Brevet FR2741947A1 — publié le 19970606

L'invention concerne un élément de détection destiné à mesurer des charges dynamiques appliquées à la chaussée par des véhicules se déplaçant sur la chaussée. Des éléments de détection de trafic peuvent procurer des informations utiles destinées à être utilisées par divers services gouvernementaux chargés de la gestion de l'utilisation des chaussées. A cet effet, ces capteurs peuvent être utilisés pour détecter la présence de véhicules, mesurer la vitesse de véhicules et le poids de véhicules en mouvement afin de déterminer les forces exercées par les véhicules sur les routes à grande circulation. Ces infor- mations peuvent ensuite être utilisées par la police ainsi que par les responsables de la conception et de l'entretien des chaussées. Il est intéressant de comprendre comment différents revêtements et leurs épaisseurs se comportent sous différentes configurations de charge de trafic. La conception d'une route et la conception d'un revêtement sont basées sur le nombre de véhicules, les périodes de pointe de trafic, le type ou la catégorie des véhicules (voitures, camions, autocars, etc.) et le poids des véhicules. Ces informations peuvent être rassemblées au moyen de capteurs piézo- électriques qui sont placés dans la chaussée pour détecter le passage de véhicules. Les capteurs piézo-électriques réagis- sent à la compression appliquée à la route par le passage du ou des pneumatiques d'un véhicule sur le capteur. En raison de leur aptitude à transformer une force mécanique en une charge électrique proportionnelle au signal, des matières piézo- électriques ont été utilisées en tant que capteurs pour détecter et mesurer le trafic de véhicules. A cet effet, le brevet des Etats-Unis d'Amérique N 4 712 423 décrit l'utilisation d'un capteur piézo- électrique pour une détection et une mesure concernant des véhicules. Comme expliqué dans le brevet précité, le capteur piézo-électrique utilisé pour mesurer une charge dynamique peut être mis en oeuvre d'un certain nombre de manières. Premièrement, la charge dynamique peut être mesurée simplement par une analyse de l'amplitude du signal de tension délivré par le capteur. Etant donné que l'ampli- tude du signal de tension du capteur piézo-électrique est directement proportionnelle à l'amplitude de la force appliquée au capteur, on peut réaliser une mesure grossière de la charge dynamique. Un tel système pourrait évidemment être utilisé pour la détection d'un véhicule ainsi que pour capter la vitesse et, étant donné qu'un étalonnage d'un tel système de mesure peut être réalisé, on peut établir des seuils pour réduire les erreurs dues à des signaux parasites. Enfin, un tel système permet de réaliser une mesure grossière de la charge dynamique en raison des poids relatifs des véhicules supportés par la route. La seconde façon de mesurer une charge dynamique comme décrit dans le brevet N 4 712 423 précité est une technique plus précise qui intègre l'aire située au-dessous de la courbe du contour de l'impulsion. A cet effet, le produit de l'aire et de la vitesse est intégré par rapport au temps. Comme décrit dans le brevet N 4 712 423 précité, la valeur de l'aire est proportionnelle à la charge dynamique et inversemement proportionnelle à la vitesse du véhicule. Enfin, la vitesse est déterminée par la mise en place de deux capteurs séparés par une distance connue et par la mesure du temps compris entre les impulsions de tension reçues des capteurs. Le brevet N 4 712 423 précité décrit l'utilisation de deux ou plus de deux capteurs et leur étalonnage initial et, ensuite, leur utilisation pour mesurer à la fois le poids et la vitesse du véhicule. Les détails de cet étalonnage et de l'utilisation sont donnés dans le brevet précité et ne seront pas répétés ici. Un autre résultat souhaité, indiqué dans le brevet N 4 712 423 précité, est que le capteur doit être installé dans la chaussée de façon à réduire autant que possible les perturbations longitudinales de la chaussée. En outre, le brevet précité reconnaît les effets des pertur- bations transversales de la chaussée. Par conséquent, il mentionne l'utilisation d'un capteur préalablement mis sous boîtier, c'est-à-dire un câble de capteur disposé dans une matière qui possède un module élastique insensible aux variations. Un capteur conforme aux indications du brevet N 4 712 423 précité est représenté sur la figure 1 des dessins annexés. Le but des informations données dans le brevet N 4 712 423 précité est de procurer un capteur qui est le plus sensible aux forces se transmettant perpendiculairement à la surface de la chaussée et un capteur peu sensible aux forces orientées horizontalement. Cependant, le brevet N 4 712 423 précité est affecté par des limitations concer- nant ce point dues à la conception même du câble du capteur proprement dit. A cet effet, le capteur tel que décrit dans le brevet précité est un capteur à câble de forme cylindrique dont l'élément capteur piézoélectrique est disposé autour d'électrodes intérieure et extérieure montées coaxialement. Ce capteur présente donc une surface sensible qui est orientée symétriquement dans des directions orthogonales et parallèles à la surface de la route. Par conséquent, lors- qu'une force est orientée dans la direction verticale, elle est captée par la matière piézo-électrique et une impulsion est délivrée en réponse à cette force. Malheureusement, lorsqu'une force est exercée sur un corps déformable tel qu'une chaussée, une onde longitudinale ainsi qu'une onde transversale sont engendrées. Dans le domaine des capteurs de trafic, ce phénomène se manifeste de lui-même par la présence d'une onde longitudinale qui est captée par le capteur piézo- électrique de façon égale dans la direction longitudinale. La réception des forces qui sont orientées orthogonalement à la chaussée (les forces verticales) est souhaitée, tandis que la réception des forces qui sont orientées parallèlement à la chaussée (les forces horizontales) n'est pas souhaitée. Aussi, on doit concevoir un capteur de façon à réduire la sensibilité du capteur aux forces horizontales. Les forces transversales verticales, c'est-à-dire les forces que l'on souhaite capter, suivent la direction Z, tandis que les forces contenues dans le plan de la surface de la route, que l'on ne souhaite pas capter, suivent les directions Y et X comme montré sur la figure 9 des dessins annexés et décrits ci-après. Un capteur qui possède une aire sensible égale dans le plan de la surface de la route comme dans la direction verticale, tel que le capteur cylindrique symétrique du brevet NO 4 712 423 précité, n'est évidemment pas souhaité, car il ne réduit pas la sensibilité aux forces horizontales. On connaît des capteurs de l'art antérieur qui présentent une aire réduite le long des côtés, comme montré sur la figure 2 des dessins annexés et décrits ci-après. La référence à l'art antérieur montrée sur la figure 2 montre l'utilisation d'un capteur pouvant être monté dans une chaussée, qui a été précontraint pour présenter une forme sensiblement ovale en section transversale. Cette forme a pour effet de donner au capteur et à l'électrode extérieure, dans la direction orthogonale à la chaussée, une aire supérieure à celle présentée par le capteur et l'électrode extérieure dans la direction parallèle à la chaussée. Ceci a pour avantage de souhaiter réduire la sensibilité du capteur à des forces qui sont orientées longitudinalement comme indiqué ci-dessus. Cependant, la conception telle que décrite pour le capteur précité présente des espaces vides ou des entrefers entre la matière piézo-électrique et l'électrode extérieure du capteur. Ces entrefers ont un effet relative- ment notable sur l'uniformité de la réponse de l'élément capteur. Cette diminution d'uniformité de la réponse du capteur de l'art antérieur est due au fait que, lorsque la matière sensible, céramique et piézoélectrique ou polymère piézo-électrique, est comprimée dans le processus de fabrica- tion pour produire la forme ovale en section transversale, les entrefers résultants sont rarement répartis de façon uniforme entre les électrodes intérieure et extérieure. Il en résulte que les entrefers prennent des dimensions arbitraires. Ces dimensions et formes arbitraires signifient que la charge s'exerçant sur le capteur n'est pas appliquée uniformément à celui-ci et que l'élément piézo-électrique n'est donc pas sollicité uniformément lors d'une mesure. Ce manque d'uniformité de la contrainte de sollicitation aboutit à des lectures imprécises, ce qui, pour des capteurs de poids en mouvement (capteurs de la classe I, comme on les connaît dans l'industrie des capteurs de trafic) est inacceptable. A cet effet, pour la plupart des applications à la détection du trafic et en particulier des applications de mesure de poids en mouvement dans lesquelles l'amplitude et la durée de la force sont utilisées pour calculer le poids et la vitesse du véhicule, le capteur doit être réalisé de façon à réagir aussi uniformément que possible. Par conséquent, on a besoin d'un capteur de trafic qui fournit une réponse uniforme au passage de véhicules à moteur sur la chaussée au-dessus du capteur. L'invention a pour objet un capteur de trafic qui présente une sensibilité réduite à des forces s'exerçant dans la chaussée, parallèlement à la surface de celle-ci, et une grande uniformité de réponses sur la longueur du capteur. Une particularité de l'invention est de procurer un capteur ayant une section transversale présentant deux surfaces sensiblement parallèles à la surface de la route et deux surfaces sensiblement perpendiculaires à la surface de la route, les surfaces parallèles étant sensiblement plus grande que les surfaces perpendiculaires, et ayant une matière piézo-électrique remplissant sensiblement la zone comprise entre une électrode intérieure et une électrode extérieure. Un avantage de l'invention est de procurer un capteur qui est produit à des rendements de fabrication élevés, avec une grande uniformité de réponses sur la longueur du capteur aussi bien lors d'essai de choc que d'essais hydrostatiques. L'invention concerne un capteur perfectionné à utiliser dans la détection et le contrôle de divers aspects de la circulation de véhicules. A cet effet, on fabrique un capteur ayant un conducteur extérieur, un conducteur inté- rieur et une matière piézo-électrique disposée entre les conducteurs extérieur et intérieur. Le conducteur extérieur est formé avantageusement en métal et présente une forme qui est sensiblement elliptique en section transversale, avec des surfaces supérieure et inférieure qui sont sensiblement parallèles à la chaussée et des surfaces latérales qui sont de dimension beaucoup plus petite que celle des surfaces supérieure et inférieure. Les surfaces latérales sont sensiblement perpendiculaires à la surface de la chaussée. La matière piézo-électrique disposée entre les conducteurs extérieur et intérieur remplit avantageusement le volume compris entre les conducteurs intérieur et extérieur, ce qui procure une uniformité de réponse beaucoup plus grande ainsi qu'un accroissement du rendement dans la fabrication. Le premier avantage de la présente invention est parti- culièrement intéressant dans des applications à des mesures de poids en mouvement. Le second avantage est important en comparaison avec l'art antérieur car le capteur de l'art antérieur présente souvent une répartition non uniforme de la matière piézo-électrique dans le produit final. Ce manque d'uniformité de la répartition de la matière réduit l'uni- formité de la réponse et le rendement résultant de production de capteurs acceptables est donc réduit. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: La figure 1 est une vue en coupe transversale d'un capteur de trafic de l'art antérieur monté dans une rigole, comportant une matière à haut module élastique entre le capteur et la rigole et une matière à bas module élastique entre les côtés de la rigole et la route. La figure 2 est une vue en coupe transversale du capteur de l'art antérieur présentant une section transver- sale sensiblement elliptique et des entrefers sur les côtés entre la matière piézo-électrique et l'électrode extérieure. La figure 3 est une vue en coupe transversale du capteur de trafic de la présente invention. La figure 4 est une vue en coupe transversale du capteur de trafic de la présente invention encastré dans une matière à haut module d'élasticité et également encastré dans une enveloppe métallique, laquelle est en outre encastrée dans la chaussée. La figure 5 montre le capteur de la présente invention encastré dans la matière à haut module d'élas- ticité, elle-même encastrée dans la chaussée. La figure 6 est une vue en coupe transversale d'une variante de réalisation de la présente invention comportant un élément d'enveloppement métallique d'une conception différente. La figure 7 est une représentation graphique du signal de sortie du capteur en l'absence d'une onde en volume. La figure 8 est une représentation graphique du signal de sortie du capteur en présence d'une onde en volume. La figure 9 est une vue en perspective avec coupe de la chaussée, montrant les diverses orientations des éléments du capteur de la présente invention. En référence à présent à la figure 3, le capteur 300 selon l'invention est représenté. Le conducteur extérieur 301 est formé avantageusement en métal, tel que du laiton ou du cuivre, par exemple. La matière piézo-électrique, avanta- geusement un polymère ou un copolymère piézo-électrique (PVDF, PVDF) 302 est disposée entre le conducteur extérieur et le conducteur intérieur 301 et 303 et elle remplit la zone comprise entre eux, ne laissant pratiquement aucun entrefer ou espace rempli d'air. Bien que la matière 302 soit avanta- geusement une matière du type polymère, il est important de noter que d'autres matières piézo-électriques telles que des matières piézo-céramiques suffisent en tant que matière 302. Dans la forme avantageuse de réalisation dans laquelle un polymère ou un copolymère piézo-électrique est utilisé en tant que matière 302, le capteur 300 est fabriqué par remplissage de la zone comprise entre les conducteurs extérieur et intérieur avec la matière piézo-électrique. L'assemblage est ensuite comprimé d'une manière qui élimine sensiblement les espaces d'air entre les conducteurs inté- rieur et extérieur, formant un capteur ou un capteur coaxial. En particulier, le conducteur extérieur 301 est initialement façonné en une forme sensiblement elliptique à partir d'une forme sensiblement cylindrique. En ce point, la matière polymère piézo-électrique 302, dans laquelle est noyé le conducteur intérieur 303, est introduite dans le conducteur extérieur 301 et l'ensemble est de nouveau roulé entre des rouleaux de serrage sous une pression qui est avantageusement d'au moins 7 à 14 MPa. On laisse ensuite reposer le capteur 300 pendant environ 24 heures pour assurer une meilleure uniformité et une meilleure relaxation de la matière polymère du film piézo-électrique 302, après quoi il est de nouveau roulé par le processus de roulage indiqué ci-dessus. Dans la forme avantageuse de réalisation de l'invention telle que montrée sur la figure 3, les parois supérieure et inférieure 304 et 305 du capteur ou capteur coaxial, respectivement, sont de dimensions beaucoup plus grandes que celles des parois latérales 306. Les parois 304 et 305 ont donc une aire plus grande pour recevoir une onde mécanique provenant d'un véhicule, orientée perpen- diculairement à la surface de la route, que l'aire de réception d'une onde se déplaçant parallèlement à la route et atteignant les parois latérales 306. Par conséquent, le capteur est plus réceptif à des signaux orthogonaux à la surface de la route qu'à des signaux parallèles à la route. La figure 9 montre, en coupe transversale, la surface de la route ainsi que les orientations relatives du mouvement des véhicules et des forces exercés sur le capteur. Le véhicule à moteur suit la direction X indiquée par une flèche 901, et les diverses couches des matières de revêtement de la route sont représentées, respectivement, en 902, 903 et 904. Les forces que l'on souhaite recevoir sont orthogonales à la surface de la route, dans la direction Z comme montré sur la figure 9. Les forces parallèles à la surface de la route, dans la direction X et Y sur la figure 9, correspondent à des signaux non désirés. D'autres détails seront décrits ici. Les avantages de la réception de forces perpendiculaires à la surface de la route, dans la direction Z, sont tels que décrits ci-dessus. Un avantage principal du remplissage de l'espace avec une matière piézoélectrique est que le conducteur intérieur est centré par rapport au conducteur extérieur. Autrement dit, la section transversale du capteur est divisée par des axes de symétrie. Ces axes passent par le centre géométrique de la section transversale, perpendiculairement entre eux. Une analyse par éléments finis de la section transversale d'un capteur montre que l'aire de la plus grande déformation du capteur est plus grande au centre de la section transversale et que la déformation aux bords diminue. Par conséquent, la conception de l'art antérieur, qui aboutit à ce que le conducteur intérieur soit placé de façon asymé- trique par rapport au conducteur extérieur, donne une application non uniforme des charges mesurées. Ceci constitue un résultat indésiré qui est surmonté par l'invention par le fait que la présente invention assure un positionnement symétrique du conducteur intérieur, ce qui aboutit à une application uniforme de la charge mesurée et donc à une mesure plus précise. Un autre avantage de la disposition uniforme de la matière piézoélectrique 302 entre les électrodes inté- rieure et extérieure du capteur ou capteur coaxial est observé lorsque les forces de surfaces de route déformables produisent un effet sur le capteur ou le capteur coaxial. A cet effet, les caractéristiques de la route ont un effet majeur sur les performances du capteur. L'élasticité des surfaces de la route varie et les forces exercées sur le capteur dues à la déformation de la surface de la route varient donc avec le type de surface de la route. Il est important que le capteur fournisse des mesures précises dans tous les types de routes. L'invention n'est pas sujette à des lectures imprécises grâce à la disposition uniforme de la matière sensible. Autrement dit, le manque d'uniformité dû à la présence d'espaces d'air dans la conception de l'art antérieur comme décrit ci- dessus, vis-à-vis de la compression du capteur, pendant la fabrication, est manifeste dans le capteur lorsque celui-ci est soumis aux forces de déformation de la route. Pour les mêmes raisons que celles indiquées avec la compression du capteur pendant la fabrication, le remplis- sage de pratiquement la totalité du volume compris entre les conducteurs intérieur et extérieur donne un capteur qui est uniforme même lorsqu'il est soumis aux forces de la route. Une utilisation du capteur est dans la mesure de poids en mouvement de véhicules se déplaçant sur la chaussée. Des formes avantageuses de réalisation d'un capteur utilisé dans cette application sont montrées sur les figures 4 et 5. Dans les deux cas, le capteur 300 est identique à celui décrit ci-dessus. Sur la figure 4, le capteur 300 est monté dans une composition de matière 401 qui présente un module d'élasticité insensible à la température. La matière est avantageusement un composé de silice et d'époxy tel que celui il décrit dans le brevet NI 4 712 423 précité, bien que d'autres matières à haut module élastique suffisent. La composition de mortier de silice dans laquelle est disposé le capteur 300 est montée dans une structure métallique 402 de support qui présente une surface de base 405 s'évasant en 406 pour supporter convenablement la structure. Cette base empêche le capteur de tourner dans la chaussée 403. Le capteur tel que montré sur la figure 5 est identique à celui de la figure 4, le capteur 300 étant monté dans un mortier 501 de silice et d'époxy, puis disposé dans la chaussée 502. L'élément métallique de support décrit en association avec le capteur de la figure 4 n'est pas utilisé dans cette forme de réalisa- tion. Comme indiqué précédemment, la présente invention possède de multiples applications dans la détection de véhicules à moteur se déplaçant sur une chaussée, au cours du classement, ensuite, de ces véhicules grâce à des infor- mations bien connues des spécialistes de la technique, en particulier pour classer les véhicules qui se déplacent sur la chaussée. En particulier, lorsqu'un véhicule à plusieurs essieux passe sur le capteur, il est possible de déterminer le nombre d'essieux et leur écartement et donc la classe du véhicule ayant franchi le capteur. A cet effet, il existe des classes bien définies de véhicules à moteur qui se déplacent sur la chaussée et, ceci étant connu, le signal reçu du capteur permet à l'utilisateur de déterminer aisément le véhicule ayant parcouru le capteur, et à quelle vitesse, si cela est souhaité. Une autre application importante est la détection du poids en mouvement. Ce processus est plus compliqué que le classement des véhicules à moteur et nécessite des capteurs ayant des sensibilités uniformes ainsi que des circuits électroniques plus perfectionnés. Dans des applications à la détection de poids en mouvement, le signal de tension est intégré par rapport au temps et le signal de sortie donne le poids du véhicule. Les détails du procédé d'intégration du signal de sortie du capteur sont décrits dans le brevet N 4 712 423 précité, incorporé ici à titre de référence. Dans de telles appli- cations, il est important que l'empreinte complète et uniforme du pneumatique du véhicule soit appliquée au capteur, ce dernier captant le flanc avant de la force provenant du pneumatique. Si, comme dans l'art antérieur, le capteur présente des manques d'uniformité dus à des espaces d'air et des dissymétries dues à la position du conducteur intérieur par rapport au conducteur extérieur, la matière piézo- électrique n'est pas sollicitée de façon uniforme et il en résulte des tensions de sortie imprécises fournies aux circuits électroniques extérieurs de mesure. Les manques de précision des mesures de force effectuées par le capteur aboutissent à des mesures de poids imprécises. Un autre avantage de l'invention tel que décrit est obtenu dans la mesure de véhicules à essieux multiples. L'onde en volume d'un véhicule précède celui-ci lorsqu'il approche du capteur. Cette onde est transmise perpen- diculairement à la surface de la route, c'est-à-dire dans la direction Z telle que montrée sur la figure 9. Bien que l'on souhaite éliminer la sensibilité à cette onde en volume qui est à l'origine de signaux parasites, on n'y parvient pas. Cependant, une variante réalisable est de faire réagir le capteur à l'onde en volume d'une manière uniforme et prévi- sible. En particulier, l'invention peut être utilisée dans la détection de poids en mouvement de véhicules à essieux multiples tels que des camions sur lesquels des essieux jumelés sont proches l'un de l'autre. Etant donné que le volume du capteur ou capteur coaxial selon l'invention est rempli d'une matière polymère ou copolymère piézo- électrique, la réponse de ce capteur est uniforme et prévisible. L'onde en volume d'un véhicule à deux essieux peut en réalité devenir prépondérante sur le signal souhaité car, dans le cas de camions à deux essieux rapprochés, se déplaçant à vitesse élevée, le temps séparant le signal du premier essieu du signal du second essieu est relativement court. La figure 7 montre la réponse d'un capteur au passage d'un véhicule à deux essieux en l'absence d'une onde en volume. La figure 8 montre par contre la présence d'une onde en volume et les effets destructeurs d'annulation de la seconde onde sur la première. Comme on peut le voir sur la figure 9, l'inter- férence de la première onde qui est en réponse au premier essieu et de la seconde onde qui est en réponse au second essieu aboutit à une suppression d'une partie de la première onde ou du premier signal. Dans les circuits électroniques du système, l'onde en volume peut être compensée si la réponse est connue et prévisible et d'une amplitude relativement faible en comparaison avec le signal réel des essieux du véhicule. Le capteur selon l'invention est un capteur ayant une réponse uniforme et prévisible grâce au fait que le volume à l'intérieur du guide d'onde est rempli d'une matière polymère piézo-électrique. Bien que des formes avantageuses de réalisation aient été décrites en détail, il convient de noter que diverses modifications et divers changements peuvent y être apportés sans s'écarter du principe d'un capteur de trafic ayant un conducteur intérieur entouré d'un conducteur extérieur, et dans lequel la zone comprise entre le conduc- teur intérieur et le conducteur extérieur est sensiblement remplie d'une matière sensible piézo-électrique, pratiquement sans espace d'air. REVENDICATIONS 1. Capteur monté dans une chaussée pour la détection du trafic de véhicules, ayant un conducteur extérieur (301) et un conducteur intérieur (303), et une matière piézo-électrique (302) disposée dans une zone comprise entre le conducteur extérieur et le conducteur intérieur, le conducteur extérieur ayant une section trans- versale sensiblement elliptique, le capteur étant caractérisé en ce que la matière piézo-électrique remplit sensiblement la zone comprise entre le conducteur extérieur et le conducteur intérieur. 2. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que la matière piézoélectrique est un polymère ou un copolymère piézo-électrique. 3. Capteur selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que le conducteur extérieur présente une surface supérieure (304) et une surface inférieure (305) ayant une aire prédéterminée, et des surfaces latérales (306) ayant une aire prédéterminée, l'aire des surfaces supérieure et inférieure étant sensiblement plus grande que celle des surfaces latérales. 4. Capteur de trafic selon la revendication 1, caractérisé en outre en ce que les surfaces supérieure et inférieure sont sensiblement parallèles à la chaussée. 5. Capteur de trafic selon la revendication 1, caractérisé en ce que la matière piézo-électrique est une matière piézo-céramique.