This thesis deals with the design of a technological demonstrator for data collection in IoT environment. A study of available IoT technologies was made, consisting of a description of available sensors / actuators, data transmission and processing. At the same time, the key components of the demonstrator, the AWS IoT cloud service and the MQTT communication protocol, were described. Based on the IoT technology study, a representative set of technological demonstrator elements was designed. Its functionality has been experimentally verified using the ESP8266 and ESP32 WiFi modules using Mongoose-os firmware. The result is a demonstrator of IoT data collection designed for usage in an Smart House.

L’objectif de cet projet est la conception, réalisation et caractérisation d’un actionneur / capteur piézoélectrique piézorésonant destiné à la mesure du vieillissement de la peau humaine. L’étude présentée est le fruit d’une collaboration entre le groupe de recherche de l'Electrodynamique du INP-ENSEEIHT (Toulouse), LAPLACE Laboratoire de Recherche et l'École Polytechnique de Gdask, Département Génie Electrique et Automatique. Un concept d’actionneur / capteur pour la caractérisation des propriétés mécaniques des tissus mous a été présenté. Un actionneur piézoélectrique résonant, appelé "unimorphe" a été choisi parmi les différentes structures piézoélectriques fondées sur le cahier des charges. L'innovation du projet réside dans l'intégration de la méthode d'indentation dynamique en utilisant un unimorphe comme dispositif d'indentation. Ceci permet l'utilisation d'un certain nombre de propriétés électromécaniques favorables des transducteurs piézo-électriques. Ce mémoire est divisé en 7 chapitres. Le chapitre 1 présente la thèse et ses objectifs. Le chapitre 2 présente le phénomène piézoélectrique et les applications piézoélectriques dans les domaines de la médecine et de la bio ingénierie. Le chapitre 3 décrit le cahier des charges pour le transducteur développé. Le choix du transducteur unimorphe est ainsi justifié. Le chapitre 4 présente une description analytique du transducteur unimorphe, y compris les calculs de déformations statiques, la description du circuit équivalent de Mason, et la description des conditions de contact entre la sonde d'indentation et les matériaux testés. Le chapitre 5 contient l'analyse numérique du transducteur unimorphe en utilisant le modèle virtuel MEF. Les résultats de simulations statiques et modales sont décrits par deux géométries considérées du transducteur. Le chapitre 6 décrit le processus de vérification expérimentale des modèles analytiques et numériques développés pour le transducteur unimorphe. Enfin, le dernier chapitre comprend des conclusions générales concernant les résultats de recherche obtenus, ainsi que les travaux futurs possibles. Afin de vérifier la thèse d'un cycle complet de recherche a été effectuée, qui a couvert: étude analytique, l'analyse numérique (simulations MEF), réalisation de prototype, et la vérification expérimentale des actionneurs / capteurs piézoélectriques considérés. / The main goal of the dissertation was following: preparation of a new concept, implementation and analysis of the piezoelectric resonant sensor/actuator for measuring the aging process of human skin. The research work has been carried out in the framework of cooperation between the INP-ENSEEIHT-LAPLACE, Toulouse, France, and at the Gdansk University of Technology, Faculty of Electrical and Control Engineering, Research Group of Power Electronics and Electrical Machines, Gdask, Poland. A concept of transducer for the characterization of mechanical properties of soft tissues was presented. The piezoelectric resonant, bending transducer, referred to as “unimorph transducer” was chosen from different topologies of piezoelectric benders based on the fulfillment of the stated requirements. The innovation of the project lies in the integration of the dynamic indentation method by using a unimorph as an indentation device. This allows the use of a number of attractive electromechanical properties of piezoelectric transducers. The thesis is divided into seven chapters. Chapter 1 states the thesis and goals of the dissertation. Chapter 2 presents piezoelectric phenomenon and piezoelectric applications in the fields of medicine and bioengineering. Chapter 3 describes the requirements for the developed transducer. The choice of unimorph transducer is justified. Chapter 4 presents an analytical description of the unimorph transducer, including the calculations of static deformations, equivalent circuit description, and description of the contact conditions between the transducer and the tested materials. Chapter 5 contains the numerical analysis of the unimorph transducer using FEM virtual model. Results of static and modal simulations are described for two considered geometries of the transducer. Chapter 6 describes the experimental verification process of analytic and numerical models developed for unimorph transducer. The final chapter includes general conclusions concerning obtained research results and achievements, as well as possible future works. In order to verify the proposition of the thesis a full research cycle was carried out, that covered: analytical study, numerical analysis (FEM simulations), prototype realization, and experimental verification of the considered (developed) piezoelectric sensor/actuator structures.

Ce travail de thèse concerne la surveillance de l’état de santé de structures complexes en service. Elle est appliquée à des éléments d’une nacelle d’avion gros porteur. Ce travail est original et s’inscrit dans le cadre d’un projet, coordonné par AIRBUS Operations SAS et porté par AIRCELLE (Groupe SAFRAN). Les principales parties de la nacelle visées par notre démarche sont le capot de soufflante (fan cowl, composite monolithique) et la structure interne fixe du capot coulissant de l’inverseur de poussée (IFS, sandwich nid d’abeille). Ces structures réalisées en matériaux composites sont sujettes à de nombreux modes de dégradation(rupture de fibres, délaminage, fissures, etc…), qui peuvent impacter la durée de vie de la nacelle. De plus elles sont exposées à de nombreuses sollicitations environnementales dont des variations thermiques importantes (de -55 °C à +120°C). L’objectif de ce travail est la mise en place d’un système SHM visant à suivre l’état de santé de ces structures afin de détecter l’apparition de tels endommagements et de les localiser avant qu’ils ne conduisent à une dégradation de la structure; ceci de manière à permettre une maintenance prédictive. Des capteurs et actionneurs piézoélectriques (PZT) sont collés sur la structure et sont utilisés pour générer des ondes de Lamb et effectuer des mesures. La démarche SHM proposée s’appuie sur des mesures successives en partant d’un état initial considéré comme sain, puis en réalisant régulièrement des mesures de suivi. La différence entre des signaux mesurés pour deux états est analysée afin d’en extraire des caractéristiquessensibles à l’apparition de dommages. Après validation, des PZT ont été collés sur le fan cowl et l’IFS ainsi que sur des coupons et un banc d’essai approprié a été conçu afin de valider notre démarche. Du fait que l’on est amené à travailler sur des différences de signaux, des algorithmes de détection, basés sur les testsd’hypothèses statistiques et l’Analyse en Composantes Principales (ACP), ont dû être développés et validés. Ceci a d’abord été testé pour la détection de dommages contrôlés introduits d’abord dans des coupons, puis dans le fan cowl et dans l’IFS. Des algorithmes robustes (y compris aux variations de température) de localisation de ces dommages, basés sur l’extraction des temps de vol des ondes de Lamb, ont été développés et validés sur les structures étudiées. Une approche de quantification des incertitudes sur la localisation par inférence Bayésienne a été proposée en complément de la démarche déterministe implémentée. / This work aims at designing a Structural Health Monitoring (SHM) system for complex composite structures, with an application to elements of aeronautical nacelles. This work is original and is in the framework of a project, coordinated by AIRBUS Operations SAS and headed by AIRCELLE (SAFRAN Group). The main parts of the nacelle concerned with our approach are the fan cowl (composite monolithic) and the inner fixed structure (IFS, sandwich structure with honeycomb core) of the thrust reverser. These structures made from composite materials are subjected to many damages types which can affect nacelle’s useful life (fiber breaking, delamination, crack, etc…). Furthermore these structures are exposed to many environmental constraints which are for instance important thermal variations (from -55°C to +120°C). The objective of this work is to develop a SHM system aimed at detecting and localizing these damages, before the degradation of the whole structureoccurs. Piezoelectric (PZT) actuators and sensors are bonded on the structure and they are used to generate Lamb wave signals and perform measurements. The proposed SHM approach is based on successive measurements starting from an initial state, considered as healthy and regularly conducting follow-up. The difference in signals measured between two states is analyzed in order to extract some damages-sensitivesfeatures. After validation, PZT elements were glued to the fan cowl and to the IFS as well as on representative coupons and a suitable test bench is designed in order to validate our approach. Since one has to work on difference in signals, damage detection algorithms based on statistical hypothesis testing and PrincipalComponent Analysis (PCA) have been developed and validated. This was first tested for the detection of controlled damages introduced in coupons, and thereafter on the fan cowl and IFS. Robust damage localization algorithms (including with temperature variations) based on Time-of-flight (ToF) extraction from difference in signals, were developed and validated for these structures. A Bayesian approach for uncertainties quantification in the damage localization is also developed, leading to more accuracy in the damage localization results.