Brevet FR2681730A1 — publié le 19930326

STRUCTURE PIEZOELECTRIQUE A RENDEMENT AMELIORE. La présente invention concerne une structure piézoélec- trique apte à détecter et à convertir en un signal élec- trique exploitable toute variation de pression exercée en une zone quelconque de sa surface et qui dépasse un seuil prédéterminé. Elle s'applique notamment, mais non exclusivement, à la détection et/ou à la localisation d'objets ou de per- sonnes dans une aire de détection déterminée pouvant pré- senter des dimensions importantes. A ce titre, elle peut être utilisée dans un système de surveillance antiintrusion, aussi bien à l'intérieur d'un local qu'à l'extérieur (protection périmétrique). Elle peut également servir à la détection de personnes ou de véhicules sur une aire de passage, par exemple en vue d'un comptage et/ou d'une commande automatique (porte, barrière, etc). L'invention part de la constatation que certains câbles blindés utilisés couramment en électronique, qui compren- nent une âme centrale conductrice recouverte successive- ment par une couche en matière électriquement isolante puis par un blindage électriquement conducteur habituel- -2 - lement constitué par une nappe de fils métalliques tres- sés, possédaient des propriétés piézoélectriques, en ce sens qu'une pression exercée sur le câble engendre un signal électrique entre ladite âme et ledit blindage. Toutefois, jusqu'ici, ces propriétés piézoélectriques mesurables uniquement en laboratoire, dans des conditions bien déterminées, n'étaient pas exploitables notamment en raison de la géométrie et des propriétés mécaniques du câble. En effet, l'amplitude du signal électrique émis à la suite d'une pression exercée sur le câble est d'autant plus importante que la zone affectée par cette pression présente une surface importante. Or, en raison de la forme (habituellement cylindrique) du câble, cette zone demeure relativement faible En outre, du fait de sa souplesse, le câble aura toujours tendance à se dérober à la contrainte en se déformant de façon rémanente, de sorte qu'une même pression, appliquée suc- cessivement en un même emplacement, pourra engendrer des signaux électriques très différents les uns des autres. Pour tenter de s'affranchir de ces problèmes, on a essayé de réaliser la couche isolante du câble en un matériau ou une combinaison de matériaux possédant de plus grandes qualités piézoélectriques Toutefois, sans véritablement résoudre tous les problèmes précédemment évoqués, cette solution s'est avérée très coûteuse et utilisable seule- ment dans un nombre très limité d'applications (dans lequel le coût de l'élément piézoélectrique n'est pas un facteur prépondérant) On a également proposé d'utiliser, dans un but similaire, des réseaux de câbles relativement complexes connectés à des circuits de mesure de haute sensibilité Toutefois, le coût d'une installation de ce genre demeure très élevé. 3 - L'invention a donc plus particulièrement pour but de sup- primer tous ces inconvénients grâce à une structure pié- zoélectrique à rendement amélioré permettant d'utiliser des câbles blindés classiques et donc très peu coûteux, et qui permet de produire néanmoins des signaux élec- triques exploitables par des circuits électroniques stan- dard et donc également peu coûteux. Pour parvenir à ce résultat, l'invention propose d'enrober le câble blindé présentant des propriétés pié- zoélectriques dans une pièce de répartition des contraintes réalisée en un matériau déformable élastique- ment et présentant, de préférence, des propriétés hydro- dynamiques, de manière à ce que une pression exercée en un point quelconque de la pièce se répercute sur une zone relativement importante de la surface du câble et, qu'en conséquence, le signal élec- trique engendré entre l'âme et le blindage du câble ait un niveau aussi élevé que possible; la déformation provoquée à la suite de l'application de la pression engendre des contraintes axiales du câble, de type traction/compression; et le câble reprenne sensiblement sa position initiale dès que cesse l'effort qui a provoqué sa déformation à l'intérieur de la pièce de répartition, de manière à ce qu'une même contrainte engendre toujours un même signal électrique. Avantageusement, la pièce de répartition des contraintes pourra présenter la forme d'une bande, d'un tapis ou ana- logue, pouvant se poser ou se fixer, par exemple par col- lage, sur une surface horizontale, verticale, voire même, inclinée Elle pourra également être enfoncée dans le sol ou même dans un matériau apte à répercuter des contraintes en pression. -4- Des modes d'exécution de l'invention seront décrits ci- après, à titre d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels: La figure 1 est une vue schématique, en pers- pective, d'une structure piézoélectrique selon l'invention; La figure 2 est une coupe axiale de la struc- ture représentée figure 1; La figure 3 est une vue schématique montrant la répartition des contraintes exercées sur le câble lorsqu'une pression est appliquée à la structure; La figure 4 est une vue schématique, en pers- pective, d'une structure piézoélectrique selon l'invention, réalisée sous la forme de bandes pouvant se disposer bout à bout et/ou côte à côte; La figure 5 est un schéma synoptique d'un cir- cuit électronique de détection connecté à un câble piézoélectrique d'une structure selon l'invention; La figure 6 est une représentation schématique d'un circuit d'alarme connecté à une pluralité de câbles piézoélectriques; La figure 7 est une représentation schématique d'une structure selon l'invention dans laquelle les câbles piézoélectriques sont disposés selon une configuration matricielle; La figure 8 est une représentation schématique d'une structure en bande permettant une locali- sation sectorielle des variations de pression. Telle que représentée sur les figures 1 à 3, la structure piézoélectrique 1 fait intervenir un câble blindé coaxial 2 comprenant, de façon classique, une âme centrale conductrice 3 recouverte successivement par une première gaine isolante 4 présentant des propriétés piézoélec- triques, une gaine électriquement conductrice 5 (blindage) réalisée en fils conducteurs tressés, et une gaine extérieure 6 électriquement isolante qui recouvre la gaine conductrice 5. Ce câble 2 est enrobé dans un bloc 7 en matière élasti- quement déformable qui consiste ici en un agglomérat de granulats d'élastomère assemblés par un liant constitué par une résine de polyuréthanne, polymérisant à tempéra- ture ambiante. L'avantage de ce matériau consiste en ce que ses proprié- tés mécaniques peuvent être ajustées en fonction de la nature des contraintes à détecter et/ou du milieu envi- ronnant, et ce, en jouant sur la dimension des granulats, sur la quantité de liant utilisée, sur la présence ou l'absence de bulles d'air (porosité éventuelle du maté- riau) sur la pression exercée au moulage et donc sur le taux de précontrainte des granulats d'élastomère, etc La figure 3 montre que si l'on applique une force F sur la face supérieure 8 d'une telle structure 1, dont la face inférieure repose sur une surface rigide 9, on pro- voque une déformation locale de cette structure et, parallèlement, une variation de pression (flèches f) sur une zone Z du câble 2 relativement importante (par rap- port à la surface d'application de la force F), cette variation de pression affectant toute la surface cylin- drique du câble 2 dans la zone Z. En outre, le câble 2 est soumis à des contraintes en traction et en compression dans cette zone Z. Par ailleurs, dès que cesse l'application de la force F, la structure reprend sa forme initiale (indiquée en traits interrompus), de sorte que la zone Z du câble 2 se trouve à nouveau soumise à une variation de pression. Pour ces différentes raisons, l'effet piézoélectrique du câble 2, qui se traduit par l'émission d'un signal élec- trique entre l'âme centrale 3 et la gaine conductrice 5, lors d'une variation de pression, se trouve considérable- ment amplifié, se manifeste franchement et est donc plus facilement discernable. Il devient donc possible d'utiliser des câbles coaxiaux classiques et peu coûteux, dont les propriétés piézoélec- triques trop faibles pour être exploitables étaient jusqu'ici considérées comme des inconvénients (source de signaux électriques parasites). Comme précédemment mentionné, la structure piézoélec- trique selon l'invention peut être avantageusement réali- sée sous la forme d'une bande incluant un ou plusieurs câbles piézoélectriques, cette bande pouvant être juxta- posée bout à bout ou côte à côte avec une ou plusieurs autres bandes identiques de manière à couvrir la surface souhaitée. La figure 4 montre un assemblage de quatre bandes Bl à B 4 renfermant chacune, noyés dans la matière élastiquement déformable, deux câbles Cl, C'l C 2, C'2 C 3, C'3 C 4, C'4, parallèles à l'axe longitudinal de la bande, qui reposent sur une grille de renforcement G en matière plastique qui s'étend dans un plan parallèle aux faces principales de la bande, à l'intérieur de celle-ci. 7 - Dans cet exemple, les bandes Bî, B 3, disposées côte à côte, sont assemblées bout à bout avec les bandes B 2, B 4, qui sont elles-mêmes disposées côte à côte. Les extrémités en regard des bandes sont bouvetées et délimitent un canal transversal 12 dans lequel dépassent les extrémités des câbles Ci, C'1 C 2, C'2 C 3, C'3 C 4, C'4. Ce canal 12 est utilisé pour loger les boîtes de jonction 13, 14 servant à raccorder les câbles. Bien entendu, le nombre et la disposition des câbles contenus dans chaque bande sont fonction du type d'application et des résultats recherchés. Le tapis obtenu par la juxtaposition des bandes Bl à B 4 peut être disposé ou enfoui dans le sol Il peut même être fixé par exemple par collage sur une paroi verticale ou même oblique. Le circuit de détection associé à chacun des câbles pié- zoélectriques de la structure peut comprendre, comme représenté sur la figure 5, un préamplificateur électro- métrique 15 dont l'entrée est raccordée à l'âme du câble 16 par l'intermédiaire d'un filtre RC et dont la masse est reliée au blindage du câble 16 La sortie de ce pré- amplificateur 15 est connectée à l'entrée d'un amplifica- teur 17 par l'intermédiaire d'un potentiomètre de réglage du gain 18 et d'un écrêteur 19 La sortie de l'amplificateur 17 attaque une bascule 20 servant à actionner un relais 21 de commande par exemple d'un cir- cuit d'alarme 22. Bien entendu, l'invention ne se limite pas à un tel cir- cuit de détection. 8 - Ainsi, dans le cas d'un tapis de détection faisant inter- venir trois bandes B 5, B 6, B 7 juxtaposées côte à côte et comprenant chacune deux câbles piézoélectriques CS, C'5 C 6, C'6 C 7, C'7, le circuit de détection pourrait faire intervenir, comme indiqué sur la figure 5: un étage de préamplification comprenant deux préampli- ficateurs Al, A 2, dont les entrées sont respectivement connectées aux câbles Cs et C'7 et deux préamplifica- teurs sommateurs, à savoir: un préamplificateur A 3 dont les entrées sont respectivement connectées aux câbles C'5 et C 6, et un préamplificateur sommateur A 4 dont les entrées sont respectivement connectées aux câbles C'6 et C 7; et un étage d'amplification comportant au moins deux amplificateurs différentiels, à savoir un premier amplificateur différentiel As dont les entrées sont respectivement connectées aux sorties des préamplifica- teurs Ai et A 4, et un deuxième amplificateur différen- tiel A 6 dont les entrées sont respectivement connectées aux sorties des préamplificateurs A 3 et A 2. Les sorties des amplificateurs As et A 6 sont connectées aux entrées d'un circuit logique 23 (par exemple une porte OU) qui commande une alarme (non représentée). Dans cet exemple, le circuit de détection comprend en outre un deuxième étage d'amplification, en parallèle vis-à-vis du premier, et qui comprend deux amplificateurs différentiels à gains réglables, à savoir: un premier amplificateur A 7 dont les entrées sont respectivement connectées aux sorties des préamplificateurs Al et A 4, et un deuxième amplificateur A 8 dont les entrées sont res- pectivement connectées aux sorties des préamplificateurs A 3 et A 2. 9 - Les sorties des deux amplificateurs A 7 et A 8 sont reliées à un vumètre 24 par l'intermédiaire d'un circuit commun comprenant un amplificateur-conformateur 25 et une mémoire 26. L'avantage du circuit précédemment décrit consiste en ce que les amplificateurs différentiels A 5, A 7 comparent les signaux électriques émis par les câbles C'6 et C 7 (consécutifs) aux signaux émis par le câble C 5 situé à l'opposé du tapis, qui sert de référence (câble témoin), tandis que les amplificateurs différentiels A 6, A 8 compa- rent les signaux électriques émis par les câbles C'5 et C 6 (consécutifs) aux signaux émis par le câble C'7 (qui sert également de câble témoin) situé à l'opposé du tapis De ce fait, il devient possible de s'affranchir des perturbations affectant l'ensemble des câbles et d'utiliser un circuit logique permettant d'effectuer une analyse des signaux détectés, par exemple en vue de la détermination d'un sens de passage. Un autre avantage inhérent à la structure piézoélectrique elle-même, consiste en ce que les signaux électriques qu'elle émet se prêtent à des traitements électroniques simples et sont facilement numérisables. L'invention ne se limite pas aux modes d'exécution précé- demment décrits. En effet, la structure piézoélectrique pourrait se pré- senter sous la forme d'un tapis carré ou rectangulaire dans lequel les câbles Ll, L 2 Ln C 01, C 02 C On sont disposés de manière à constituer un réseau de type matriciel. Dans ce cas, les sorties des amplificateurs Kl, K 2 Kn associés aux câbles Ll constituant les lignes du réseau sont reliées à un processeur P par l'intermédiaire d'un premier multiplexeur MUX 1, tandis que les sorties des - amplificateurs K'j, K'2 K'n associés aux câbles C 01, C 02 C On constituant les colonnes du réseau sont reliées au processeur P par l'intermédiaire d'un second multiplexeur MUX 2. Cette solution permet notamment de localiser lrempla- cement o le tapis est soumis à une pression. Cette localisation peut être indiquée sur l'écran de contrôle 26 connecté au processeur P. Une telle localisation pourrait être également obtenue en utilisant, comme indiqué sur la figure 8, une structure piézoélectrique en forme de bande 28 renfermant des câbles piézoélectriques CL 1, CL 2, CL 3, CL 4, CL 5 de diffé- rentes longueurs, les signaux fournis par ces câbles étant alors traités de façon appropriée. Dans ce cas, les sorties des amplificateurs associés à chacun de ces câbles CL 1 à CL 5 sont reliées à un circuit logique 29 connecté à un écran de contrôle 26, permettant de localiser le secteur Sî à 55 de la bande, soumis à une variation de pression, en fonction du nombre de câbles CL 1 à CL 5 réagissant à cette variation de pression. 11 - Revendications 1 Structure piézoélectrique apte à détecter et à convertir en un signal électrique exploitable une variation de pression exercée en une zone quelconque de sa surface, cette structure ( 1) utilisant au moins un câble blindé ( 2) comprenant une âme centrale conductrice ( 3) recouverte successivement par une couche électrique- ment isolante ( 4) puis par un revêtement électriquement conducteur ( 5), caractérisée en ce que ledit câble ( 2) est enrobé dans une pièce massive ( 7) de répartition des contraintes réa- lisée en un matériau élastiquement déformable et conçue de manière à ce que: une pression exercée en un point quelconque de ladite pièce se répercute sur une zone (Z) relativement impor- tante de la surface du câble ( 2); la déformation provoquée à la suite de l'application de ladite pression engendre des contraintes axiales du câble ( 2) en traction et en compression; et le câble ( 2) reprenne sensiblement sa position initiale dès que cesse l'effort qui a provoqué sa déformation. 2 Structure piézoélectrique selon la revendi- cation 1, caractérisée en ce que la pièce de répartition des contraintes présente la forme d'une bande (Bi à B 4) jux- taposable bout à bout ou côte à côte avec une ou plu- sieurs autres bandes identiques. 3 Structure piézoélectrique selon la revendi- cation 2, caractérisée en ce que la susdite pièce de répartition en forme de bande (Bî à B 4) inclut un ou plusieurs câbles 12 - (Cl, C'l C 2, C'2 C 3, C'3 C 4, C'4) disposés parallè- lement à son axe longitudinal. 4 Structure piézoélectrique selon la revendi- cation 3, caractérisée en ce que les susdits câbles (Cl, C'l C 2, C'2 C 3, C'3 C 4, C'4) reposent sur une grille de ren- forcement (G) qui s'étend à l'intérieur de la pièce de répartition, parallèlement à ses faces principales. Structure piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pièce de répartition ( 7) est posée et/ou fixée sur une surface horizontale, verticale ou même inclinée. 6 Structure piézoélectrique selon la revendi- cation 5, caractérisée en ce que la pièce de répartition ( 7) est collée sur ladite surface. 7 Structure piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la susdite pièce de répartition ( 7) est enfouie dans un matériau apte à répercuter des contraintes en pression. 8 Structure piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le susdit câble ( 2) comprend une gaine extérieure ( 6) en matériau électriquement isolant recouvrant le revêtement électriquement conducteur ( 5). 9 Structure piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le revêtement électriquement conducteur ( 5) est réalisé en fils électriquement conduc- teurs tressés. 13 - Structure piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la pièce de répartition des contraintes ( 7) consiste en un agglomérat de granulats d'élastomère assemblés par un liant. 11 Structure piézoélectrique selon la revendi- cation 10, caractérisée en ce que le susdit liant consiste en une résine polymérisant à température ambiante. 12 Structure piézoélectrique selon l'une des revendications 10 et 11, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux câbles, à savoir: un câble témoin (C 5) et au moins un câble de détection (C 7), ainsi qu'un circuit de détection de type différentiel (As) effectuant la différence entre les signaux émis par ces deux câbles (C 5, C 7). 13 Structure piézoélectrique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle se présente sous la forme d'un tapis carré ou rectangulaire et inclut deux séries de câbles (Ll, L 2 Ln C 01, C 02 C On) constituant un réseau de type matriciel, reliées à un processeur (P) par l'intermédiaire de deux multiplexeurs respectifs (MUX 1, MUX 2). 14 Structure piézoélectrique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce qu'elle présente la forme d'une bande ( 28) renfermant des câbles piézoélectriques (CL 1 à CL 5) de différentes longueurs, et en ce que le circuit élec- tronique de détection associé à ces câbles (CL 1 à CL 5) 14 - comprend un circuit logique ( 29) apte à localiser le sec- teur de la bande soumis à une variation de pression, en fonction du nombre de câbles réagissant à cette variation de pression.