VI. Conclusion

THÈSE
En vue de l’obtention du
DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)
Présentée et soutenue par :
Julien YONG
Le Jeudi 11 avril 2013-04-15
Titre :
r de force piézoélectrique résonant à forte
raideur pour interfaces haptiques aéronautiques
ED GEET : Génie Electrique
Unité de recherche :
Laboratoire LAPLACE - UMR CNRS 5213
Membres du jury
Pierre BIDAN : Président (se 3)
Yves BERNARD : Rapporteur 
Hassan ZAHOUANI : Rapporteur 
Jean-François ROUCHON : Directeu

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Remerciements
Le manuscrit de thèse commence toujours par la phase de remerciement et je ne ferai pas
exception à la règle.
s en particulier remercier Mr Jean-François Rouchon en qualité de directeur de
thèse. 
Mes remerciements vont aussi aux rapporteurs Mr Yves Bernard et Mr Hassan Zahouani ainsi
idan qui ont été disposés à consacrer du temps à la lecture et
à la critique de ce travail.
Je remercie les appuis techniques fournis par Mr Hoan Tran, Mr Dominique Harribey et Mr
Robert Larroche            Je tiens à
remercier particulièrement Mr Jean-François Llibre et Mr Eric Duhayon pour leur sympathie apportée
au cours de cette thèse. Je remercie bien sûr les secrétaires ainsi que Mr Ladoux et Mr Benaouin.
, Mathieu Le
Bolloch.
rants avec notamment Tahar,
collègue de bureau puis de RU, Mounir pour son soutien technique sans faille durant toute ma thèse,
Alaric pour ses nombreux débats professionnels, Aurélien pour ses nombreuses discussions non-
professionnelles, Yacine, Mouloud et Mustapha représentants du deuxièmes étage !!! Julie, Etienne,
Sébastien et Edouard      Maxime, Jean-François, Johannes, Nicola et
Christian en tant que collègues de bureau. Je remercie Satafa, discret et toujours de bonne humeur
Je tiens particulièrement à remercier les deux Sébastien : Sébastien Carrière pour sa culture
musicale exceptionnelle et Sébastien Lanoue 
oubliés, soyez indulgents et sachez que cette partie de la
thèse est aussi délicate à rédiger.
a toujours encouragé tout au long de ma
elle ne comprenait pas grand chose à ce que je racontais.

Page 3
Table des matières
Remerciements ............................................................................................................... 2
Introduction générale ..................................................................................................... 8
Chapitre : Technologies permettant de mesurer une force ........................................ 10
I. Introduction ............................................................................................................... 10
II. Contexte .................................................................................................................... 10
A. Cadre scientifique .................................................................................................. 10
B.  .................................................... 10
C. Utilisation de  ............................................................................ 12
III. Technologie à jauges de contrainte [4] ..................................................................... 13
A. Historique .............................................................................................................. 13
B. Principe .................................................................................................................. 14
C. Matériaux .............................................................................................................. 16
D. Conditionnement de la mesure ............................................................................. 16
E. Applications des technologies à jauges de contrainte .......................................... 17
IV. Technologie piézoélectrique ..................................................................................... 17
A. Historique et présentation du phénomène ........................................................... 17
B. Matériaux .............................................................................................................. 18
1. Propriétés ............................................................................................................ 18
2. Limites .................................................................................................................. 19
C. Applications ........................................................................................................... 21
D. Limites en tant que capteurs ................................................................................. 23
V. Capteurs magnétostrictifs ou magnéto-élastiques ................................................... 23
A. Définition ............................................................................................................... 23
B. Présentation du phénomène ................................................................................. 24
C. Effet Joule magnétique et matériaux .................................................................... 25
D. Applications [27] .................................................................................................... 26
E. Limites en tant que capteur .................................................................................. 28
VI. Comparaisons piézoélectricité  magnétostriction ................................................... 28
VII. Capteur à onde acoustique de surface ou Surface Acoustic Wave (SAW) ................ 30
A. Principe .................................................................................................................. 30
B.  ............................................................. 32
1. Capteur mécanique ............................................................................................. 32
2. Capteur de température ...................................................................................... 33
3.  ............................................................................ 34

Page 4
VIII. Spécifications et choix de la technologie utilisée ...................................................... 34
IX. Conclusion ................................................................................................................. 37
Chapitre II : Technologie à impédance électromécanique ........................................... 38
I. Introduction ............................................................................................................... 38
II. e électromécanique ............. 38
A. Principe de la mesure par impédance électromécanique ..................................... 38
B. Capteur de force .................................................................................................... 38
C. ..... 40
D.  .................................................................................... 42
III.  ..................................... 46
A. Définition des différents coefficients de caractérisation du matériau.................. 47
1.  ................................................................... 47
2. Coefficient de Poisson [64] .................................................................................. 47
B. Vitesse de propagation des ondes ........................................................................ 48
C.  ............................................................... 49
D.  ........................................................... 49
E. Solution globale ..................................................................................................... 50
F. Modèle de Mason [66] .......................................................................................... 51
1. i ......................................................................................... 51
2.  ..................................................................... 51
3. Modélisation par matrice de transfert ................................................................ 52
IV. Matériaux piézoélectriques ....................................................................................... 53
A. Lois constitutives [67] ............................................................................................ 53
B. Equation électrique ............................................................................................... 54
C. Equation mécanique .............................................................................................. 55
D. Modélisation par matrice de transfert .................................................................. 56
E. Modèle de Butterworth-Van Dyke [69] ................................................................. 56
F.  ....................................... 58
V. Présentations des deux structures assemblées ........................................................ 59
A. Différences fondamentales de la prise en compte des interfaces ........................ 59
B. Transducteur de Langevin ..................................................................................... 60
1. Présentation ........................................................................................................ 60
2. Modélisation analytique ...................................................................................... 61
3. Modélisations numérique.................................................................................... 62
C. Transducteur à mode interne ................................................................................ 63
1. Présentation ........................................................................................................ 63
2. Modélisation analytique ...................................................................................... 64

Page 5
3. Modélisation numérique ..................................................................................... 65
VI. Conclusion ................................................................................................................. 66
Chapitre III : Analyse expérimentale et choix de la structure à implémenter ............. 67
I. Introduction ............................................................................................................... 67
II. Problématiques liées  ........................................ 67
A. Fixations mécaniques ............................................................................................ 67
B. Mise en place de contremasses auxiliaires ........................................................... 68
III. Présentation du matériel expérimental .................................................................... 69
A. Partie mécanique ................................................................................................... 69
B. Ele ..................................................... 72
1. Configuration du circuit de puissance ................................................................. 72
2. Banc de caractérisation des actionneurs piézoélectriques sous dSpace ............ 74
IV. Caractérisation des deux transducteurs utilisés à vide ............................................. 76
A. Introduction ........................................................................................................... 76
B. Influence des précontraintes ................................................................................. 78
V. Validation expérimentale des deux transducteurs ................................................... 79
A.  ................................ 79
B. Affinage du modèle analytique ............................................................................. 81
1. Transducteur de Langevin ................................................................................... 82
2. Transducteur à mode interne .............................................................................. 84
C. Choix de la commande : boucle ouverte ou boucle fermée ................................. 86
D. Utilisation de la zone interne de la bande de fréquence ...................................... 87
1. Description du phénomène ................................................................................. 87
2.  ....... 88
E. Utilisation des zones externes ............................................................................... 90
VI. Conclusion ................................................................................................................. 93
Chapitre IV : Tests environnementaux sur le transducteur à mode interne ............... 94
I. Introduction ............................................................................................................... 94
II. Caractérisation des essais ......................................................................................... 94
A. Traitement numérique .......................................................................................... 94
1. Traitement linéaire .............................................................................................. 94
2. Traitement logarithmique ................................................................................... 95
B. Mesure des différentes erreurs [78] ..................................................................... 97
1. Erreur de linéarité ................................................................................................ 97
2.  ............................................................................................... 98
III. Influence du nombre de céramiques ........................................................................ 99