. Nous l'avons ensuite connecté à une plaque Arduino UNO.
Notre shield contient 6 composants différents : une jauge de contrainte, un flex sensor, un écran oled, un encodeur rotatoire, un potentiomètre digital et un module Bluetooth.
Par ailleurs, la carte Arduino fonctionne avec un code.
Nous avons ensuite réalisé une application mobile connectée au module bluetooth.
Nous avons évalué le capteur sur un banc de test.
Puis nous avons fini par réaliser la datasheet du capteur de contrainte.
Ce capteur low-tech utilise la théorie de la percolation au sein d’un système granulaire constitué de nanoparticules de graphite.
Nous déposons une fine couche de graphite sur la feuille de papier ce qui présente un réseau percolé caractéristique. Dans ce réseau, le transport des électrons entre les nanoparticules est basé sur le mécanisme de l’effet tunnel.
Lors de l'application d'une tension, le réseau percolé se trouve directement étendu. Cette déformation entraîne une augmentation de la distance effective entre les particules de graphite au sein du réseau. Une partie des chemins de percolation sont par conséquent rompus. Ainsi, la conduction du matériau diminue, donc la résistance de la couche de graphite augmente.
Inversement, lors de l’application de déformations en compression, le réseau percolé se trouve directement comprimé. Cette déformation entraîne une diminution de la distance effective entre les particules.
Ainsi, de nouveaux chemins de percolation sont créés, la conduction du matériau augmente, soit la résistance de la couche de graphite diminue.
Une jauge de contrainte est un circuit résistif dont la résistance varie en fonction de sa déformation. Donc en mesurant les variations de résistance de la jauge, nous en avons déduit la contrainte et la déformation appliquées.
Notre jauge de contrainte est alimentée par une tension régulée de 5V d'une carte Arduino UNO.
Ci-dessous, les 4 différentes jauges de contrainte que nous avons utilisé dans ce projet.
Capteur à jauge de contrainte à base de crayon graphite
Ce capteur graphite possède une résistance variable de l'ordre du GΩ. Le courant généré lorsque l'on applique une tension de 5V aux bornes du capteur est très faible.
Pour obtenir un signal exploitable nous avons dû l'amplifier. Pour ce faire, nous avons utilisé un montage transimpédance constitué d'un amplificateur opérationnel.
Pour cela nous avons dans un premier temps effectué une simulation électronique du capteur et de ce montage transimpédance sous LTSpice. Voici ci-dessous le montage réalisé sous LTSpice. Pour notre montage nous avons choisi l'AOP LTC1050 prenant en entrée un courant faible (de l'ordre d'une dizaine de picoampère).
Circuit amplificateur réalisé dans LTSpice
Ce circuit amplificateur contient également 3 filtres passe bas passifs, dont nous avons pu tester le bon fonctionnement alternativement.
- Le premier étage a une fréquence de coupure de 16 Hz, il permet de filtrer les bruits du courant en entrée. Nous avons testé ce premier étage pour vérifier que la fréquence de coupure soit la bonne.
Simulation de l'étage 1 dans LTSpice
- Le second étage a une fréquence de coupure de 1,6 Hz. Il permet de filtrer la composante de bruit du réseau électrique: le bruit à 50 Hz.
Simulation de l'étage 2 dans LTSpice
- Le dernier étage a une fréquence de coupure à 1,6 kHz qui permet d'atténuer le bruit provenant lors du traitement électronique.
Simulation de l'étage 3 dans LTSpice
Conclusion : grâce à la simulation sur LTSpice, nous remarquons que notre signal de sortie atteindra les 1V, ce qui lui permet d'être récupéré et exploité par la carte arduino UNO.
Le code Arduino permet la réception des mesures faites par les deux capteurs (Graphites et Flex Sensor) et d'afficher ces valeurs sur l'OLED.
Notre programme principal est composé de sous programmes associés à ces éléments:
Capteur graphite
Flex Sensor
Ecran OLED
Encodeur rotatoire
Potentiomètre digital
Module Bluetooth
Avant d'imprimer le PCB et de souder nos différents composants, nous avons dû dessiner les schémas électroniques, réaliser les composants électroniques et créer le PCB sur KICAD. Cette étape est importante car elle permet de prévisualiser le PCB, vérifier que tous les composants tiennent sur le PCB. Elle permet également de créer les différents routages de pistes.
Schémas électroniques
Création du PCB et des différentes empreintes sur KiCad
Visualisation 3D du PCB
Une fois que nous avons été satisfaites de la disposition de nos différents composants électroniques, et du routage de pistes, nous avons pu imprimer le PCB, le percer et y souder les différents composants.
PCB terminé
Nous avons relevé la variation de résistance de notre capteur en fonction de son angle de déformation. Pour cela, nous avons fabriqué un banc de test avec des disques en papiers de rayons de courbure différents:
Banc de tests
Nous avons réalisé les mesures pour une déformation du capteur en traction et en compression. Nous avons testé plusieurs crayons graphites qui ont des duretés différentes: 2H, 2B, HB, 6B. Les détails des calculs se trouvent sur le document nommé "bancdetest.xlsx"
Voici les résultats obtenus:
graphique représentant la variation de résistance relative en fonction de la compression appliquée
graphique représentant la variation de résistance relative en fonction de la tension appliquée
Nous pouvons remarquer que les résistances des mines de crayon les plus tendres sont plus faibles que celles des mines les plus dures. En effet, les mines les plus tendres contiennent plus de particules de graphites, donc les traces de crayons paraissent plus foncées. Au contraire, les mines les plus dures contiennent moins de particules de graphites et plus de liants argileux donc elles paraissent les traces de crayons paraissent plus claires. Sous compression, les particules de graphites se rapprochent donc le courant circule plus facilement: la résistance diminue. A l'inverse, sous traction, les particules de graphites s'écartent ce qui facilite la déconnexion des voies de conduction donc le courant circule moins facilement: la résistance augmente.
Nous avons réalisé une application mobile sur le site MIT App Inventor.
Une fois que le module bluetooth est connecté au téléphone, nous pouvons acquérir les données des capteurs en temps réel et les tracer sur le graphe.
Face avant de l'application
Nous avons déposé le PDF de la datasheet.