Brevet FR2673717A1 — publié le 19920911

La présente invention se rapporte à un procédé de traitement numérique de signaux fournis par des capteurs piézo-électriques implantés dans une chaussée pour permettre une mesure efficace des charges dynamiques appliquées par le trafic à la chaussée. Les techniques de réalisation, de préfabrication et de pose de capteurs piézo-électriques sont connues et font l'objet d'un certain nombre de brevets. Ces techniques peuvent employer des capteurs coaxiaux utilisant des céramiques comme élément piézo-électrique ou des capteurs à éléments coaxiaux utilisant les polymères (P V D F ou autres) comme élément piézo-électrique ou encore des éléments plans présentés sous forme de film polymère. Dans tous les cas ci-dessus, le traitement du signal revêt une impor- tance considérable pour l'obtention d'une mesure de la charge dynamique appliquée par les essieux. Les traitements de signal connus actuellement sont, soit des traitements par mesure de tension, 0-crête positive, soit crête-crête, soit des intégrations analogiques ou utilisant des amplificateurs de charge; aucun ne tient compte compte de variation de réponse de la chaussée entrainant des modifications de forme du signal ni d'étalonnage automatique, ni des effets de pneumatiques sous- gonflés La présente invention a pour buts, la suppression de tous les réglages nécessaires avec les concepts antérieurs, l'amélioration du traitement du signal en prenant en compte les effets dûs à la chaussée, aux résines de pose, aux pneu- matiques et à la vitesse ainsi que de réaliser un étalonnage automatique permanent de la pesée à partir de véhicules caractéristiques. D'autres caractéristiques et avantages apparaîtront au cours de la descrip tion qui va suivre. Les figures qui suivent, données à titre d'exemple, permettent de mieux comprendre le problème et l'invention proposée. * La figure 1 représente les différentes dispositions de capteurs proposées pour effectuer les mesures. * La figure 2 représente la forme des signaux en fonction de la rigidité mécanique de la chaussée. * La figure 3 représente la forme du signal en fonction du gonflage des pneumatiques. * La figure 4 représente la forme des signaux en fonction de l'impé- dance d'entrée choisie. * La figure 5 représente le chronogramme du passage d'un véhicule sur une station constituée par une boucle et 2 capteurs piézoélectriques. z * La figure 6 représente un des tableaux de classification possible. * La figure 7 représente la répartition de charge souhaitable des essieux caractéristiques des véhicules caractéristiques. * La figure 8 représente le schéma fonctionnel de traitement du signal suivant l'invention. * La figure 9 représente l'effet de la correction automatique du gain de l'amplificateur d'entrée suivant l'invention. * La figure 10 représente la méthode de détermination de la surface utile du signal permettant de déterminer le poids dynamique du véhicule suivant l'invention. La figure 11 représente le traitement global des signaux issus d'une voie de circulation équipée d'une boucle et de 2 capteurs suivant l'inven tion. A la figure la, on utilise deux boucles à induction et un capteur piézo- électrique pour effectuer les mesures. La vitesse est mesurée par le temps qui s'écoule entre l'activation des 2 boucles ( 1 & 2); la pesée est obtenue par traitement du signal d'un seul capteur piézo-électrique ( 3). Aux figures lb et lc, on utilise une boucle ( 4) pour déterminer la présence du véhicule et 2 capteurs piézo-électriques ( 5 et 6) pour les mesures de vitesse et de poids dynamique Cette configuration présente les avantages suivants: Mesure de vitesse indépendante de la hauteur du véhicule et des conditions météorologiques due à la variation du volume de détection de la boucle à induction ( 4). double pesée à l'aide du traitement des signaux des capteurs ( 5 et 6) donc amélioration de la précision. A la figure ld, la détection de véhicule est effectuée par un système volumétrique 7 type détecteur à ultra-sons, à effet Doppler (radar) ou à infrarouge en remplacement de la boucle à induction ( 4). A la figure le, la détection de véhicule est effectuée par un séparateur de véhicule ( 10) du type de ceux utilisés dans les péages d'autoroutes par exemple barrière à infrarouge, barrière à micro-ondes, ou système de caméra CCD linéaire ou autre, la pesée étant réalisée par le traitement des signaux des capteurs 11 et 12 Dans les figures lb, c, d et e, la pesée est améliorée par rapport à la figure la, grâce à une meilleure mesure de vitesse et à une double pesée. La figure 2 a montre la déformation ( 15) de la chaussée ( 13) due à l'effet d'un essieu pesant ( 14) Cette déformation peut être accentuée en fonction du type de chaussée et du poids des essieux. Cette déformation de la chaussée progresse avec l'essieu Elle créera donc une déformation du support du capteur avant l'attaque du capteur par l'essieu. Cette déformation se caractérisera par l'apparition d'un signal négatif avant celui relatif au passage de l'essieu sur le capteur. La figure 2 b montre les signaux qui seraient obtenus sur une chaussée indéformable se rapprochant du comportement des chaussées en béton armé épais sur sous-couche rigide lors du passage d'un essieu triple. La figure 2 c montre les signaux ( 17) qui seraient obtenus sur une chaussée semi-rigide Les signaux relatifs aux essieux ( 16) se superposent à la déformation de la chaussée ( 18). Il en est de même à la figure 2 d o la déformation est telle que la partie positive du signal de l'essieu central est quasiment inexistante. Les 3 figures 2 b, c et d, mettent en évidence les erreurs entrainées par une mesure de poids par la valeur de la tension 0-crête positive ( 19) du signal ( 17) ou la nécessité de limiter les mesures aux chaussées très rigides com me l'indique la forme du signal ( 16) et la valeur ( 17). Elles mettent également en évidence la difficulté de faire une mesure de tension crête-crête en prenant, soit la valeur ( 20), soit la valeur ( 21) comme le montre la figure 2 d. Les figures 3 a et b, mettent en évidence la forme des signaux recueillis ( 23 & 25) pour deux essieux identiques ayant des pneus gonflés ( 23) en 3 a et des pneus dégonflés en 3 b Les mesures montrent qu'à vitesse et charge constantes lorsque le pneu est dégonflé, la durée du signal est plus grande et la valeur crête plus faible. Ces deux schémas montrent que la mesure par amplitude n'est pas correctement fondée et qu'il n'est pas suffisant de tenir compte de la durée de l'impulsion pour effectuer une correction de vitesse La durée de cette impulsion étant dépendante du gonflage du pneumatique. Les figures 4 a et b, montrent l'influence de l'adaptation d'impédance une grande impédance d'entrée (environ 10 à 50 M Ohms) permettra d'obtenir un signal tel que décrit à la figure 4 a; une faible impédance d'entrée de l'ordre de 40 à 100 K Ohms permettra d'obtenir un signal quasi-symétrique comme indiqué à la figure 4 b Dans le premier cas, le poids dynamique du véhicule sera représenté par l'intégrale simple de la courbe entre les deux inversions des signaux ( 26 & 27) dans le second cas par l'intégrale double du signal entre les points 28 et 29. Une étude statistique détaillée des mesures de poids statique d'un grand nombre de véhicules, permet de mettre en évidence l'existence de véhicule que nous qualifierons de "véhicule caractéristique"; le tableau de classification de la figure 6 et la courbe de la figure 7 permettent de mieux expliquer le sys- tème L'analyse statistique mentionnée ci-dessus, met en évidence pour une ou plusieurs classes de véhicules, une corrélation entre le poids d'un essieu et le poids total des véhicules Cette corrélation peut être très simple ou linéaire. Par exemple, on trouve en France une répartition (fig 7) du poids du premier essieu des véhicules de catégorie 10 suivant tableau de la figure 6 centrée sur 6,08 t pour des véhicules chargés à plus de 35 t. L'écart type de la répartition sur le premier essieu est de 300 kg. Ce type de véhicule sera utilisé pour réaliser un étalonnage automatique permanent. La présente invention a pour objet de proposer un traitement complet du signal, permettant de résoudre l'ensemble des problèmes énoncés cidessus, en apportant le maximum de fiabilité dans le temps et le maximum d'automaticité. La figure 8 décrit le principe selon l'invention Un capteur piézo- électrique ( 30) est relié par un câble ( 31) à un circuit d'adaptation d'impédance ( 32) dont la valeur d'adaptation est modifiable par l'élément ( 33); une faible impédance d'entrée permettra d'obtenir un signal symétrique du genre de celui de la figure 4 a; une forte impédance d'entrée permettra d'obtenir un signal du type de celui de la figure 4 b Le signal est ensuite transmis par le conducteur ( 34) vers un amplificateur à gain variable ( 35) Il est ensuite échantillonné et chaque valeur est convertie par un convertisseur analogique digital ( 36) dont les valeurs sont lues par une micro-structure ( 37) programmée Cette microstruc- ture ( 37) peut agir sur le coefficient d'amplification de ( 35) par un système ( 38) pour accroître ou diminuer le gain. L'impédance d'entrée détermine la méthode de calcul de la valeur de base du poids dynamique Po; pour une faible impédance, on calculera l'intégrale double entre 26 et 27 suivant figure 4 a et pour une forte impédance, l'intégrale simple entre les 2 points de la courbe suivant figure 4 b. L'impédance d'entrée fige le traitement de base du signal. Dans la suite, nous prenons l'exemple de la haute impédance d'entrée. Le coefficient d'amplification sera déterminé de manière à utiliser au mieux les possibilités du convertisseur dans sa gamme de tension On fera en sorte que la valeur crête positive de la moyenne des signaux relatifs à un nombre donné d'es- sieux caractéristiques, soit située à une valeur Vc Cette valeur entrainant par 3 t; exemple une saturation de l'amplificateur ( 35) pour un essieu de 18 ou 20 tonnes la figure 9 représente une amplification avec un coefficient K. La méthode d'échantillonnage, conversion et intégration, est décrite à la figure 10 La fréquence d'échantillonnage déterminant la durée ( 30) sera de manière classique supérieure ou égale à 50 fois celle du signal à digitaliser et permettra de déterminer les points 40, 41,,de la courbe 42. Le convertisseur analogique digital permettra d'affecter une valeur à chacun de ces points La sommation de l'ensemble de ces valeurs entre les points 26 et 27 permettra de calculer le poids d'origine Po de l'essieu En fait, on aura ajouté un certain nombre de "carrés élémentaires" ( 43) les uns aux autres pour calculer le poids d'origine Po Le "carré élémentaire" sera l'espace compris entre deux temps d'échantillonnage et un pas du convertisseur de tension. On obtiendra donc une valeur de Po égale à un certain nombre "q" de "carrés élémentaires" Ce ( 43). Po = q Ce Le système effectue ensuite une correction en fonction de la vitesse à l'aide d'une formule linéaire ou non linéaire pour obtenir un valeur P'o. P'o = Po f(V) Une seconde correction sera ensuite effectuée en fonction du gain K de l'amplificateur pour obtenir une troisième valeur P"o. P"o = K Po f (V) Une troisième correction sera ensuite effectuée à partir des poids des essieux caractéristiques des véhicules caractéristiques de manière à ce que la moyenne des poids de N essieux caractéristiques soit égale à la valeur moyenne du poids de l'essieu caractéristique PEC de l'étude statistique des poids statiques des véhicules caractéristiques P" i caract = PEC qui permet de déterminer périodiquement la valeur de >J\. Le poids final d'un essieu sera P"ol P"o x ou P"'o = K Po f (V) =K q Ce f(V) Il apparait clairement que le coefficient d'amplification et la valeur de Ce sont liés Si K croît de 20 ' pour compenser un abaissement de la réponse électrique de l'ensemble capteur-chaussée-résine, Ai devra baisser de 20 % pour obtenir le même poids pour un essieu donné à vitesse donnée. La procédure de détermination d'étalonnage automatique fonctionnera en permanence et permettra de tenir compte de l'ensemble chaussée-résinecapteur en fonction des conditions ambiantes de température humidité, La vitesse pourra être déterminée comme le montre les figures lb,c,d, et 11, à l'aide d'une boucle à induction et de deux capteurs piézo- électriques. La boucle à induction 40 sera reliée à un détecteur de boucle 41 fournissant suivant fig 5 un signal de présence de véhicule 42 adressé à la micro- structure ( 37) directement ou par un interface Les cap teurs piézoélectriques et 30 ' seront reliés à la micro-structure ( 37) par deux systèmes identiques à ceux décrits ci-dessus, constitués des adaptateurs d'impédance 32 et 32 ' avec réglage externe 33 et 33 ' des amplificateurs à gain variable 35 et 35 ' des échantil- lonneurs convertisseurs 36 et 36 ' et des correcteurs de coefficient d'amplification 37 et 37 '. La micro-structure 37 déterminera la vitesse du véhicule à l'aide du temps 43 fig 5 et de la connaissance de la distance entre les capteurs 30 et ' La géométrie du véhicule sera déterminée par les temps 44, 45, 46, 47 et la connaissance de la vitesse. Le poids des essieux sera déterminé pour chaque capteur de la manière indiquée ci-dessus, ce qui augmentera la précision sous réserve que les conditions de roulage soient correctes. D'autres réalisations suivant la description ci-dessus peuvent être faites par exemple, avec des micro-structures électriques non programmées. R E V E N D I C A T I O N S 1/ Procédé de mesure de charges dynamiques générées par des véhicules sur une chaussée du type comportant un traitement du signal fourni lors du passage d'un essieu sur un capteur piézo-électrique caractérisé en ce que le signal fourni par le capteur piézo-électrique fait l'objet d'une amplification à gain piloté suivie d'une intégration, la valeur ainsi trouvée étant corrigée en fonction de la vitesse du véhicule et en fonction d'un coefficient K faisant référence à un véhicule type, l'ensemble des fonctions et des calculs étant piloté par une micro-structure programmée. 2/ Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que la valeur du coefficient d'amplification est déterminée par la micro-structure à partir du signal émis par au moins un essieu caractéristique. 3/ Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que la valeur du coefficient d'amplification est déterminée par la micro-structure à partir du signal émis par au moins un essieu de poids connu. 4/ Procédé suivant revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le coef- ficient d'amplification a une valeur calculée pour que la charge dynamique maxi- male mesurable soit inférieure à une valeur pré-déterminée. / Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que le traitement comportera une intégration simple pour une grande impédance d'entrée comprise entre 10 et 50 M Ohms. 6/ Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que le traitement comportera une double intégration pour une faible impédance d'entrée comprise entre 40 et 100 K Ohms. 7/ Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que, en vue d'ef- fectuer la correction en fonction de la vitesse du véhicule on dispose un capteur dans la chaussée perpendiculairement au déplacement du trafic. 8/ Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que la détermina- tion de la vitesse est effectuée à l'aide des signaux émis par deux capteurs parallèles entre-eux. 9/ Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que la correction en fonction de la vitesse est linéaire ou non. / Procédé suivant revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de base du calcul du poids varie de manière opposée à celle du coefficient d'amplification mais de la même proportion. 11/ Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un capteur e 8 ( 30), un adaptateur ( 35), un convertisseur analogique-numérique ( 36) et un micro- processeur ( 37), le-dit microprocesseur pilotant l'amplificateur au moyen de l'interface ( 38) 12/ Dispositif suivant revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend une boucle à induction ( 40) déterminant l'enveloppe du véhicule pour le micro- processeur ( 37) et au moins deux capteurs piézo-électriques ( 30 et 30 '), deux amplificateurs ( 35 et 35 '), deux convertisseurs ( 36 et 36 ') et un microprocesseur ( 37), le-dit microprocesseur pilotant les gains des amplificateurs ( 35 et 35 ') au moyen des interfaces ( 38 et 38 ').