Brevet FR2233615A1 — publié le 19750110

La présente invention s'applique à l'utilisation des effets piéz#Lectriques qu'on peut obtenir 8 partir d1 éléments détecteurs comportant des diélectriques faits de matières plastiques qui se sont révElés- réagir a la manière de générateurs piézo-électriques lorsqu'ils étaient soumis a une déformation ou une contrainte mécanique. On peut utiliser ces éléments détecteurs dans des systèmes de détecteurs de pénétration, des systèmes de jauges de contrainte ou dans des systèmes de mesure de gradient de température, par exemple. Les dispositifs de détection à jauge de contrainte peuvent etreclassésen deux catégories générales : (1) ceux qui sont fixés rigidement à une surface où on doit mesurer la contrainte. Le type de loin le plus courant est ITextensiomètre à fil résistant dans lequel un fil métallique fin ou un grillage métallique subissent une variation de résistance proportionnelle à la variation de contrainte de la surface à laquelle il est fixé. D'autres types de cette catégorie comprennent l'extensiomètre piézorésistant et l'extensiomètre photo-élastique. (2) Ceux qui détectent le déplacement relatif sur une longueur prédOterminée entre l'objet subissant la contrainte et un cadre de référence fixe. Pour décrire ces dispositifs on utilise indiféremment les termes jauge de contrainte et extensiomètre. On utilise divers principes des transducteurs, tels que (a) amplification mécanique, (b) transformateur différentiel variable linéaire, (c) amplification d'ensemble optique, et (d) poursuite de contraste optique. On utilise, dans des montages spéciaux permettant de réaliser des mesures de contrainte, d'autres techniques de mesure telles qu-##interférométrie optique, hexographie, détection ultrasonique et différents systèmes travaillant aux fréquences radio. Ces dispositifs et ces techniques extensiometriques sont généralement conçus et utilisés pour mesurer une composante de contrainte superficielle dans une zone particulière d'une structure. La dimension de la zone varie de quelques millionièmes de centimètres pour les études microscopiques, à 2500 cm pour les extensiomètres utilisés à la recherche des tremblements de terre. La grande majorité des jauges de contrainte véritables appartient au domaine de 0,25 à 125 mm. Par comparaison avec la dimension des structures naturelles et de celles réalisées par l'homme, on peut généraliser en disant que ces extensiomètres ont été conçus pour des études de microstructure, par opposition aux études des réponses macrostructurelles. La plupart des avantages propres aux jauges de contrainte existantes deviennent des inconvénients lorsqu'on tente de les utiliser dans des recherches macrostructurelles. L'avantage qu'il y a à pouvoir mesurer une contrainte dans une petite zone devient un inconvénient en ce sens qu'une discontinuité comme une craquelure de surface, entrasse une défaillance de la jauge. Le résultat est qu'en dehors du laboratoire, les jauges de contrainte sont de peu de valeur dans les applications aux mesures des contraintes produites dans le monde réel. Une exception à cette affirmation est donnée par les applications où l'on doit satisfaire des critères de laboratoire. Undétecteur de pénétration connu utilise un cable de type coaxial-comme transducteur tribo-électrique étendu. Ce dispositif utilise un cable du type coaxial "bruyant' par nature comme élément clé d'un dispositif de détection pour détecter la présence de personnes, d'animaux, de véhicules, etc..., que le cable soit dérangé ou déplacé par ces derniers.Une caractéristique essentielle de la structure du dispositif connu est que l'on prévoit une adaptation a frottement lache entre l'un des conducteurs, ou les deux, et le diélectrique isolant interposé qui constituent les principaux constituants du cabale. Par conséquent, l'effet tribo-électrique, ou bruit de niveau élevé", est produit par frottement entre le dié#trique - isolant et le ou les conducteur(s) au plus léger déplacement relatif des constituant du cabale.Le courant tribo-électrique créé par le frottement est envoyé par une connexion électrique à des circuits électroniques, ce qui fournit un moyen de savoir si les constituants du cible ont été dérangêsondoit noter qa le signal de sortie d'un ~dispositif tribo-électrique présente toujours la meme polarité, ou, en d'autres termes, que la polari téne dépend pas du sens du mouvement. L'invention s'applique à un nouveau type de dispositif de détection fonctionnant soit comme jauge de contrainte, soit comme détecteur de pénétration, soit comme appareil de mesure de gradient de température, par exemple, ce dispositif utilisant le principe de la piézo-électricité pour transformer une contrainte ou une déformation mécanique en un signal analogique électrique Plus particulièrement, le dispositif consiste, sous sa forme la plus simple, en un conducteur central recouvert par une couche de matériau de détection qui est elle-mEme recouverte par un conducteur électrique extérieur. te matériau de détection peut entre l'un des nombreux matériaux de détection convenables électriquement, tels, comme le polytétrafluoro-éthylène, qui ont été reconnus comme des générateurs piézo-électriques. Pour faciliter l'utilisation, on peut ajouter des éléments supplié mentaires, par exemple un isolant électrique et un revetement protecteur extérieur entourant le matériau de détection, mais i3sne sont pas fondamentaux pour le dispositif.D'un point de vue fonctionnel, une déformation ou une contrainte mécanique à détecter ou mesurer est communiquée au conducteur extérieur qui est caractérisé par une faible constante d'élasticité mécanique de manière à offrir une résistance minime à la déformation ou à la contrainte lorsque celle-ci est transmise à la circonférence extérieure du matériau de détection. La circonférence intérieure du matériau de détection est partiellement retenue par le conducteur intérieur, de sorte qu'il se crée une contrainte à travers 1 'élément détecteur qui produit une différence de potentiel électrique de grandeur proportionnelle au produit de l'intensité de la contrainte par la longueur ainsi contrainte et d'une polarité qui est fonction du sens de la contrainte. Cette différence de potentiel électrique est transformée en un signal électrique utilisable par des circuits électriques et électroniques convenables. On comprendra facilement l'invention à l'aide de la description suivante et des dessins, dans lesquels La Figure 1 est une vue en coupe transversale, à une échelle agrandie, d'un élément détecteur piézo-électrique; La Figure 2 est une vue en coupe transversale illustrant une forme différente du type d'élément détecteur représenté sur la Figure 17 La Figure 3 est une vue en coupe transversale montrant une variante dl mode de réalisation de la Figure 1; La Figure 4 est une vue en coupe transversale montrant une autre variante du mode de réalisation de la Figure I;; La Figure 5 est une vue en coupe transversale montrant une variante encore différente du mode de réalisation de la Figure 17 et La Figure 6 est une représentation schématique simplifiée, partiellement en élévation latérale fragmentaire, illustrant un mode de réalisation d1 un système de mise en couvre de l'invention. Si l'on se reporte maintenant aux dessins1 et plus particulièrement 7 à la Figure 1, on peut voir un élément détecteur pipzo-électrique 10 souple et sensible qui est conçu pour produire une différence de potentiel de grandeur proportionnelle à la grandeur de la contrainte ou de la déformation transmise à l'élément et d'une polarité qui est fonction du sens de la contrainte. cet élément possède un conducteur intérieur 1Z fermement recouvert par une couche de matériau 14 de détection de contrainte qui réagit à la manière d'un générateur piézo- électrique lorsque l'élément 10 est soumis à une déformation ou une contrainte. Le matériau détecteur 14 est recouvert par un blindage ou un conducteur extérieur 16.Le conducteur extérieur a deux fonctions : il sert de conducteur de retour dans un circuit, et de blindage destiné à supprimer les champs électriques et magnétiques indésirables. On doit comprendre que, bien qu'on ait discuté ci-dessus le cas des déformations znécanîques, des applications supplémentaires de la présente invention embrassent la mesure de gradients de température aussi bien que, par exemple, le cas d1 un détecteur d'incendie. La représentation de la Figure 2 est illustrative d'une des différentes formes ag éldment détecteur qui sont disponibles pour mettre en oeuvre la présente ivention. Sur la Figure 2, un élément détecteur piézo-électrique sensible 20 comprend un conducteur intérieur pratiquement rectangulaire 22 fermement recouvert par une ouche pratiquement rectangulaire de matériau 24 de détection piézo-électrique de contrainte, qui est lui-mEme recouvert par un conducteur extérieur, ou blindage, pratiquement rectangulaire 26. L'homme de 1' art comprendra sans effort que les éléments détecteurs piézo-électriques de la présente invention et leurs constituants peuvent Entre construits de diverses manières comme, par exemple, au moyen de lamelles, de. couches continues, par retordage, par tissage, etc..., et que la forme peut être ronde, rectangulaire, carrée, ovale, et ainsi de suite.Des matériaux convenant pour être utilisés comme conducteurs intérieurs, du type unique ou du type torsadé, comprennent, par exemple, lecuivre nu, le cuivre étamé, le cuivre plaqué argent et le cuivre-cadmium plaqué argent, ou bien l'acier recouvert de cuivre, l'acier recouvert de cuivre étamé et l'acier recouvert de cuivre plaqué argent.Des matériaux convenant pour etre utilisés comme éléments de détection piézo-électriques de contrainte comprennent le polyéthylène, le polytétrafluoro-éthylène, le chlorure de polyvinyle, le fluorure de polyvinyle, le fluorure de polyvinylidène, le téréphtalate de polyéthylène, et le polypropylène.Les matériaux convenant pour être utilisés comme blindages ou conducteurs extérieurs comprennent le cuivre nu, le cuivre étamé, le cuivre plaqué nickel, le cuivre plaqué argent et l'acier recouvert de cuivre plaqué argent. Les conducteurs extérieurs ou blindages se présentent ordinairement sous forme guipée, mais ils peuvent être construits so us la forme de blindages d'une seule pièce faits d'aluminium ou de cuivre recouverts de divers types de revêtements électrolytiques. On peut aussi utiliser un ruban métallique comme conducteur extérieur. Après considération des nombreuses possibilités de choix énumérées ci-dessus, un mode de réalisation préférentiel de cable comprendrait un conducteur intérieur fait d'acier recouvert de cuivre plaqué argent torsadé, un élément détecteur fait de polytétrafîuoro-éthylène, et un conducteur extérieur fait de cuivre plaqué argent guipe. En fonctionnement, une déformation ou une contrainte mécanique à détecter par l'un ou l'autre des éléments 10 et t0 est transmise par un moyen applicable quelconque au conducteur extérieur de l'élément sensible piézo-électrique. Le conducteur extérieur a une faible constante d'élasticité mécanique et n'oppose qu'une légère résistance. La déformation ou la contrainte est transmise par le conducteur extérieur à la circonférence extérieure du matériau détecteur piézo-électrique. La circonférence intérieure du matériau détecteur est partiellement retenue par le conducteur intérieur, de sorte qu'il se crée une tension mécanique à travers le matériau détecteur.Puisque le matériau détecteur est piézo-électrique, il fait apparattre une différence de potentiel électrique sur le conducteur intérieur, laquelle est de grandeur proportionnelle au produit de l'intensité de la contrainte par la longueur ainsi contrainte, et d'une polarité qui est fonction du sens de la contrainte. La différence de potentiel apparaissant' sur le conducteur intérieur est transféroe à des circuits électriques et électroniques convenables en vue de sa transformation en un signal utilisable. La Figure 3 montre une modification souhaitable de ltélément détecteur 10 de la Figure 1, par exemple, dans laquelle un manchon isolant protecteur 30 est prévu pour recouvrir le conducteur extérieur 16 de façon à protéger l'élément détecteur des intempéries et des traitements brutaux, et à permettre facilement d'immerger l'élément dans l'eau, de l'enterrer dans la terre, etc... Des matériaux convenant pour être utilisés comme manchons isolants protecteurs comprennent 1e nylon, le chlorure de polyvinyle, le caoutchouc de silicone, le néoprène, le poîytétrafluoro-éthylène et l'éthylènepropylène fluoré, par exemple sous forme de ruban.Le fait d'ajouter le manchon isolant protecteur 30 permet d'utiliser plus normalement l'élément sur ou dans le sol, comme une partie d'un système détecteur de pénétration1 par exemple. Sur la Figure 4, représentant une modification de l'élément détecteur 10, on a placé une couche supplémentaire de matériau de détection piézo-électrique de contrainte 32, suivie d'un conducteur extérieur} ou blindage, supplémentaire 34, entre le conducteur extérieur 16 et le manchon 30 de façon à doter un élément détecteur d'une sensibilité plus grande. De façon évidente, il est possible d'utiliser des couches diverses et plus nombreuses de constituants de cible. Sur la Figure 5, on a modifié de nouveau l'élément détecteur 10 en plaçant une couche protectrice 36 entre le conducteur extérieur 16 et le manchon 30. La couche protectrice 36 peut Btre faite de polytétrafluoro-éthylène, par exemple, et le fait de l'inclure fournit un élément détecteur plus robuste présentant une excellente étanchéité à l'humidité et une bonne résistance aux trous d'épingle, aux entailles, etc... On peut noter que l'absence d'une telle couche protectrice pourrait, dans certaines conditions, entrainer facilement une réduction de ltefficacité d'un élément détecteur qui ne serait pas protégé de la sorte. Si lton se reporte maintenant à la Figure 6, on peut voir une représentation schématique simplifiée destine & illustrer la connexion entre un élément détecteur piézo-électrique de la présente invention et l'équipement électronique associé qui convient pour être utilisé soit dans un système de détection de gradient de température, soit dans un système de jauge de contrainte, soit dans un système de détecteur de pénétration En particulier, un élément détecteur piézo-électrique 50 comportant un joint 52 étanche à l'humidité à l'une de ses extrémités est connecté à un amplificateur 54 qui peut être du type cathodine, ou, dans certains cas, peut être un amplifi 3tueur de tension à impédance d'entrée élevée.L'amplificateur 54 amplifie la différence de potentiel créé par l'élément détecteur piézo-électrique. Un circuit de filtrage à bande passante (non représenté) peut entre souhaitable pour faciliter la séparation des signaux voulus et nonvor#us,Si l'on utilise l'élément détecteur piézo-électrique dans un système de jauge de contrainte, on peut connecter la sortie de l'amplificateur 54 à un instrument de mesure convenable, à un enregistreur sur bande ou à un oscilloscope, par exemple, comme cela est illustré en 56 sur la Figure 6.Si l'on utilise ltélément détecteur piézo-électrique 50 dans un système de détecteur de pénétration, il peut être préférable de connecter la sortie de l'amplificateur 54 à un circuit détecteur à seuil qui fournit un signal de manipulation à un dispositif d'alarmer par exemple, comme cela est représenté respectivement en 58 et 60 sur la Figure 6. Tous les circuits peuvent être alimentés par une source d'alimentation en énergie convenable (non représentée), En plus de révéler la présence de personnes, d'animaux et de véhicules, le signal de sortie de ce détecteur de pénétration peut également servir à déclencher une liaison radio par exemple.Pour mettre en place l'élément détecteur piézo-électrique d'un système de détecteur de pénétration, on n'est pas limité à enterrer l'élément sous la surface du sol. On peut également fixer l'élément détecteur à une clture ou à un pont par exemple. La longueur active de. L'élément de détection piézo-électrique de contraintes est fixée par l'utilisateur entre des limites de longueur inférieures à 2,5 cm et supérieures à 250.000 cm par exemple. Une caractéristique importante de la présente invention est qu'on peut former la longueur active de l'élément détecteur de façon alternée en montant un tronçon (ou des tronçons} conducteurs non piézo-electriques là où on ne désire pas détecter de contraintes. L'élément détecteur de contraintes peut être fixé par encastrement, serrage, et au moyend' adhésifs ou de rubans adhésifs, par exemple. L'élément détecteur fonctionne sans alimentation d'énergie extérieure, il ne dégage pas de chaleur et ne rayonne pas de signaux électriques, et il n'est pas affecté par des champs magnétiques variables. Quelques utilisations types, pour lesquelles 11 élément de détection piézo-électrique de contrainte est adaptE de façon unique, sont les suivantes (1) mesure de contraintes élastiques de faible niveau à L'intérieur de matériaux granulaires non homogènes, allant de celles produites dans la terre par une activité sismique éloignée à celles produites par le passage d'un piéton ou d'un animal, (b) mesure de faible niveau de contraintesdynamiques dans des structures importantes1 comme des ponts ou des bâtiments de grande hauteur, (c) contrainte produite dans une clôture ou un mur par une personne l'escaladant, (d) contrainte produite dans le plancher d'un bttiment par un mouvement, et (e) contrainte vibratoire dans une machine ou un véhicule. L'apparition de cet élément de détection piézo-électrique de contrainte, souple et présentant une longueur active continue, introduit tout un nouvel ensemble de possibilités de mesures. Des profils de contraintes de la Terre peuvent avoir, dans le futur, pour la sécurité générale et les travaux publics, un rle semblable à celui de l'électro-encéphalograthe pour le spécialiste cardiaque. La prévention du crime sera renforcée lorsque tout un bâtiment informera de la présence d'un intrus les autorités gardiennes de la loi. La défaillance d'un barrage de terre, l'imminence d'un glissement de terrain ou d'un tremblement de terre, par exemple, sont toutes précédées par des discontinuités de contraintes dans la terre qui peuvent être employées pour signaler leur arrivée imminente. La détection et., ou bien, le comptage des déplacements dthommes, de bêtes ou de machines à proximité d'une zone prédéterminée peuvent être obtenus par détection sélective des contraintes de la terre au moyen de l'élément de détection piézo-électrique. La détérioration d'une plate-forme de terrassement de route ou de fondations ne se produit pas sans modification relative de la fonction de transfert de contraintes de la terre. Les études sismographiques mettent en évidence le transport d'ondes de haute fréquence## dA aux limitations de mesure des géophones. L'utilisation d'éléments de détection piézo-électriques de contrainte implantés verticalement ou horizontalement ouvrira un nouveau domaine de fréquence aux cherchenrs - REVENDICATIONS 1. Appareil de détection de contraintes mécaniques, caractérisé en ce qu'il comprend : un premier conducteur de longueur prescrite; un second conducteur d'une longueur prescrite compatible ave: ledit premier conducteur, entourant sensiblement ledit premier conducteur en relation d'écartement avec celui-ci;; un matériau piézo-électrique détecteur de contraintes placé entre lesdits conducteurs, fermement en contact avec ceux-ci et occupant l'espace qui les sépare, de manière à pouvoir créer une différence de potentiel électrique lorsqu'il est soumis à une contrainte, ladite différence de potentiel électrique étant d'une grandeur proportionnelle à la grandeur de la contrainte communiquée audit matériau piézo-électrique détecteur de contraintes et d'une polarité qui est fonction du sens de la contrainte, et un moyen électronique sensible à ladite différence de potentiel électrique etconnecté auxdits conducteurs de manière à indiquer qu'il se produit une contrainte. 2. Appareil de détection de contraintes selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits premier et second conducteurs et ledit matériau détecteur de contraintes sont- disposés en relation coaxiale. 3. Appareil de détection de contraintes selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un manchon isolant d'une longueur prescrite entourant pratiquement ledit second conducteur. 4. Appareil de détection de contraintes selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une couche protectrice disposée entre ledit manchon isolant et ledit second conducteur et occupant l'espace qui les sépare. 5. Appareil de détection de contraintes selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un troisième conducteur d'une longueur prescrite compatible avec ledit second conducteur, entourant pratiquement ledit second conducteur en relation d'écartement avec lui, et une couche supFlsmentaire de matériau piézo-électrique détecteur de contraintes disposée entre lesdits second et troisième conducteurs et occupant l'espace qui les sépare, le troisième conducteur et ladite couche supplémentaire de matériau piézo-électrique détecteur de contraintes étant disposés entre ledit second conducteur et ledit manchon isolant 6.Appareil de détection de contraintes selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit moyen électronique comprend un moyen amplificateur connecté audit premier conducteur de façon à amplifier ladite différence de potentiel électrique, et un moyen indicateur de contraintes connecté audit moyen amplificateur et destiné à indiquer qui se#:produit une contrainte. 7. Appareil de détection de contraintes selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit matériau détecteur de contraintes consiste en un matériau choisi dans le groupe forné du polyéthylène, du polytétrafluoro-éthylène, du chlorure de polyvinyle, du fluorure de polyvinyle, du fluorure de polyvinylidêie, du téréphtalate de polyéthylène et du polypropylène. 8. Appareil de détection de contraintes selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un tronçon conducteur connecté électriquement audit- élément détecteur piézo-électrique, ledit tronçon conducteur ne réagissant pas aux contraintes