ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ
MEASURING DEVICE, METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF AND METHOD FOR MEASURING FORCE

Согласно первому аспекту, изобретение относится к преобразователю, обеспечивающему обнаружение и/или измерение силы, когда он встроен в тензодатчик; при этом измерение прикладываемой силы происходит не напрямую, а посредством измерения деформации: под действием силы преобразователь деформируется; эта деформация приводит к изменению измеряемой величины преобразователя; измерительная часть датчика обнаруживает и/или количественно определяет это изменение и выдает выходной сигнал, характеризующий деформацию и, следовательно, прикладываемую силу.
Естественно, такой преобразователь можно также использовать для обнаружения или измерения деформаций.
Первым вариантом применения таких преобразователей и датчиков является взвешивание транспортных средств на дорожном покрытии во время остановки или предпочтительно во время движения.
Когда транспортное средство находится на дорожном покрытии во время остановки или во время движения дорожное покрытие локально деформируется под шинами. Эту деформацию, которая, кроме всего прочего, зависит от веса транспортного средства, можно обнаруживать и/или измерять при помощи датчика или системы датчиков. Эту информацию о деформации можно интерпретировать, чтобы обнаружить присутствие и определить количество колес транспортных средств, присутствующих или движущихся по дорожному покрытию, их скорость и/или направление их перемещения, а также их вес.
Вторым вариантом применения является мониторинг состояния дорожного покрытия, например, отслеживание необратимых деформаций дорожного покрытия и/или обнаружение трещин и/или упреждение появления трещин, например, путем анализа отклонения измерений датчика или датчиков, либо производимых в отсутствие транспортного средства, либо объединяемых после прохождения нескольких транспортных средств.
Уровень техники по первому объекту изобретения
Были разработаны многие датчики деформации или тензодатчики, предназначенные для взвешивания транспортных средств на дорожном покрытии во время остановки или во время движения и для мониторинга состояния дорожного покрытия.
В некоторых из этих датчиков преобразователь образован корпусом, на котором закреплены электроды и который выполнен из такого материала, что, когда на этом материале закрепляют пару электродов, сопротивление между электродами меняется в зависимости от деформации материала (то есть материал является пьезорезистивным).
Особенностью этих датчиков является то, что электроды закреплены с двух сторон указанного корпуса, на поверхностях корпуса, которые являются нормальными, то есть перпендикулярными к направлению приложения измеряемой силы.
Когда эта сила действует на преобразователь, корпус деформируется в этом направлении; в результате сопротивление, измеряемое между электродами на сторонах, нормальных к прикладываемой силе, изменяется; это изменение сопротивления обнаруживается и/или измеряется датчиком, выдающим необходимую информацию.
Такие преобразователи выполнены, например, в виде «умных бетонов» или «умных битумно-минеральных смесей», то есть бетонов или покрытий, содержащих наполнители из наночастиц и характеризующихся пьезорезистивным поведением. Их можно также выполнить с использованием пьезорезистивных полимеров.
Существуют также преобразователи, выполненные в виде пьезорезистивных лент, в частности, на основе полимера, керамики и пьезоэлектрических кристаллических материалов.
Однако эти различные преобразователи не являются полностью удовлетворительными, так как каждый из них характеризуется по меньшей мере частью следующих проблем:
- длительное время, необходимое для установки на место преобразователей, и следовательно время вывода из эксплуатации дорожного покрытия;
- недостаточная надежность этих преобразователей в среднесрочном и долгосрочном плане, что связано с несовместимостью материалов преобразователей и материалов заполнителей с материалом дорожного покрытия, поскольку преобразователи подвергаются очень сильным и повторяющимся напряжениям;
- ухудшение дорожного покрытия по причине применения преобразователей, которые имеют существенную высоту, что приводит к сокращению срока службы дорожного покрытия вблизи этих датчиков;
- низкая точность преобразователей, на которую влияют скорость и траектория движения транспортных средств, перепады температуры и влажности;
- наконец, высокая стоимость, связанная одновременно со стоимостью преобразователей и со стоимостью их установки в дорожном покрытии.
Сущность изобретения - Первый объект
Во-первых, изобретение призвано предложить преобразователь и, следовательно, датчик деформаций или тензодатчик, позволяющий устранить все или часть вышеупомянутых недостатков.
В связи с этим первым объектом изобретения является измерительное устройство, содержащее стенку и преобразователь, в котором преобразователь образован корпусом и множеством электродов, закрепленных на указанном корпусе на расстоянии друг от друга; преобразователь выполнен таким образом, что импеданс, определяемый при помощи указанного множества электродов, меняется в зависимости от деформаций, которым подвергается преобразователь; если смотреть в направлении, перпендикулярном к поверхности стенки, по меньшей мере два электрода из указанного множества электродов отделены друг от друга; и преобразователь расположен под поверхностью стенки.
Под «стенкой» следует понимать тело (или совокупность тел), ограниченное свободной поверхностью, то есть поверхностью, на одной стороне которой находится текучая среда, в частности, атмосфера. Стенка может быть гибкой, как в случае текстиля. Стенка не обязательно является плоской.
Расположение преобразователя под поверхностью стенки значит, с одной стороны, что, если смотреть в направлении, перпендикулярном к поверхности стенки, стенка охватывает преобразователь, и, с другой стороны, преобразователь находится со стороны стенки по отношению к поверхности стенки (вместе с тем, в случае необходимости, преобразователь может быть сам ограничен поверхностью стенки).
Единственным импедансом, указанным в настоящем документе, является электрический импеданс; в дальнейшем он будет называться просто «импедансом».
Импеданс, определяемый при помощи множества электродов, является величиной, зависящей по меньшей мере от соотношения между напряжением и силой тока; для каждого соотношения среди указанного по меньшей мере одного соотношения напряжение измеряют между первой парой электродов указанного множества электродов, и ток подают на вторую пару электродов указанного множества электродов. Первая и вторая пары электродов могут быть идентичными или разными.
Чаще всего импеданс классически равен соотношению между напряжением и силой тока для единственной пары электродов.
Импеданс может также обозначать «среднее сопротивление», равное средней крутизне (определяемой, например, по линейной регрессии) кривой (прямой), показывающей ток в зависимости от напряжения (или напряжение в зависимости от тока).
В вышеупомянутом измерительном устройстве поверхность стенки включает в себя поверхность, на которую должна действовать обнаруживаемая и/или измеряемая сила.
Когда эта сила действует на поверхность стенки, происходит деформация преобразователя. Эта деформация приводит к изменению электрического импеданса между электродами, которое можно измерить. Таким образом, измерение деформации преобразователя (через измерение изменения импеданса между электродами) позволяет измерить силу, действующую на стенку.
Измерительное устройство может содержать несколько вышеупомянутых преобразователей.
В отличие от преобразователей, используемых в известных технических решениях, в заявленном измерительном устройстве электроды преобразователя не расположены в линию в направлении приложения силы, а, наоборот, если смотреть в направлении, перпендикулярном к поверхности стенки, электроды по меньшей мере одной пары разделены: то есть в этой проекции эти два электрода не перекрывают друг друга и кажутся разделенными. Это расположение предпочтительно приводит к тому, что по меньшей мере эти электроды могут быть расположены на одинаковом уровне в направлении, перпендикулярном к поверхности, что позволяет получить более компактное и даже исключительно компактное измерительное устройство в этом направлении.
Таким образом, измерительное устройство можно, например, включить в поверхность дорожного покрытия без особого ущерба для последнего.
В дальнейшем для измерительного устройства «толщиной» будет называться его размер в направлении, перпендикулярном к поверхности стенки, и это направление называется «перпендикулярным направлением».
Как правило, корпус заявленного преобразователя имеет небольшую толщину.
Преобразователь не обязательно должен быть расположен на уровне поверхности стенки: он может находиться на расстоянии от этой поверхности.
В варианте выполнения изобретения измерительное устройство может дополнительно содержать переходный слой, отделяющий преобразователь от поверхности стенки. Деформируясь, этот переходный слой вызывает соответствующую деформацию преобразователя, которая отображает силу, действующую на поверхность стенки.
Предпочтительно переходный слой сцепляется со стороной преобразователя, обращенной к поверхности, то есть с верхней стороной, если преобразователь расположен горизонтально.
Предпочтительно переходный слой имеет толщину, превышающую тройной размер корпуса преобразователя в перпендикулярном направлении.
В случае необходимости, переходный слой может быть слоистым и содержать по меньшей мере два подслоя.
В частности, переходный слой может быть выполнен таким образом, чтобы деформироваться, в частности, в поперечной плоскости, перпендикулярной к направлению приложения силы. В этом случае переходный слой преобразует действующую силу в «поперечную» деформацию преобразователя, происходящую в этой поперечной плоскости; именно эта поперечная деформация создает изменение импеданса, измеряемого между электродами.
Переходный слой может быть выполнен также таким образом, чтобы прикладываемая сила приводила к деформации преобразователя в перпендикулярном направлении, и преобразователь может быть выполнен таким образом, чтобы такой деформации было достаточно для создания изменения импеданса, измеряемого между электродами.
Переходный слой может быть также выполнен таким образом, чтобы объединять эти два эффекта.
Переходный слой и стенка могут быть выполнены из одного материала, в частности, из битумно-минеральной смеси. Понятно, что в предыдущей фразе термин «стенка» обозначает часть стенки, охватывающей преобразователь (если смотреть в перпендикулярном направлении).
В частности, переходный слой и стенка могут быть выполнены заодно. Выполнение переходного слоя и стенки заодно предполагает, что переходный слой выполнен непрерывно с материалом части стенки, охватывающей преобразователь. В альтернативном варианте, переходный слой представляет собой материал, присоединяемый после выполнения стенки, в случае, когда преобразователь располагают в выемке, выполненной в стенке.
Описанное выше измерительное устройство можно использовать для реализации датчика, в частности, датчика для обнаружения и измерения деформации преобразователя и/или силы, действующей на стенку.
Датчик может быть также предусмотрен для указания изменений силы, действующей на поверхность стенки (а не самой силы), которые в этом случае, как правило, определяют в зависимости от изменений импеданса преобразователя.
При этом датчик содержит по меньшей мере одно описанное выше измерительное устройство и систему определения импеданса, соединенную с электродами по меньшей мере одного преобразователя указанного по меньшей мере одного измерительного устройства и выполненную с возможностью определения импеданса и/или изменения импеданса указанного по меньшей мере одного преобразователя.
В частности, датчик может содержать набор преобразователей, расположенных в виде решетки, а также средства, позволяющие идентифицировать, какие преобразователи являются активными или задействованными в данный момент. Датчик, содержащий такую решетку преобразователей, можно использовать для измерения скорости и/или направления перемещения транспортного средства. В частности, преобразователи могут быть расположены в линии и столбцы, то есть в соответствии с матричным расположением.
В варианте выполнения датчик может содержать два (или более двух) преобразователя, расположенных один над другим в направлении толщины датчика.
В этом случае в проекции, перпендикулярной к поверхности стенки измерительного устройства, соответствующие электроды различных преобразователей могут иметь, в частности, разные ориентации; например, образовать в этой проекции угол 90°.
Система определения импеданса может быть системой определения сопротивления, в основном состоящей из омметра, который обнаруживает и/или количественно определяет сопротивление и/или изменение сопротивления между электродами.
В другом варианте выполнения система определения импеданса оценивает комплексный импеданс между электродами, возможно, в зависимости от частоты или на определенной частоте, чтобы на его основании вывести, например, емкость и относительную проницаемость материала между электродами.
Кроме того, датчик может содержать систему корреляции для определения деформации преобразователя или преобразователей и/или силы или сил, действующей(их) на стенку, на основании импеданса преобразователя или преобразователей и/или его изменений.
На основании информации, получаемой от системы определения импеданса, система корреляции вырабатывает аналоговый или цифровой выходной сигнал, коррелированный количественно или качественно с деформацией преобразователя или преобразователей или с силой или силами, действующими на поверхность стенки. Корреляцию между импедансом или изменениями импеданса между электродами и выходным сигналом (рассматриваемым как сигнал, характеризующий деформацию или прикладываемую силу) устанавливают, благодаря предварительному этапу калибровки и/или при помощи физической (электромеханической) модели измерительного устройства.
Датчик может быть также датчиком состояния деформаций дорожного покрытия или материала, в котором находится датчик, в частности, необратимых деформаций дорожного покрытия, и может представлять собой систему для раннего обнаружения трещин. Датчик может, например, содержать по меньшей мере одно описанное выше измерительное устройство и омметр, соединенный с электродами преобразователя или преобразователей или с вышеупомянутой матрицей преобразователей. Датчик работает, например, анализируя отклонение измерений преобразователя или преобразователей, то есть измерений, полученных в отсутствие транспортных средств, либо аккумулированных в результате прохождения нескольких транспортных средств.
Датчик может быть также датчиком скорости и ориентации подвижного объекта на материале, содержащем по меньшей мере одно описанное выше измерительное устройство и омметр, соединенный с электродами преобразователя или преобразователей или предпочтительно с вышеупомянутой матрицей преобразователей.
Измерительное устройство или датчик в соответствии с изобретением можно использовать как для обнаружения локальной силы (точечная опора), так и для обнаружения распределенной силы.
Как было указано выше, как правило, преобразователь имеет небольшую толщину. Корпус преобразователя, который обычно имеет форму слоя и даже одной (или нескольких) нити(ей) или узкой полоски (полосок), соединяющих электроды.
Например, корпус преобразователя может представлять собой тонкий слой, то есть слой толщиной менее 1/10 по меньшей мере одного из двух других характеристических размеров корпуса преобразователя. В частности, толщина этого слоя может быть меньше 1мм и предпочтительно может быть равна 0,5 мм и даже 0,1 мм.
Как правило, электроды расположены таким образом, чтобы находиться на одинаковом уровне относительно корпуса преобразователя в направлении, перпендикулярном к поверхности. Например, электроды можно расположить на стороне, обращенной к поверхности, и на стороне, противоположной к поверхности, корпуса преобразователя, или на его одинаковом промежуточном уровне.
Эти стороны являются верхней и нижней сторонами корпуса преобразователя, когда устройство расположено «горизонтально», то есть таким образом, чтобы поверхность его стенки была горизонтальной (что является одной из различных возможностей для размещения заявленного измерительного устройства). Условно в дальнейшем элемент будет считаться «верхним», если он находится со стороны поверхности стенки относительно корпуса преобразователя, и «нижним», если он находится с противоположной стороны.
Как было указано выше, важным применением заявленного датчика является взвешивание транспортных средств или измерение деформаций дорожного покрытия.
В этом случае измерительное устройство располагают под поверхностью дорожного покрытия. Его незначительная толщина позволяет расположить его без ущерба для дорожного покрытия. Кроме того, как будет показано ниже, его можно выполнять из материалов, совместимых с покрытиями из битумно-минеральной смеси.
В результате этого, несмотря на многочисленные воздействия (климатические, механические,…), которым подвергается измерительное устройство, установленное в дорожном покрытии, предпочтительно заявленное измерительное устройство может иметь большой срок службы.
Измерительное устройство или датчик, содержащий такое устройство, можно использовать для обнаружения присутствия и определения веса объектов (или людей, животных и т.д.) на поверхности или любых сил, которые могут действовать на поверхность.
Для увеличения срока службы и повышения точности преобразователя он может дополнительно содержать соединительный слой, расположенный между корпусом преобразователя и поверхностью, смежной с корпусом преобразователя, при этом соединительный слой сцепляется с корпусом преобразователя и с указанной смежной поверхностью. Эта смежная поверхность может быть, поверхностью вышеупомянутого переходного слоя. В этом случае соединительный слой является верхним соединительным слоем, обеспечивающим тесное соединение между переходным слоем и корпусом преобразователя.
Эта смежная поверхность может быть опорной поверхностью, поддерживающей преобразователь с нижней стороны; в этом случае соединительный слой является нижним соединительным слоем, расположенным между пьезорезистивным корпусом и этой опорной поверхностью.
Преобразователь может одновременно содержать нижний и верхний соединительные слои.
В варианте выполнения преобразователь дополнительно содержит вторую пару электродов, отделенных друг от друга во втором направлении, перпендикулярном к поперечному направлению (при этом поперечное направление является направлением, в котором отстоят друг от друга электроды вышеупомянутой пары электродов, называемой первой парой электродов). Вторая пара электродов позволяет осуществлять дополнительное измерение и, следовательно, лучше определять изменения импеданса пьезорезистивного корпуса и, соответственно, состояние его деформаций.
В варианте выполнения преобразователь содержит несколько пар электродов, образующих попарно параллельные стороны многоугольника. Непараллельные стороны многоугольника могут иметь разную длину. Пары электродов позволяют лучше определять сопротивление преобразователя с учетом направления и геометрии, выбранных для электродов, и, следовательно, лучше определять состояние деформации корпуса преобразователя.
Электроды могут иметь все или часть следующих признаков:
- пара электродов может состоять из перемежающихся электродов (то есть образующих две заходящие друг в друга гребенки) для уменьшения сопротивления преобразователя и увеличения его чувствительности);
- часть электродов, входящих в контакт с пьезорезистивным корпусом, может быть по существу плоской.
- часть электродов, входящих в контакт с пьезорезистивным корпусом, может представлять собой тонкую нить или сеть тонких нитей, образующих равномерные или неравномерные гребенку или решетку.
- электроды могут быть жесткими и могут, например, быть выполнены из материала, модуль изгиба которого превышает (не менее чем вдвое) модуль изгиба пьезорезистивного корпуса. Это позволяет повысить чувствительность преобразователя к деформациям, перпендикулярным к поверхности стенки.
- электроды могут быть гибкими и могут быть, например, выполнены из материала, модуль изгиба которого сравним или меньше модуля изгиба пьезорезистивного корпуса. Это позволяет повысить прочность преобразователя.
Для выполнения пьезорезистивного корпуса можно использовать разные материалы.
Для обеспечения измерения силы, действующей на поверхность стенки, необходимо, чтобы импеданс пьезорезистивного корпуса (то есть, как правило, его электрическое сопротивление) между электродами, то есть в поперечном направлении, менялся, предпочтительно сильно, в зависимости от прикладываемой силы.
Для выполнения преобразователя можно, в частности, использовать корпус и электроды, имеющие один и/или другой из следующих отличительных признаков:
- если сила приложена к измерительному устройству в направлении, перпендикулярном к поверхности стенки, преобразователь деформируется в основном и даже главным образом в указанном направлении, перпендикулярном к стенке, и импеданс, измеряемый между электродами указанного множества электродов, меняется. Это изменение импеданса может происходить даже в отсутствие деформации материала в указанном перпендикулярном направлении.
- если сила приложена к измерительному устройству в направлении, перпендикулярном к поверхности стенки, преобразователь деформируется в основном и даже главным образом в плоскости, по существу параллельной стенке, и импеданс, измеряемый между электродами указанного множества электродов, меняется.
Деформация, происходящая в основном (или соответственно главным образом) в одном направлении, означает, что перемещение точек материала происходит в направлении, образующем угол менее 45° (соответственно менее 20°) относительно указанного направления. Вышеуказанные признаки можно получить за счет выбора соответствующего пьезорезистивного материала для выполнения корпуса преобразователя и/или за счет выбора электродов, имеющих соответствующую жесткость.
Пример преобразователей, имеющих эти признаки, будет представлен ниже.
Корпус преобразователя может иметь разный химический состав.
В варианте выполнения корпус преобразователя содержит проницаемую решетку из микро- и/или наночастиц. В данном случае под микрочастицами и соответственно наночастицами следует понимать частицы, по меньшей мере один из характеристических размеров которых соответственно меньше 100 мкм и 100 нм.
Эти микро- и/или наночастицы могут, в частности, включать в себя одну или несколько частиц из следующего списка:
а) углеродные нанотрубки, в частности, в виде случайной или организованной решетки,
b) самосцепляющиеся микро- или наночастицы,
с) листы из графена, графита или из восстановленного или не восстановленного оксида графена.
Проницаемая решетка может также содержать частицы глины, при этом некоторые из указанных частиц имеют наружную поверхность, по меньшей мере частично покрытую проводящим веществом.
Корпус преобразователя может также содержать пьезорезистивный полимер или смесь нескольких пьезорезистивных полимеров, или смесь по меньшей мере одного полимера, например, битума, с проводящими микро- и наночастицами (образуя, таким образом, полимерный композит с микро- и наночастицами), или смесь цементного материала с микро- и наночастицами (называемую иногда «умным цементом» или «умным бетоном»).
Объектом изобретения является также лента, содержащая множество описанных выше измерительных устройств, закрепленных на узкой полоске. Узкая полоска может быть выполнена из гибкого полимера. В частности, она может быть выполнена с возможностью сматывания в бобину или рулон. Узкая полоска может выполнять роль переходного слоя и/или слоя с опорной поверхностью, чтобы защищать или поддерживать измерительные устройства, как было указано выше.
Изобретение относится также к пункту контроля, например, к пункту оплаты за проезд, содержащему по меньшей мере одну полосу движения, оснащенную описанным выше тензодатчиком.
Изобретение относится также к дисплею, например, к сенсорному экрану, подходящему для отображения переменной информации, содержащему по меньшей мере одно описанное выше измерительное устройство.
Объектом изобретения является также способ измерения силы, содержащий следующие этапы:
а) готовят преобразователь, образованный корпусом и множеством электродов, закрепленных на указанном корпусе на расстоянии друг от друга, при этом преобразователь выполнен таким образом, чтобы электрический импеданс, определяемый при помощи указанного множества электродов, менялся в зависимости от деформаций, которым подвергается преобразователь;
b) к указанному преобразователю прикладывают силу в таком направлении, чтобы, если смотреть в этом направлении, по меньшей мере два электрода из указанного множества электродов, были отделены друг от друга; и
c) измеряют изменение импеданса под действием прикладываемой силы;
d) прикладываемую силу определяют в зависимости от указанного изменения импеданса.
Этап d) осуществляют, используя предварительные знания отношения между деформацией преобразователя и действующей на него силой.
Кроме того, понятно, что силу можно прикладывать к преобразователю напрямую или опосредованно. Например, преобразователь может быть расположен под переходным слоем (слоем передачи силы), и силу прикладывают к переходному слою, и часть этой силы передается на преобразователь через переходный слой.
Изобретением предложен также способ изготовления преобразователя, встроенного в стенку, который позволяет очень просто интегрировать в стенку преобразователь для обнаружения и/или измерения деформаций и сил, в частности, силы, действующей на дорожное покрытие.
В связи с этим объектом изобретения является способ изготовления измерительного устройства, содержащего стенку и преобразователь, при этом способ содержит следующие этапы:
а) множество электродов вводят в контакт с корпусом, при этом корпус и указанные электроды выполнены таким образом, чтобы электрический импеданс, определяемый при помощи указанного множества электродов, менялся в зависимости от деформаций, которым подвергается корпус, связанный с указанным множеством электродов; при этом корпус и указанное множество электродов образуют преобразователь;
b) выполняют стенку;
и в котором этапы а) и b) осуществляют таким образом, чтобы расположить преобразователь под поверхностью стенки, при этом, если смотреть в направлении, перпендикулярном к указанной поверхности, по меньшей мере два из указанных электродов отделены друг от друга.
Этот способ можно осуществлять в случае, когда стенка является грунтом или стенкой грунта.
В рамках этого способа предпочтительно этап b) осуществляют после этапа а), то есть после выполнения преобразователя его помещают под поверхность стенки.
Этап а) может включать в себя два подэтапа: а1) позиционируют электроды; а) выполняют корпус преобразователя.
Эта два подэтапа можно осуществлять в следующем порядке: а1) затем а2), если корпус преобразователя находится над электродами, или в противном случае а2) затем а1), или одновременно, если электроды находятся внутри корпуса преобразователя.
После этапа b) верхняя поверхность корпуса преобразователя образует поверхность стенки. Таким образом, способ позволяет получить измерительное устройство, содержащее преобразователь, встроенный в стенку, в соответствии с изобретением.
В частности, этап b) этого способа может включать в себя нанесение переходного слоя на преобразователь. Предпочтительно этот переходный слой выполнен с возможностью сцепления с преобразователем.
Описанный выше способ изготовления преобразователя можно осуществлять на заводе; в этом случае преобразователь является предварительно изготовленным изделием. В частности, корпус преобразователя, получаемый на этапе а), можно выполнить на верхней поверхности ленты, например, ленты из пластического материала.
В альтернативном варианте преобразователь можно изготовить и интегрировать в стенку на месте. В частности, способ можно применять для получения преобразователей, встроенных в грунт. В этом случае вышеуказанный этап b) получения стенки может состоять в укладке поверхностного слоя на землю сверху на преобразователь. Этот поверхностный слой может быть, например, слоем битумно-минеральной смеси (смеси заполнителей, связанных битумным соединением).
В этом случае способ является частью способа изготовления дорожного покрытия, содержащего следующие этапы:
А) готовят опорную поверхность;
В) на указанную опорную поверхность укладывают по меньшей мере один слой битумно-минеральной смеси, располагая в нем по меньшей мере один преобразователь таким образом, чтобы дорожное покрытие содержало измерительное устройство, выполненное при помощи описанного выше способа.
В рамках изобретения слой битумно-минеральной смеси может быть выполнен из любого другого материала, предусмотренного для получения дорожного покрытия, например, представляющего собой заполнители, связанные гидравлическим связующим, битумным связующим и т.д.
Этот способ позволяет получать дорожные покрытия, в которые помещают один или несколько преобразователей.
Этап А) подготовки может состоять либо в очистке или снятии верхнего слоя существующего дорожного покрытия, либо в укладке нижнего слоя дорожного покрытия, который, как правило, является слоем битумно-минеральной смеси.
Предпочтительно слой битумно-минеральной смеси, укладываемый на этапе В), является верхним слоем дорожного покрытия, который укладывают в рамках нормального выполнения (или восстановления) дорожного покрытия. Обычно такой верхний слой дорожного покрытия укладывают в направлении движения на дорожном покрытии по длине не менее 10 метров с двух сторон от преобразователя. Когда преобразователь устанавливают или выполняют во время укладки дорожного покрытия, предпочтительно установку преобразователя осуществляют без предварительного выполнения выемки в дорожном покрытии и заделки преобразователя в выемке.
В варианте осуществления способа этап А) включает в себя укладку нижнего слоя битумно-минеральной смеси, верхняя поверхность которого образует указанную опорную поверхность; и толщину нижнего слоя битумно-минеральной смеси и указанного по меньшей мере одного слоя битумно-минеральной смеси определяют таким образом, чтобы преобразователь находился на глубине, составляющей от 15% до 50% совокупной толщины указанных слоев битумно-минеральной смеси.
Кроме того, предпочтительно толщина указанного по меньшей мере одного слоя битумно-минеральной смеси составляет существенную долю (превышающую 1/10) совокупной толщины указанных слоев битумно-минеральной смеси дорожного покрытия.
Предпочтительно этот способ изготовления дорожного покрытия обеспечивает оптимальную совместимость с окружающими материалами дорожных покрытий (в частности, с точки зрения способности к деформации, срока службы, отсутствия посторонних тел), что позволяет отказаться от соединений или выполнять стабильные соединения между остальной частью дорожного покрытия и измерительным устройством при лучшей долгосрочной прочности всего комплекса.
Осуществление способа является простым, поэтому вывод из эксплуатации дорожного покрытия занимает минимальное время, при этом преобразователь можно либо изготовить на заводе с очень низкими затратами, либо непосредственно на месте при помощи простых этапов изготовления.
Наконец, способ можно адаптировать в зависимости от рассматриваемой проблематики мониторинга дороги. Так, характеристический размер преобразователя может колебаться от одного миллиметра до одного метра; его чувствительность можно оптимизировать за счет соответствующего выбора количества слоев пьезорезистивного материала и электродов. Кроме того, обеспечение прохождения токов через преобразователи является простым и недорогим, что облегчает одновременное использование большого количества преобразователей, встроенных в один датчик, например, расположенных в виде матрицы.
Вторым объектом изобретения является материал, используемый для выполнения преобразователя.
В частности, преобразователь может иметь переменную электрическую величину типа электрического импеданса или удельного сопротивления, причем эту величину можно обнаруживать и/или измерять, при этом преобразователь выполнен таким образом, что эта величина может меняться под влиянием воздействия, например, силы или деформации, прикладываемой к преобразователю.
Уровень техники по второму объекту изобретения
Согласно второму объекту, изобретение призвано предложить недорогой материал для выполнения описанного выше преобразователя.
Эта задача решается за счет использовать композиционного материала, содержащего множество частиц глины, смешанных с проводящими углеродсодержащими волокнистыми элементами, при этом указанные частицы имеют наружную поверхность, по меньшей мере частично покрытую проводящим веществом.
Материал или вещество называют проводящим (проводником), если его удельное сопротивление ρ в (Ом.м) при 20°С имеет значение менее 100 Ом.м. Предпочтительно проводимость проводящих углеродсодержащих волокнистых элементов и проводящего вещества меньше 0,1 Ом.м, еще предпочтительнее - меньше 0,01 Ом.м.
Благодаря свойствам проводимости частиц глины с таким покрытием и проводящих углеродсодержащих волокнистых элементов, такой материал предпочтительно обладает необходимым качеством и имеет импеданс и, в частности (но не исключительно) сопротивление, которое меняется при приложении силы к преобразователю.
Предпочтительно качества этого материала получают при использовании следующих недорогих компонентов:
- углеродсодержащих волокнистых элементов, которые имеют высокую стоимость на килограмм, но которые можно использовать в очень небольших количествах;
- проводящего вещества и частиц глины, которые являются или могут быть очень дешевыми компонентами.
Кроме того, как будет более подробно описано ниже, материал имеет необходимые свойства, даже если его расположить в виде очень тонкого слоя. Следовательно, небольшого объема материала достаточно для получения преобразователей большой площади.
Композиционный материал согласно второму объекту изобретения может иметь следующие различные признаки отдельно или в любой комбинации:
- Проводящее вещество может быть, например, веществом, преимущественно состоящим из атомов углерода с гибридизацией SP2 (действительно, материалы на основе атомов углерода с гибридизацией SP2 являются проводниками в отличие от материалов на основе атомов углерода с конфигурацией SP3);
- Предпочтительно проводящее вещество может быть графенсодержащим веществом, то есть веществом, преимущество состоящим из графена или из вещества типа графена (на английском языке: “graphene-like material”). Следовательно, оно не обязательно должно представлять собой материал, содержащий только один слой атомов углерода);
- Проводящее вещество может образовать на поверхности частиц слой со средней толщиной менее 10 мкм;
- Углеродсодержащие волокнистые элементы могут содержать одностенные и/или многостенные углеродные нанотрубки и/или углеродные нановолокна; и/или
- Глина может быть волокнистой глиной, то есть сепиолитом и/или палыгорскитом.
В варианте выполнения частицы глины, по меньшей мере частично покрытые слоем проводящего вещества, являются частицами, при которых материал образует композицию, раскрытую в любом из пунктов 1-12 формулы изобретения международной патентной заявки WO2012/160229.
Изобретение относится также к преобразователю, образованному корпусом, выполненным из описанного выше материала (в случае необходимости, со всеми или с частью вышеупомянутых признаков), и множеством электродов, закрепленных на указанном корпусе и расположенных на расстоянии друг от друга.
Электрический импеданс между электродами меняется, когда преобразователь подвергается деформации, например, когда на него действует сила.
В предпочтительном варианте выполнения корпус преобразователя образует один слой, и по меньшей мере одна пара электродов из указанного множества электродов отстоят друг от друга в поперечном направлении, находящемся по существу в плоскости слоя.
Этот слой может иметь толщину менее 1 мм и даже может быть равен 0,1 мм.
Изобретение относится также к дисплею, подходящему для отображения переменной информации, поверхность отображения которого содержит по меньшей мере один описанный выше преобразователь, в частности, преобразователь, полученный согласно описанному выше предпочтительному варианту выполнения.
Изобретение относится также к способу обнаружения и/или измерения силы, в котором применяют описанный выше преобразователь, в частности, преобразователь, полученный согласно описанному выше предпочтительному варианту выполнения, и обнаруживают и/или измеряют изменение определенного электрического импеданса между электродами преобразователя, которое происходит, когда к преобразователю прикладывают силу.
Способ можно, в частности, применять в случае, когда изменением электрического импеданса является изменение сопротивления или удельного сопротивления преобразователя под действием прикладываемой силы.
Изобретение относится также к способу получения материала, содержащему следующие этапы:
а) поставляют проводящие углеродсодержащие волокнистые элементы;
b) указанные элементы смешивают с частицами глины в полярной жидкой среде;
c) добавляют органическое соединение, которое может превращаться в проводящее вещество при карбонизации;
d) полученную смесь подвергают термической обработке карбонизации.
В варианте осуществления органическое соединение, добавляемое на этапе с), является веществом, которое может превращаться при карбонизации в вещество, преимущественно состоящее из атомов углерода в конфигурации SP2, и, в частности, веществом, которое может превращаться в графенсодержащее вещество.
Органическое соединение, добавляемое на этапе с), является исходным компонентом, позволяющим получить на этапе d) слой проводящего вещества на поверхности частиц глины.
Под карбонизацией следует понимать нагрев в отсутствие кислорода.
Полярный жидкий растворитель может быть, в частности, растворителем на основе воды, метанола, этанола и/или пропанола.
Органическое соединение может быть, в частности, биополимером, сахаром и/или карамельной массой.
Биополимер можно, например, выбирать из группы, в которую входят хитозан, альгинат, пектин, целлюлоза гуаровой смолы, желатин, коллаген, зеин, ДНК или любая их комбинация.
Термическая обработка карбонизации позволяет разрушить органическое соединение и конденсировать его на частицах глины таким образом, чтобы их поверхность оказалась по меньшей мере частично покрытой слоем проводящего вещества.
Предпочтительно, хотя углеродсодержащие волокнистые элементы (которые могут быть, в частности, углеродными нанотрубками) входят в состав частиц глины, начиная с этапа b), они не разрушаются, и их свойства не ухудшаются при термической обработке на этапе d).
Таким образом, вышеуказанный способ позволяет использовать дисперсные свойства частиц глины, которые обеспечивают равномерную дисперсию углеродсодержащих волокнистых элементов.
Как было указано выше, в известном материале свойства проводимости и пьезорезистивности углеродных нанотрубок предпочтительно сочетаются со свойствами электропроводимости проводящего слоя, выполненного на частицах глины.
В варианте осуществления способа получения описанного выше материала на этапе b) смешивание указанных элементов и частицами можно, в частности, осуществлять посредством акустической обработки, то есть путем воздействия на эти частицы ультразвуками.
Предпочтительно преобразователь и способ изготовления являются очень недорогими, благодаря применению активных материалов (углеродсодержащих волокнистых элементов) в очень небольших количествах и, как правило, в виде только одного тонкого слоя очень незначительной толщины.
Изобретение и его преимущества будут более очевидны из нижеследующего подробного описания вариантов выполнения, представленных в качестве не ограничительных примеров. Изобретение представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе датчика в первом варианте выполнения изобретения, установленного в не показанном дорожном покрытии.
Фиг. 2 - частичный схематичный вид в перспективе датчика, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 - схематичный вид в разрезе дорожного покрытия, в котором установлено измерительное устройство, частично показанное на фиг. 2, в отсутствие транспортного средства.
Фиг. 4 - схематичный вид в разрезе дорожного покрытия, показанного на фиг. 3, но во время прохождения транспортного средства.
Фиг. 5 - диаграмма, показывающая кривые изменения расстояния между электродами и сопротивления в заявленном измерительном устройстве.
Фиг. 6 - схематичный вид в разрезе дорожного покрытия, оснащенного заявленным измерительным устройством, содержащим два преобразователя.
Фиг. 7 - схематичный вид в перспективе дорожного покрытия, оснащенного заявленным измерительным устройством, содержащим три преобразователя.
Фиг. 8 - схематичный вид, иллюстрирующий этапы осуществления заявленного способа изготовления дорожного покрытия.
Фиг. 9 - схематичный вид в разрезе дорожного покрытия, полученного при помощи способа, представленного на фиг. 8.
Фиг. 10 - частичный схематичный вид сверху измерительного устройства в другом варианте выполнения изобретения.
Фиг. 11 - частичный схематичный вид сверху измерительного устройства еще в одном варианте выполнения изобретения.
Фиг. 12 - диаграмма, показывающая кривую сопротивления между парами электродов в зависимости от промежутка между парами электродов в устройстве, показанном на фиг. 11.
Идентичные или подобные элементы в различных вариантах выполнения имеют одинаковое цифровое обозначение.
Далее следует описание композиционного материала согласно второму объекту изобретения, предназначенного для выполнения описанных выше преобразователей, хотя и не ограничивающегося этим применением.
Этот композиционный материал содержит частицы глины, смешанные с углеродсодержащими волокнистыми элементами; частицы глины имеют наружную поверхность, по меньшей мере частично покрытую проводящим веществом, предпочтительно типа графенсодержащего вещества.
Термин «углеродсодержащие волокнистые элементы» обозначает одностенные и/или многостенные углеродные нанотрубки, а также углеродные волокна.
Как правило, графенсодержащее вещество образует тонкий слой на поверхности частиц или по крайней мере некоторых частиц. Средняя толщина этого слоя может быть, в частности, меньше 10 мкм. Состав этого слоя будет подробнее представлен ниже во время описания способа выполнения слоя композиционного материала.
Предпочтительно слой проводящего вещества, присутствующий на поверхности частиц, делает покрытые таким образом частицы проводниками электричества.
Это свойство можно проверить, например, используя электронный сканирующий микроскоп: при наблюдении проводящего вещества при помощи электронного сканирующего микроскопа на его поверхности не наблюдается значительного скопления электронов, как, например, на графене, который в данном случае рассматривается как типичный пример проводящего материала.
Глину можно, в частности, выбирать среди волокнистых глин (то есть из сепиолита и палыгорскита).
Как известно, углеродсодержащие волокнистые элементы позволяют получать проводящие (электричество) проницаемые решетки. Предпочтительно описанный выше материал позволяет использовать качества проводимости и проницаемости углеродсодержащих волокнистых элементов, но без необходимости их использования в большом количестве. Действительно, в описанном выше композиционном материале преимущественная часть электрической проводимости обеспечивается не углеродсодержащими волокнистыми элементами, а частицами за счет того, что они по меньшей мере частично покрыты проводящим веществом.
Следовательно, можно использовать небольшое количество углеродсодержащих волокнистых элементов, так как, поскольку они рассеяны между частицами глины, то составляют лишь небольшую часть материала.
Кроме того, предпочтительно описанный выше композиционный материал можно использовать в виде тонкого слоя (например, толщиной в несколько десятков микрон), что, естественно, ограничивает количество используемых углеродсодержащих волокнистых элементов.
Выполнение корпуса, состоящего из описанного выше композиционного материала, можно осуществлять, например, в два следующих этапа:
- изготовление композиционного материала, получаемого в виде порошка; затем
- нанесение этого материала на поверхность и изготовление самого корпуса из композиционного материала на этой поверхности.
Изготовление композиционного материала
Композиционный материал можно получить при помощи следующих этапов:
а) поставляют углеродные нанотрубки (и/или линейные углеродные волокна);
b) эти углеродные нанотрубки (и/или линейные углеродные волокна) рассеивают в виде дисперсии среди частиц глины при помощи полярного жидкого растворителя;
c) добавляют органическое соединение, которое может превратиться в проводящее вещество при карбонизации, например, карамельную массу;
c2) удаляют растворитель;
d) осуществляют карбонизацию полученной смеси, чтобы превратить органическое соединение в проводящее вещество, по меньшей мере частично покрывающее наружную поверхность частиц глины.
Этапы а) и b) можно осуществлять, например, при помощи способа, раскрытого в любом из пунктов 16-20 формулы изобретения международной заявки WO2011/070208.
Кроме того, этап с2) можно осуществлять в соответствии с этапом с) способа, раскрытого в любом из пунктов 21-25 формулы изобретения международной заявки WO2011/070208.
В документе WO2011/070208 представлены примеры осуществления способов по пунктам 16-25 формулы изобретения.
Этап d) можно осуществлять, например, при помощи способа получения углеродсодержащего материала, раскрытого в любом из пунктов 22-41 формулы изобретения международной заявки WO2012/160229; примеры осуществления такого способа приведены на страницах 10 и 11 этого документа.
Пример изготовления композиционного материала
Используют три следующих компонента:
- частицы глины: 2,5 г частиц сепиолита;
- углеродсодержащие волокнистые элементы: 50 мг многостенных углеродных нанотрубок (то есть 2 мас.% по отношению к массе сепиолита), и
- полярный жидкий растворитель: 43 мл воды.
Углеродные трубки получают заранее отдельно при помощи метода CVD (химическое осаждение в паровой фазе). Нанотрубки наращивают таким образом, чтобы они имели средний диаметр 10 нм и среднюю длину 1-2 мкм.
Затем получают материал следующим образом:
Этап b) делят на три элементарных этапа b1, b2 и b3:
b1) Смешивают вышеуказанные три компонента.
b2) Производят гомогенизацию полученной смеси.
Гомогенизацию осуществляют путем акустической обработки. Используют оборудование Vibracell VCX750 Sonics с насадкой из Ti-Al-V диаметром 13 мм, работающее на резонансной частоте 20 кГц. Выбирают энергию 4.4 кДж (94,3 Дж/г). Прикладывают 10-секундные импульсы, разделенные паузами.
Гомогенизацию путем акустической обработки можно чередовать с одной или несколькими операциями перемешивания смеси.
b3) Производят сушку смеси.
Смесь сушат ночью при температуре 60-70°С.
TM
с) В качестве предшественника добавляют органическое соединение, в данном случае 6,5 г карамельной массы (карамельная масса Royal, 80%) при соотношении 2:1 карамельная масса-глина.
с2) Смесь опять сушат ночью при температуре 60-70°С.
d) Полученную высушенную смесь обжигают.
После сушки полученную смесь сепиолит-углеродные нанотрубки-карамельная масса обжигают при температуре 800°С в потоке азота с повышением температуры в начале обжига 5°С/мин.
Материал выдерживают при этой температуре в течение 1 часа для обеспечения превращения карамельной массы в проводящее вещество.
Затем материал превращают в порошок путем измельчения, чтобы обеспечить возможность его осаждения. Предпочтительно частицы, полученные в результате измельчения, имеют наибольшие диаметры Фере со средним значением менее 50 мкм, предпочтительно менее 15 мкм.
Полученный материал в виде порошка можно нанести для получения пьезорезистивного корпуса, что позволяет изготовить преобразователь или датчик деформации или тензодатчик.
Структура преобразователя и датчика
Для выполнения корпуса преобразователя согласно первому объекту изобретения можно использовать любой пьезорезистивный материал (а не только такие материалы). В частности, можно использовать описанный выше композиционный материал, содержащий частицы глины, смешанные с проводящими углеродсодержащими волокнистыми элементами.
Предпочтительно используют материал, который может образовать слой, в частности, тонкий слой.
Корпус преобразователя может образовать сплошной слой (без отверстий). Можно также получить слой, содержащий отверстия и/или разрывы, учитывая, что предпочтительно иметь по меньшей мере один сплошной путь, проходящий в корпусе преобразователя и соединяющий друг с другом различные электроды.
Предпочтительно материал корпуса преобразователя представляет собой пьезорезистивный материал, выбираемый таким образом, чтобы сопротивление между двумя точками измерения (где расположены электроды) сильно менялось, когда на корпус преобразователя действует сила в направлении, перпендикулярном к направлению, соединяющему две точки измерения.
В частности, этот материал может представлять собой, в частности, проницаемую решетку из микро- или наночастиц (частицы, в которых по меньшей мере один из характеристических размеров соответственно меньше 100 мкм и 100 нм) или проницаемую решетку, состоящую из смеси различных типов микро- или наночастиц.
Наиболее подходящими частицами являются:
а) углеродные нанотрубки в виде случайной или организованной решетки,
b) самосцепляющиеся микро- или наночастицы,
c) листы из графена, графита или восстановленного или не восстановленного оксида графена,
d) различные комбинации смешанных вышеупомянутых компонентов, или
е) пьезорезистивный полимер или смесь различных пьезорезистивных полимеров, или
f) смесь одного или нескольких полимеров с проводящими микро- и наночастицами (полимерные композиты с наночастицами) или
g) смесь битумно-минеральной смеси или битума с микро- и наночастицами (умный асфальт).
В частности, корпус преобразователя можно выполнить из описанного выше композиционного материала, содержащего частицы глины и углеродсодержащие волокнистые элементы.
Способность материала иметь сопротивление, меняющееся в специфическом направлении (в котором расположены точки измерения сопротивления), можно усилить, способствуя определенной ориентации микро- или наночастиц в пьезорезистивном корпусе. Этого можно добиться, например, при помощи электрофореза для частиц, имеющих дипольный момент. Таким образом, преобразователь, полученный из такого материала, имеет повышенную чувствительность к любой силе, вызывающей деформации в вышеуказанном специфическом направлении.
Далее со ссылками на фиг. 1-7 следует описание тензодатчика 10 согласно первому варианту выполнения изобретения.
Датчик 10 содержит комплекс идентичных измерительных устройств 20 и омметр 12, являющийся устройством определения импеданса.
Каждое устройство 20 соединено двумя электрическими проводами 14 с омметром 12.
Каждое устройство 20 в основном содержит ленту 21, имеющую одинаковую структуру по всей своей длине (на фиг. 1 и 2 в устройствах 20 показаны только ленты 21).
Каждая лента 21, которая и представляет собой измерительное устройство в рамках изобретения, в основном состоит из центрального слоя 24, расположенного между двумя соединительными слоями 22 и 26, которые выполнены следующим образом:
- идентичные нижний соединительный слой 22 и верхний соединительный слой 26 выполнены из гибкой пластиковой пленки, и
- центральный пьезорезистивный слой 24, выполненный из пьезорезистивного материала, образует корпус преобразователя в рамках изобретения.
Каждое устройство 20 обычно устанавливают таким образом, чтобы расположить его плашмя на горизонтальной плоскости. При этом каждый из трех слоев имеет горизонтальную плоскую форму.
В толщине каждой ленты 21 дополнительно расположены два электрода 25. Каждый электрод представляет собой тонкую плоскую серебряную нить, вставленную между нижним соединительным слоем 22 и пьезорезистивным слоем 24. Электроды 25 прочно закреплены на пьезорезистивном слое 24. Таким образом, слой 24, связанный с электродами 25, образует преобразователь 23. Действительно, благодаря свойствам пьезорезистивности слоя 24, в случае деформации преобразователя 23 сопротивление между электродами 25 меняется.
Активной поверхностью называется поверхность пьезорезистивного слоя 24, в основном заключенная между двумя электродами и участвующая в определении импеданса между электродами.
2
2
Протяженность и форму активной поверхности выбирают в зависимости от предусматриваемого применения устройства 20 (локальное отслеживание деформация или повреждения дорожного покрытия; обнаружение или статическое или динамическое взвешивание транспортных средств…). Эта активная поверхность может быть очень небольшой (например, менее 1 см) или может достигать нескольких м.
Активная поверхность может иметь любую форму: изотропную (например, круглую или квадратную) или анизотропную (например, эллиптическую или прямоугольную).
Пример установки измерительного устройство 20 в дорожное покрытие показан на фиг. 3.
На этой фигуре представлено сечение в вертикальной плоскости дорожного покрытия 30, в котором установлено устройство 20. Дорожное покрытие 30 состоит из нижнего слоя 32 и верхнего слоя 34, которые образованы битумно-минеральной смесью. Слои 32 и 34 уложены на не показанный грунт. Лента 21 расположена между двумя слоями 32 и 34 дорожного покрытия.
Каждое устройство 20 образовано частью дорожного покрытия, находящейся вблизи ленты 21 и, следовательно, содержит часть слоя 32, ленту 21 и часть слоя 34.
На фиг. 3 в преобразователе 20 электроды 25 расположены под пьезорезистивным слоем 24. Электроды 25 можно также расположить над этим слоем или даже внутри пьезорезистивного слоя (например, в корпусе преобразователя).
Верхний слой 34 образует стенку, имеющую свободную верхнюю поверхность 36. Преобразователь 23 расположен под поверхностью 36. Если смотреть в направлении, перпендикулярном к поверхности 36, то есть в вертикальном направлении (стрелка А, фи.4), электроды 25 отделены друг от друга. Они находятся на одинаковой высоте в дорожном покрытии 30, благодаря чему устройство 20 предпочтительно может иметь небольшую толщину.
Соединительные слои 22,26 могут быть выполнены из двухкомпонентного эластомерного силикона или из поли(этилена-тетрафторэтилена) или ЭТФЭ.
Действительно, эти материалы хорошо сцепляются с битумом нижнего 32 и верхнего 34 слоев дорожного покрытия. Благодаря этому сцеплению, во время деформаций дорожного покрытия 30 датчик 20 следует этим деформациям без расслоения или появления внутренних трещин в дорожном покрытии на границах раздела между преобразователем 23 и слоями 32 и 34 дорожного покрытия.
Вместе с тем, для работы заявленного устройства присутствие нижнего соединительного слоя 2, как и верхнего соединительного слоя 26 не является обязательным.
Кроме того, каждый из этих слоев может, в свою очередь, состоять из одного или нескольких подслоев. Можно, например, использовать соединительный слой из двух материалов, то есть состоящий из двух подслоев, каждый из который выполнен из специфического материала: материал подслоя, который должен входить в контакт с пьезорезистивным слоем 24, можно выбрать таким образом, чтобы он хорошо с ним сцеплялся, а материал подслоя, который должен входить в контакт с материалом дорожного покрытия (слоем 32 или 34) можно выбрать таким образом, чтобы он прочно сцеплялся с этим материалом дорожного покрытия.
На фиг. 3 показан участок 30 дороги в состоянии покоя, тогда как на фиг. 4 показан этот же участок дороги во время прохождения транспортного средства.
На этой фигуре показан участок шины 38 транспортного средства. Шина 38 действует силой давления на верхнюю поверхность 36 дорожного покрытия в вертикальном направлении Z. Под действием этой силы дорожное покрытие 30 деформируется: оно оседает (стрелка А), и битумно-минеральная смесь дорожного покрытия слегка смещается в боковом направлении Х, горизонтальном и параллельном поверхности 36 дорожного покрытия (стрелки В).
В состоянии покоя (фиг. 3) электроды 25 отстоят друг от друга в направлении Х на расстояние D0, которое составляет около нескольких сантиметров. Во время прохождения грузовика (фиг. 4) дорожное покрытие деформируется. Электроды 25 следуют деформации битумно-минеральной смеси дорожного покрытия и отходят друг от друга: во время прохождения транспортного средства расстояние между ними принимает значение D1, строго превышающее расстояние D0.
Пьезорезистивный материал слоя 24 выбирают таким образом, чтобы он имел сопротивление между электродами, меняющееся в зависимости от расстояния между электродами. Эта работа показана на фиг. 5. Здесь показаны две кривые в зависимости от силы F (вес транспортного средства), действующей на дорожное покрытие 30:
- Первая кривая показывает увеличение расстояния D между электродами (которое переходит от D0 к D1); и
- Вторая кривая показывает уменьшение сопротивления R между электродами 25 при таком же увеличении силы.
Таким образом, во время прохождения транспортного средства сопротивление между электродами 25 меняется. Омметр 12 измеряет это изменение сопротивления. Таким образом, в зависимости от сопротивления, измеряемого между электродами 25, омметр 12 может обнаруживать и измерять силу, прикладываемую напротив электродов 25 в вертикальном направлении.
Эта кривая показывает, что в этом варианте выполнения преобразователь 23 деформируется под действием веса грузовика (прикладываемой силы) таким образом, что электроды 25 раздвигаются в боковом направлении; и что под влиянием этого раздвигания сопротивление между электродами уменьшается.
Измерительные устройства, показанные на фиг. 1-7, содержат электроды, выполненные из гибкого материала, в данном случае в виде тонкого слоя серебра.
При наличии таких электродов из гибкого материала или из материала аналогичной жесткости преобразователь ведет себя следующим образом: если сила действует на измерительное устройство в направлении, перпендикулярном к поверхности стенки, преобразователь в основном деформируется в плоскости, по существу параллельной поверхности стенки, и импеданс, измеряемый между электродами указанного множества электродов, меняется.
Примечание: Фигуры представлены не в реальном масштабе. На фигурах высота (размер по оси Z) увеличена для облегчения понимания. В действительности, преобразователь 20 имеет очень незначительную толщину. Нижний 22 и верхний 26 слои имеют, каждый, толщину 0,4 мм. Пьезорезистивный слой 24 имеет толщину, составляющую от 0,01 до 0,05 мм.
Вместе с тем, датчик в соответствии с изобретением может работать и по-другому. При выборе жестких электродов можно получить совсем другую работу.
Действительно, если использовать электроды 25, выполненные из жесткого материала, например, из меди или из материала аналогичной жесткости, преобразователь ведет себя следующим образом: если сила действует на измерительное устройство 20 в вертикальном направлении, перпендикулярном к поверхности 36, преобразователь и, в частности, корпус преобразователя (пьезорезистивный слой 24) деформируются в основном в этом (вертикальном) направлении; и именно это сжатие заставляет меняться сопротивление слоя 24 между электродами 25.
Другой пример установки преобразователей 20 в дорожное покрытие показан на фиг. 6. На этой фигуре показано в сечении дорожное покрытие, содержащее измерительное устройство 40, включающее в себя два преобразователя 23, расположенные друг над другом (в вертикальном направлении Z).
Если отвлечься от соединительных слоев (которые будут описаны ниже), измерительное устройство 40 содержит последовательно, начиная снизу, нижний слой 42 из битумно-минеральной смеси, нижний преобразователь 23, второй слой 44 из битумно-минеральной смеси, верхний преобразователь 23 и верхний слой 46 тоже из битумно-минеральной смеси, образующий стенку со свободной верхней поверхностью. Нижний преобразователь 23 расположен между двумя слоями 42 и 44 битумно-минеральной смеси; верхний преобразователь 23 расположен между слоями 44 и 46 битумно-минеральной смеси. Это расположение позволяет получать информацию о величине деформаций дорожного покрытия в зависимости от глубины. При этом можно увеличить число преобразователей, расположенных в земле друг над другом.
Два преобразователя 23 не одинаково установлены в измерительном устройстве 40.
Нижний преобразователь 23 вставлен между двумя соединительными слоями 22 и 26 и является частью ленты 21, идентичной ленте, показанной на фиг. 1-4.
Верхний преобразователь 23 является частью ленты 121, содержащей нижний соединительный слой 22, преобразователь 23 и верхний соединительный слой, состоящий из двух подслоев 126 и 128. Подслой 126 выбирают таким образом, чтобы он хорошо сцеплялся с пьезорезистивным слоем 24, и выполняют, например, из ЭТФЭ; верхний подслой 128 выбирают таким образом, чтобы он хорошо сцеплялся с битумно-минеральной смесью слоя 46, и выполняют, например, из двухкомпонентного эластомерного силикона.
С другой стороны, в зависимости от информации, которую необходимо получать о деформациях дорожного покрытия (или материала, в котором находится измерительное устройство), электроды можно располагать с разными ориентациями:
Так, в варианте выполнения изобретения (фиг. 7) два заявленных преобразователя 23 и третий преобразователь 50 установлены в дорожном покрытии 60. Начиная снизу, дорожное покрытие 60 состоит из четырех параллельных (и горизонтальных) слоев 62,64,66,68 битумно-минеральной смеси.
Первый и второй преобразователи 23 выполнены, каждый, из пьезорезистивного материала 24, и содержат два электрода 25, неподвижно соединенные с этим слоем материала и отстоящие друг от друга в плоскости этого слоя. Первый и второй преобразователи 23 расположены соответственно между слоями 62 и 64 и между слоями 64 и 66. Первый преобразователь 23 расположен таким образом, что его электроды 25 проходят параллельно друг другу в направлении Х: они находятся на расстоянии друг от друга в направлении Y. Что же касается второго преобразователя 220, то он расположен таким образом, что его электроды 25 проходят параллельно друг другу в направлении Y: они находятся на расстоянии друг от друга в направлении Х.
Третий преобразователь 50 состоит из слоя пьезорезистивного материала и двух электродов 55. Электроды 55 расположены соответственно сверху и снизу слоя пьезорезистивного материала преобразователя 50. Таким образом, если смотреть в вертикальном направлении, электроды не отделены друг от друга.
Благодаря особому расположению преобразователей 23 и 50, можно измерять одновременно деформации дорожного покрытия в трех направлениях Х, Y и Z.
На фиг. 10 представлен еще один вариант выполнения заявленного измерительного устройства.
В этом устройстве преобразователь содержит четыре удлиненных электрода 425А, 425В, 425С, 425D (называемых в совокупности электродами 425), расположенных параллельно друг другу и равноудаленных в плоскости, по существу параллельной поверхности стенки.
Осуществляют так называемое «четырехточечное» измерение:
Пропускают электрический ток между двумя наиболее удаленными («крайними») электродами 425А и 425D.
Измеряют напряжение между «внутренними» электродами 425В и 425С.
Вычисляют импеданс, определив соотношение между током, проходящим между крайними электродами, и напряжением, измеренным между двумя внутренними электродами.
Найденное значение, скорректированное с учетом геометрического влияния, называют сопротивлением на квадрат преобразователя.
При этом получают удельное сопротивление пьезорезистивного материала путем умножения сопротивления на квадрат на среднюю толщину корпуса преобразователя.
Предпочтительно можно также вывести сопротивление контакта электродов из удельного сопротивления материала или сопротивления на квадрат.
Использование сопротивления на квадрат или удельного сопротивления в качестве выходной величины датчика позволяет минимизировать чувствительность преобразователя к поведению электродов, например, в случае, когда контакты отрицательно сказываются на качестве измерения (например, происходит ухудшение во времени).
Использование сопротивления контакта в качестве выходной величины датчика позволяет повысить до максимума его чувствительность к поведению электродов, например, когда основной причиной явления пьезорезистивности является относительное перемещение между электродами и пьезорезистивным корпусом.
На фиг. 11 и 12 представлен еще один вариант выполнения заявленного измерительного устройства.
В этом устройстве параллельно расположены несколько электродов, по меньшей мере три и предпочтительно более четырех электродов с увеличивающимся расстоянием D между электродами. В данном случае речь идет о четырех электродах 525А, 525В, 525С и 525D (называемых в совокупности электродами 525).
Производят измерение типа TLM, то есть измеряют сопротивление R между различными парами электродов, а именно совокупность сопротивлений Rij, измеренных между различными парами электродов 525i-525j.
Крутизна прямой, отображающей сопротивление R в зависимости от промежутка D между парами электродов с поправками на геометрические факторы, дает удельное сопротивление или сопротивление на квадрат; ордината в начале прямой дает сопротивление контакта R0.
Заявленный датчик в основном содержит один или несколько описанных выше преобразователей, соединенных с системой определения импеданса, например, с вышеупомянутым омметром 12, который служит для измерения сопротивления пьезорезистивного слоя между электродами различных преобразователей.
Система определения импеданса может содержать традиционную цепь обработки сигнала. Например, один преобразователь (два при автоматической декорреляции температуры) можно установить в мост Уитстона, дополненный тремя (или двумя) резисторами (предпочтительно стабильными по температуре). В этом случае измерение производят, прикладывая напряжение, выдаваемое источником напряжения 3В-10В; считывание производят при помощи цепи считывания типа инструментального усилителя с фильтрацией, коррекцией смещения и аналого-цифровым преобразованием. Аналоговую часть системы можно при необходимости дополнить средствами, обеспечивающими дистанционное измерение, например, средствами, обеспечивающими компенсацию резистивных потерь в проводах в случае, когда система измерения удалена от датчика), и калибровочным шунтом.
Можно также использовать любую другую классическую систему считывания и оцифровки переменного сопротивления, в частности, системы, которые обеспечивают компенсацию по температуре. В альтернативном варианте переменный резистор можно поместить в систему типа сигма-дельта для одновременного осуществления аналого-цифрового преобразования и считывания значения сопротивления.
Для получения тензодатчика датчик дополнительно содержит систему корреляции (показанную также в виде блока 12), позволяющую определять деформацию преобразователя или преобразователей и/или силы (сил), прикладываемой(ых) к стенке, на основании импеданса преобразователя или преобразователей и/или его изменений, измеряемых системой определения импеданса.
Каждый датчик содержит несколько преобразователей, которые могут быть скомпонованы в виде матричной решетки.
В случае датчика, предназначенного для взвешивания транспортных средств, предпочтительно систему определения импеданса (омметр) и, в случае необходимости, систему корреляции помещают на край дорожного покрытия. Эта систему или эти системы можно также выполнить из гибкого материала, скомплектовать на месте и расположить снизу или сверху слоя пьезорезистивного материала преобразователей либо внутри битумно-минеральной смеси, либо в соединительном слое.
После оцифровки сигнала преобразователя или преобразователей его обрабатывают или не обрабатывают на месте и передают при помощи любого соответствующего средства передачи, например, при помощи центрального блока считывания, регистратора данных, узла радиосвязи с автономным или не автономным питанием энергией, RFID, и т.д.
Изготовление: пьезорезистивный корпус, измерительное устройство, датчик
Изготовление пьезорезистивного корпуса является основным этапом в реализации заявленного измерительного устройства. Для этого этапа можно применять различные способы. Выбор способа зависит от необходимого пьезорезистивного материала и от места изготовления (на заводе или на строительной площадке).
Некоторые типы пьезорезистивного материала можно наносить в паровой фазе (выпаривание, химическое или физическое осаждение) на опорную поверхность. Эту операцию можно осуществлять либо на месте (изготовление in situ), либо на заводе.
Однако предпочтительно компоненты материала наносят в жидкой фазе. Такое нанесение можно производить на заводе или на месте.
При этом осуществляют следующие операции:
i) Предварительно измельченный в порошок пьезорезистивный материал растворяют в растворителе.
Это можно осуществлять при помощи классических способов (например, путем магнитного перемешивания, акустической обработки в ванне ультразвуками или при помощи насадки, центрифугирования, …). Предпочтительно, но не исключительно растворитель является водным; в случае необходимости, растворитель можно оптимизировать путем использования добавок (например, поверхностно-активных веществ), позволяющих повысить качество покрытия (например, его однородность).
ii) Полученный раствор наносят на поверхность, на которой будет сформирован пьезорезистивный корпус (или слой).
Это нанесение можно производить при помощи классических технологий. Технологию выбирают в зависимости от физико-химических свойств раствора и покрываемой поверхности, от требования однородности, от возможных временных условий, от места осуществления. Например, нанесение можно производить путем струйной печати, путем капельного нанесения, напыления, путем накатки или при помощи кисти.
iii) Удаляют растворитель.
Эту операцию можно осуществлять при помощи любого известного способа, в частности, путем естественного или принудительного выпаривания.
Изготовление измерительного устройства, такого как устройство 20 (фиг. 3), осуществляют в несколько этапов:
А) Готовят опорную поверхность, на которую будет укладываться дорожное покрытие.
В) Укладывают дорожное покрытие, размещая в него измерительное устройство.
Этап В) включает в себя несколько стадий:
i) укладывают нижний слой 32 битумно-минеральной смеси;
ii) укладывают нижний соединительный слой 22 на верхнюю поверхность слоя 32 таким образом, чтобы слой 22 сцепился со слоем 32;
iii) на слой 22 размещают пару электродов 25 с промежутками между ними в горизонтальном направлении (Х, фиг. 4);
iv) выполняют пьезорезистивный слой 24 из пьезорезистивного материала на слое 22 и электродах 25;
v) укладывают верхний соединительный слой 26 на пьезорезистивный слой 24 таким образом, чтобы соединительный слой 26 сцепился с пьезорезистивным слоем 24;
vi) на соединительный слой 26 укладывают верхний слой 34 битумно-минеральной смеси.
Измерительное устройство, имеющее такую же структуру, что и устройство 20 (нижний слой, соединительный слой, пьезорезистивный слой, соединительный слой, верхний или переходный слой), можно изготовить на заводе. В этом случае преобразователи можно изготовить, в частности, в виде ленты (из пластического материала), как в случае ленты 21, показанной на фиг. 1. При этом нижний 22 и верхний 26 слои представляют собой пленки или пластины из пластического материала. Выполнение в виде ленты облегчает дальнейшее размещение преобразователя, особенно если одновременно укладывают или размещают определенное количество преобразователей.
В альтернативном варианте измерительное устройство можно изготовить на месте. Этот вариант изготовления наиболее предпочтителен для выполнения датчиков динамического взвешивания транспортных средств. В этом случае изготовление измерительного устройства можно включить в обычные операции изготовления дорожного покрытия. Интегрирование измерительного устройства в дорожное покрытие позволяет придать последнему дополнительную функцию (динамического взвешивания транспортных средств), причем при минимальных затратах.
Для выполнения датчика достаточно соединить измерительное устройство, полученное при помощи вышеупомянутого способа, с системой определения импеданса, например, с омметром, который, в случае необходимости, можно соединить с системой определения деформации или силы, если в качестве выходной величины необходимо получить непосредственно деформацию или силу.
В случае необходимости, с одной системой определения импеданса можно соединить несколько преобразователей.
Важным вариантом применения вышеупомянутых датчиков является выполнение датчиков, встроенных в дорожные покрытие и обеспечивающих обнаружение, подсчет и взвешивание транспортных средств или мониторинг деформаций дорожного покрытия. Изготовление дорожного покрытия, содержащего такой датчик, моно осуществлять следующим образом (фиг. 8 и 9):
Планировка дороги
Применяют дорожный струг 102, который снимает поверхностный слой 104 дороги 100. Эта операция позволяет получить спланированную поверхность 106, на которую можно уложить новое дорожное покрытие 110.
Укладка первого слоя битумно-минеральной смеси
На поверхность 106 укладывают первый слой 112 битумно-минеральной смеси и его сглаживают при помощи дорожного катка 108. Верхняя поверхность 113 слоя 112 битумно-минеральной смеси образует опорную поверхность, готовую для размещения преобразователя.
Изготовление на месте измерительного устройства
Можно использовать преобразователь, предварительно изготовленный на заводе. В этом случае на вышеупомянутом этапе iv) достаточно расположить этот преобразователь на верхней поверхности 113 слоя 112.
В альтернативном варианте преобразователь можно изготовить непосредственно на этапе iv) на поверхности слоя 112 битумно-минеральной смеси следующим образом:
- Используют порошок композиционного материала, содержащий частицы глины, по меньшей мере частично покрытые проводящим веществом, и нанотрубки вышеупомянутого типа;
- Этот порошок разводят в воде, чтобы получить водный раствор 0,5 мас.% композиционного материала;
- На укатанную еще горячую битумно-минеральную смесь, образующую слой 112 битумно-минеральной смеси, наносят несколько капель этого водного раствора;
- Затем располагают два электрода 325 на расстоянии нескольких сантиметров друг от друга таким образом, чтобы каждый электрод входил в контакт с зоной, на которую был нанесен водный раствор.
- Воду выпаривают сначала свободно, затем при помощи теплового барабана, нагнетающего на водный раствор поток воздуха, нагретого примерно до 200°С.
Таким образом получают корпус 324 преобразователя из пьезорезистивного материала, сформированный на поверхности 113 нижнего слоя 112. Корпус 324, соединенный с электродами 325, образует преобразователь 323. Участок дорожного покрытия, содержащий слой 112, преобразователь 323 и слой 116, образует измерительное устройство 320.
Этот вариант осуществления не включает в себя укладку какого-либо соединительного слоя, чтобы связать преобразователь 323 со смежными слоями.
Укладка второго слоя битумно-минеральной смеси
На первый слой 112 и на преобразователь 323 укладывают второй слой 116 битумно-минеральной смеси и этот второй слой сглаживают при помощи дорожного катка 118.
В этом варианте осуществления слой 116 формируют непосредственно на пьезорезистивном слое 324, на котором были закреплены электроды 325.
Таким образом, операции установки на место преобразователя вписываются в нормальный план изготовления дорожного покрытия 11.
Предпочтительно значения толщины слоев 112 и 116 выбирают таким образом, чтобы преобразователь 323 находился на глубине h, составляющей от 15% до 50% толщины Н дорожного покрытия 110.
Естественно, можно применять другие способы, отличные от описанных выше, не выходя при этом за рамки изобретения. В частности, дорожное покрытие может состоять строго из более чем двух слоев. Предпочтительно заявленный преобразователь можно расположить между двумя слоями. В альтернативном варианте его можно расположить прямо внутри битумно-минеральной смеси слоя.