Caractéristiques d’étalonnage du capteur-RFID

Pour évaluer la répétabilité sur le même échantillon de capteur-RFID étudié dans cette thèse, nous avons effectués 3 cycles de mesures sans interruption composés d’une montée et d’une descente d’humidité. Le Tableau 3-2 rassemble les valeurs de puissance 𝑃_𝑡^{𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛} obtenues pour un seul point de fréquence à 930MHz sur 3 cycles différents pour le même échantillon.

Tableau 3-2 Résultat de mesure en moyenne de la puissance de transmission (dBm) du Tag N°2 sur 3 cycles successifs, de monté et descente en humidité

930 Mhz Cycle N° 1 Cycle N° 2 Cycle N° 3

30 %HR 3,78 dBm 3,66 dBm 3,64 dBm

90 %HR 5,78 dBm 5,74 dBm 5,78 dBm

30 %HR 3,67 dBm 3,65 dBm 3,69 dBm

Nous nous intéressons aux valeurs extrêmes de chaque cycle, c’est-à-dire celles obtenues pour 30% et 90% d’humidité relative. On remarque une très bonne reproductibilité des mesures à la fois en montée et en descente.

3.3.3.2 Reproductibilité

Nous souhaitons maintenant évaluer la reproductibilité des mesures obtenues sur les deux échantillons différents réalisés de manière identique. Ces échantillons ont été mesurés dans la bande de fréquence nord-américaine comme présentés en Figure 3-14 a) et b) suivant 3 cycles de montée / descente d’humidité. Dans cette figure, chaque palier d’humidité est représenté par trois courbes de même couleur montrant trois cycles de montée en humidité.

Figure 3-14: Résultats de mesures (sélection de 6 points en fréquences) sur 3 cycles de montés (représenté par les 3 courbe de même couleurs) en humidité en bande US pour 6 valeur d’humidité relative : a.1) et b.1)

représente la puissance de transmission minimum d’activation du capteur-RFID pour le Tag 2 et 3 respectivement et a.2) et b.2) représente la puissance de réception d’activation du capteur-RFID pour le Tag 2 et

3 respectivement.

Nous observons que l’allure des courbes est très similaire, ce qui prouve que le comportement du capteur est reproductible à minima pour deux échantillons différents. Toutefois on remarque un décalage fréquentiel entre les deux capteurs probablement lié à une variation sur l’épaisseur du dépôt de gluten. Un procédé de dépôt industriel pourrait permettre de s’affranchir de ce problème. Dans l’attente de vérifier cette hypothèse, nous pouvons envisager la mise en place d’une phase de calibration individuelle pour chaque capteur afin de remonter à la valeur de l’humidité en fonction des variations de puissances observées.

3.3.3.3 Hystérésis

Comme nous l’avons remarqué précédemment il existe un effet d’hystérésis pour quelques valeurs d’humidités. Afin de quantifier cette hystérésis, nous avons tracé les courbes par palier d’humidité pour nos trois échantillons de capteurs-RFID. Nous nous intéressons aux valeurs de 𝑃_𝑡𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 obtenues à la fréquence de 930MHz de chaque échantillon. Les Figure 3-15 a), b) et c), respectivement pour le Tag1, le Tag 2 et le Tag 3, présentent la relation entre 𝑃_𝑡𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 mesurée à 930MHz et l’humidité relative pour 3 échantillons différents.

Figure 3-15: Courbe de réponse des capteurs-RFID en montée et décente d'humidité @ 930 Mhz pour : a) Tag 1 b) Tag 2 et c) Tag 3.

Nous observons que l’hystérésis ne concerne que les valeurs d’humidités comprises entre 50 et 70 %HR, et il varie de 0.3 dB jusqu’à 1 dB. Ces variations peuvent induire des erreurs sur l’extraction de la valeur d’humidité. Pour pallier à ce problème, nous pouvons minimiser l’erreur moyenne d’estimation en construisant un modèle mathématique qui prend en compte les valeurs mesurées pendant la phase de montée et de descente en humidité. Dans cette étude (décrit plus bas), nous avons réalisé un modèle mathématique basé seulement sur la montée en humidité et les résultats obtenus sont déjà satisfaisants.

3.3.3.4 Sensibilité / robustesse

Parmi les paramètres des capteurs, la sensibilité est le paramètre le plus critique. La sensibilité indique à quel point la sortie du capteur (𝑃_𝑡𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛) change lorsque la quantité mesurée (l’humidité relative) change. Par exemple, si la puissance 𝑃_𝑡𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 varie de 1 dB lorsque l’humidité change de 1 % HR, la sensibilité est de 1 dB / %HR. Les capteurs qui mesurent de très petits changements doivent avoir des sensibilités très élevées.

Le Tableau 3-3 présente la sensibilité mesurée pour les 3 échantillons de capteur-RFID étudiés. Les valeurs sont données pour la phase de montée et de descente en humidité.

Tableau 3-3: Sensibilité [dB / %HR] en humidité montante et descendante pour 3 capteur-RFID et à fréquence fixe Sensibilités Humidités (%HR) 𝑃_𝑡^{𝑎𝑐𝑡𝑖𝑣𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛} 𝐒𝐞𝐧𝐬𝐢𝐛𝐢𝐥𝐢𝐭é 𝐞𝐧 [𝐏(𝐝𝐁) %𝐇𝐑⁄ ] à 930 Mhz

Tag 1 Tag 2 Tag 3

Monté ^{30 → 70 0,04 0,05 0,02} 70 → 90 0,10 0,12 0,06 Descent e 90 → 70 0,08 0,10 0,05 70 → 30 0,05 0,06 0,03

Nous remarquons une différence claire entre la sensibilité en humidité basse et haute. En effet, la permittivité du gluten de blé n’est pas assez sensible en basse humidité pour pouvoir détecter une variation d’un pourcentage d’humidité relative. De plus, dans le cadre de cette thèse, nous utilisons un équipement de caractérisation RFID Voyantic Tagformance Lite, qui possède un pas de mesure en puissance minimum de 0.1dB. Par exemple, à 930 MHz, pour la plage de variation de 30 %HR à 70 %HR nous avons une sensibilité minimum de 0.02dB/%HR (on se place dans le cas le plus défavorable). Il est donc possible de détecter une variation minimum de 5 %HR. Concernant la variation d’humidité haute, de 70 %HR à 90 %HR, le capteur a une sensibilité minimum de 0.06 dB/%HR. Dans cette plage, on peut détecter une variation minimum de 1.5 %HR.

Tableau 3-4: Résultats de performances de notre capteur-RFID comparé aux performances obtenus par d’autres études académiques concernant les capteur-RFID UHF passif avec antenne fonctionnalisée

Références Surface du capteur [cm2] Gain réalisé [dB] 𝐒𝐞𝐧𝐬𝐢𝐛𝐢𝐥𝐢𝐭é 𝐝𝐞 𝑷_𝒕𝒂𝒄𝒕𝒊𝒗𝒂𝒕𝒊𝒐𝒏 𝐞𝐧 [𝐏(𝐝𝐁) %𝐇𝐑⁄ ] Matériau sensible [40 – 80 % HR] [80 – 100 % HR] Virtanen et al. [18] ^{42 -3 0.02 0.02 Kapton} Marrocco et al. [19] ^{52 -3 0.13 0.1} PEDOT PSS Marrocco et al. [20] ^{22 -1.5 0.39 0.08} PEDOT PSS Notre étude 21.96 -0.97 ^{[30 – 70 % HR] [70 – 95 % HR] Gluten de} _blé

0.06 0.12

La sensibilité maximale de notre capteur-RFID, pour la plage de variation de 30 % HR à 70 % HR est de 0.06 dB/%HR, et de 70 % HR à 90 % HR, est de 0.12 dB/%HR. On peut donc détecter une variation de 1.5 % HR et de 0.83 % HR respectivement en basse et haute

humidité. Ces performances ont été comparées aux performances obtenues dans d’autres études académiques, rassemblées dans le Tableau 3-4.

Nous avons sélectionné dans le Tableau 3-4 les études se rapprochant le plus de notre travail [20]. Nous remarquons dans un premier temps que l’encombrement de notre capteur-RFID est parmi les plus faible tout en garantissant un gain relativement bon (-1dB). Concernant la sensibilité, à basse humidité nous obtenons un résultat en dessous des performances obtenues dans [19], [20] lié à la faible sensibilité du gluten de blé aux basses humidités. La tendance s’inverse pour les hautes humidités car notre dispositif présente la meilleure sensibilité entre 70% HR et 95% HR. En parallèle des critères de performances strictes nous tenons à repréciser que le principal avantage de notre capteur-RFID se trouve dans l’utilisation d’un biopolymère comme élément sensible. C’est un matériau respectueux de l’environnement, et qui répond au critère de l’industrie agroalimentaire en termes de sécurité sanitaire.