Development of piezoresistive transducers on textile substrates for airflow characterisation

• Auteur / Autrice : Hankai Wu
• Direction : Laurent Dupont, Cyril Lahuec
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Inscription en doctorat le 01/11/2020
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Pour l'Ingénieur et le Numérique

Mots clés

Mots clés libres

Transducteur piézo-résistif

Pedot

Fil flexible

Perte de charge

Piezoresistive transducer

Pedot

Flexible yarn

Pressure drop

Résumé

L’objectif de ce travail est le développement de solution de détection de perte de charge d’un filtre à air qui doit être intégré à celui-ci pour un fonctionnement dans une centrale de traitement d’air (CTA). En effet, la perte de charge des filtres augmente avec la durée d’utilisation, et cette évolution a un impact non négligeable sur la consommation énergétique des ventilateurs de la CTA.Un système de mesure a été développé à partir de capteurs commerciaux connectés à un microcontrôleur, cependant ce système n’est pas perméable au flux d’air. Une solution de détection textile, basée sur lephénomène de la piézo-résistivité a été donc proposée et développée. Le substrat de base textile qui a été choisi est l’élasthanne pour ses propriétés d’élasticité, et sa capacité à se déformer sous faible contrainte.Ce matériau a été fonctionnalisé par deux techniques avec un polymère π conjugué, le poly(3,4-éthylènedioxythiophène), possédant des propriétés semi-conductrices et apportant une conductivité exploitable à un fil textile unitaire sur des longueurs de l’ordre du mètre. Ces fils textiles fonctionnalisés ont été caractérisés mécaniquement, morphologiquement, électriquement et électro-mécaniquement. Les résultats ont montré une affinité de la couche conductrice sur le substrat textile, et des procédés d’entraînement ont été établis afin d’améliorer les réponses électromécaniques pour une élongation de 5%. Pour finir, des tests préliminaires de détection sur une gaine de ventilation à l’échelle du laboratoire et sur une CTA à l’échelle industrielle ont permis de conclure que ces fils pouvaient discriminer des vitesses d’air allant de 1 à 3 m/s.

The aim of this work is to develop a pressure drop detecting system, which is to be integrated onto an air filter in an air handling unit (AHU). Indeed, filter pressure drop increases with the duration of use, and theevolution has a significant impact on the energy consumption of AHU. A measurement system has been developed using commercial sensors connected to a microcontroller. But this system is not permeable to airflow. A textile sensing solution, based on the piezoresistive phenomenon, was therefore proposed and developed. The textile substrate chosen was elastane, because of its elasticity and ability to deform under low stress.This material was functionalized by two techniques with a π conjugated polymer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene), possessing semiconducting properties and bringing exploitable conductivity to a unitary textile yarn over lengths of the order of a meter. These functionalized textile yarns were characterized mechanically, morphologically, electrically and electromechanically. The results demonstrated the affinity of the conductive layer to the textile substrate, and training procedures were established to improve electromechanical responses at 5% elongation. Finally, preliminary detection tests on a laboratory-scale ventilation duct and on an industrial-scale AHU concluded that these yarns could discriminate air velocities ranging from 1 to 3 m/s.