本發(fā)明的第一方面涉及一種換能器，該換能器用于在被集成到力傳感器時檢測和/或測量力；所施加的力在該換能器中不能直接測量，而是通過測量變形來測量：在力的作用下，換能器承受變形；這種變形導致所述換能器的可測量幅度發(fā)生變化；傳感器的測量部分檢測和/或量化所述變化，并傳遞代表變形和因此代表所施加的力的輸出信號。

當然，這樣的換能器還可以用于檢測或測量變形。

這種換能器和傳感器的第一應(yīng)用在于當車輛靜止或優(yōu)選地移動時對路面上的車輛稱重。

當車輛在路面上時，無論是靜止還是移動，其輪胎下的路面局部變形。作為車輛的重量的其中一個功能的這種變形，可通過傳感器或傳感器陣列被檢測和/或測量。然后，這種變形信息可被解釋成用于檢測車輛車輪的存在，并確定路面上存在的或行駛的車輪的數(shù)量，它們的速度和/或它們的行進方向，或甚至它們的重量。

第二應(yīng)用在于跟蹤路面的狀態(tài)，例如跟蹤路面的不可逆變形和/或檢測裂紋和/或預(yù)測裂紋，這例如通過分析來自(多個)傳感器的(多個)測量的任何漂移，無論是在不存在車輛時取得還是在多個車輛通過后的總計都是如此。

背景技術(shù)：

本發(fā)明的第一方面的背景

已經(jīng)為了對路面上靜止或移動的車輛進行稱重和為了跟蹤路面狀態(tài)的應(yīng)用而開發(fā)了多個變形傳感器或力傳感器。

在一些這樣的傳感器中，換能器由主體形成，主體上緊固有電極，并且主體由一種材料制成，使得當一對電極緊固在該材料上時，電極之間的電阻根據(jù)該材料(即壓敏電阻材料)承受的變形而變化。

這種傳感器的具體性質(zhì)是，電極被緊固在所述主體的相反側(cè)上，在主體的正交于即垂直于被施加了用于測量的力的方向的面上。

當力被施加到換能器時，主體在這個方向上變形；因此，在該垂直于所施加的力的表面上的電極之間所測量的電阻發(fā)生變化；通過傳感器來檢測和/或測量該電阻變化以提供所需信息。

這種換能器可制成例如“智能混凝土”或“智能的瀝青混合料”的形式，即，填充有納米顆粒并具有這種壓阻屬性的混凝土或瀝青混合料。這種換能器也可以借助于壓阻聚合物制成。

也存在制成特別是基于聚合物、陶瓷和壓阻晶體材料的壓阻帶材的形式的換能器。

但是，這些不同的換能器是不能完全令人滿意的，因為其中每一種都至少部分地存在以下問題：

·需要很長時間來將換能器放置到位，因此使得路面在很長一段時間不可用；

·由于換能器材料和填充材料與路面材料之間不兼容，換能器經(jīng)受非常大的、反復(fù)的應(yīng)力，這種換能器在中長期缺乏可靠性；

·由于使用換能器對路面造成破壞，因為它們具有不可忽略的高度，由此減少了該傳感器附近的路面的壽命；

·換能器的精度較差，這受到車輛的速度及其遵循的路徑影響，并受到溫度和濕度的變化的影響；并且

·最后，由于換能器的價格和將換能器在路面中放置到位的價格兩者造成成本高昂。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面的目的和內(nèi)容

本發(fā)明的第一個目的是提出一種換能器，以及因此能夠消除或減少全部或部分上述缺點的變形傳感器或力傳感器。

此第一目的通過一種包括壁部和換能器的采集裝置實現(xiàn)，在該裝置中，換能器包括主體和緊固至所述主體并彼此間隔開的多個電極；該換能器使得由所述多個電極所確定的電阻抗可根據(jù)換能器經(jīng)受的變形而變化；當沿著垂直于壁部的表面的方向看去時，所述多個電極的至少兩個電極被彼此間隔開；以及換能器結(jié)合在壁部的表面下方。

術(shù)語“壁部”用來表示如下的主體(或一組體部)，所述主體由自由表面限定，所述自由表面即表面的其中一個側(cè)部處于流體、特別是大氣中。壁部可以任選地是柔性的，如同紡織品。壁部不一定是平面。

換能器結(jié)合到所述壁部的表面下方的事實意味著，首先，在垂直于壁部的表面的方向看去時，所述壁部圍繞所述換能器，其次，換能器被放置在相對于壁部的表面的壁側(cè)上(但是，換能器可任選地自身由壁部的表面限定)。

本文中提到的唯一阻抗是電阻抗；因此它在下文僅稱為“阻抗”。

從多個電極確定的阻抗是作為電壓和電流之間的至少一個比率的函數(shù)的幅度；對于所述至少一個比率中的每一個比率，電壓在所述多個電極的第一電極對之間測得，電流被施加到所述多個電極的第二電極對。第一和第二電極對可以是相同的或不同的。

通常，阻抗常規(guī)地等于單獨一對電極的電壓和電流的比率。

術(shù)語“阻抗”也可以指“平均電阻”，等于將電流繪制為電壓的函數(shù)(或者電壓作為電流的函數(shù))的(直線)曲線的平均斜率(例如，通過線性回歸確定)。

另外，在上述定義的采集裝置中，壁部的表面包括要接收待檢測或測量的力的表面。

當該力被施加到壁部的表面上時，其導致所述換能器變形。這種變形導致電極之間的電阻抗發(fā)生變化，該變化可以被測量。因此，(通過測量電極之間的阻抗變化)測量所述換能器的變形用于測量施加到壁部的力。

采集裝置可具有多個上述定義的類型的換能器。

與先前使用的換能器不同，在本發(fā)明的采集裝置中，換能器的電極沒有與施加力所在的方向?qū)?，但與此相反，當沿著垂直于壁部的表面的方向看去時，至少一個對電極間隔開：即，當在該方向看去時，兩個電極不重疊并且被認為是不相交的。此布置有利地使得至少這些電極能夠任選被放置在垂直于表面的方向上的同一高度，從而使得可以具有在該方向上更緊湊、或確實極其緊湊的采集裝置。

以舉例的方式，采集裝置可因此以極少侵入的方式被包括在路面表面中。

下面，關(guān)于采集裝置，術(shù)語“厚度”是指示其在垂直于壁部的表面的方向上的尺寸，所述方向被稱為“垂直方向”。

通常，本發(fā)明的換能器的主體的厚度很小。

沒有必要將換能器布置在壁部的表面上：它可以設(shè)置在與該表面相距一段距離處。

因此，在本發(fā)明的一個實施例中，采集裝置還可以包括將換能器與壁部的表面分隔開的轉(zhuǎn)移層。在變形時，該轉(zhuǎn)移層導致?lián)Q能器的相應(yīng)變形，該變形代表施加到壁部的表面的力。

優(yōu)選地，轉(zhuǎn)移層粘附到位于所述表面旁邊的換能器的面上，即，當換能器水平布置時的頂面。

在垂直方向上，轉(zhuǎn)移層優(yōu)選具有大于換能器主體的尺寸的三倍的厚度。

轉(zhuǎn)移層可任選地被層疊并且自身可以由至少兩個子層制成。

轉(zhuǎn)移層可尤其以這種方式布置，用于特別是在垂直于被施加力的方向的橫向平面中變形。在這種情況下，轉(zhuǎn)移層使所施加的力轉(zhuǎn)換成換能器在該橫向平面中發(fā)生的“橫向”變形；而且是該橫向變形產(chǎn)生了電極之間的可測量的阻抗。

轉(zhuǎn)移層也可以這樣的方式布置，所施加的力引起換能器在垂直方向的變形，并且換能器可設(shè)計成使得這樣的變形足以產(chǎn)生電極之間的可測量的阻抗變化。

轉(zhuǎn)移層也可以布置成將此兩種效果相結(jié)合。

轉(zhuǎn)移層和壁部可以由相同材料、特別是瀝青混合料制成。應(yīng)理解的是，在上面的語句中，術(shù)語“壁部”表示(當沿垂直方向看時)壁部的包圍換能器的部分。

轉(zhuǎn)移層和壁部可以特別地一體形成。該轉(zhuǎn)移層和壁部一體形成的事實意味著轉(zhuǎn)移層則通過圍繞換能器的壁部部分的材料連續(xù)地形成?？商娲兀敁Q能器被放置在形成于壁部中的孔內(nèi)時，轉(zhuǎn)移層由壁部已形成之后施加的材料制成。

上述定義的采集裝置可用于制成傳感器，特別是用于檢測或測量所述換能器的變形和/或施加到壁部的力的傳感器。

該傳感器也可設(shè)計成表示施加到壁部的表面的力的變化(而不是力本身)，該變化隨后則通常被確定為換能器的阻抗變化的函數(shù)。

然后，傳感器具有至少一個上文限定的采集裝置，和阻抗確定系統(tǒng)，該阻抗確定系統(tǒng)連接到所述至少一個采集裝置的至少一個換能器的電極，并適于確定所述至少一個換能器的阻抗和/或阻抗變化。

特別地，傳感器可以包括一組布置成陣列的換能器，以及適于在任何給定時刻識別哪個換能器被激活或受到應(yīng)力的裝置。包括這種陣列換能器的傳感器可用于測量車輛的速度和/或行進方向。具體地，換能器可以布置成行和列，即以矩陣布置。

在一個實施例中，傳感器可以包括兩個(或多于兩個)換能器，其放置成在傳感器的厚度方向上一個在另一個上方。

在這種情況下，當垂直于采集裝置的壁部的表面看去時，各換能器的相應(yīng)電極可特別處于不同的設(shè)置取向；例如，在該視圖中它們可處于90°的角度。

阻抗確定系統(tǒng)可以是用于確定電阻的系統(tǒng)，主要包括通過檢測和/或量化電極之間的電阻和/或電阻變化的歐姆表。

在另一個實施例中，阻抗確定系統(tǒng)評估電極之間的復(fù)阻抗，復(fù)阻抗可以作為頻率的函數(shù)，或在一個預(yù)定的頻率，例如為了確定電極之間的材料的電容與相對介電常數(shù)。

該傳感器還可以包括關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，用于基于(多個)換能器的阻抗和/或阻抗變化確定(多個)換能器的變形，和/或施加到壁部的(多個)力。

在由阻抗確定系統(tǒng)傳遞的信息的基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)系統(tǒng)準備被與(多個)換能器的變形或與施加到壁部的表面的(多個)力定量或定性地相關(guān)的模擬或數(shù)字輸出信號。電極之間的阻抗或阻抗變化與輸出信號之間的相關(guān)性(認為代表變形或代表所施加的力)由初步校準步驟和/或通過用于采集裝置的(機電)物理模型來確定。

傳感器也可以是用于感測接受傳感器的路面或材料的變形狀態(tài)的傳感器，并且尤其是路面的不可逆的變形，以及用于裂紋的預(yù)期檢測系統(tǒng)。以舉例的方式，傳感器可以包括至少一個如上述所定義的采集裝置，連同連接到(多個)所述換能器、或上述所定義的換能器矩陣的電極的歐姆表。以舉例的方式，所述傳感器通過分析來自(多個)傳感器的測量值中的任何漂移而操作，用于在車輛不存在時獲取的測量結(jié)果或用于多個車輛通過時的結(jié)果合計的測量值。

傳感器也可以是用于感測在一材料上移動的物體的速度和方向的傳感器，包括至少一個如上述所定義的采集裝置，以及連接到(多個)所述換能器的電極、或優(yōu)選連接到上述所定義的換能器矩陣的電極的歐姆表。

本發(fā)明的采集裝置或傳感器可以用于同樣良好地用于檢測局部力(點壓)和用于檢測分布式力。

如上所述，換能器一般厚度很小。換能器主體因此通常是層的形式，或?qū)㈦姌O連接在一起的一個層、或一個(或多個)螺紋或(多個)條的形式。

以舉例的方式，換能器主體可形成薄的層，即厚度小于換能器的主體的另外兩個特征尺寸中的至少一個的十分之一的層。該層的厚度可以特別是小于1毫米(mm)，優(yōu)選小于0.5mm，或甚至0.1mm。

電極通常以這樣的方式設(shè)置，以便在垂直于所述表面的方向上相對于換能器的主體處于相同的高度。例如，電極可以被放置在換能器主體的位于所述表面旁邊的面上，并在其與所述表面遠離的面上，或者確實處于它們之間的共同的高度。

這些面是換能器主體的頂面和底面，當該裝置以這樣的方式“水平”布置，使其壁部的表面為水平(這可以是用于安裝本發(fā)明的采集裝置的可能性之一)。通常地，一個元件當相對于換能器的主體位于壁部的表面旁邊時在下文被稱為“頂”元件，而當它位于相反側(cè)時為“底”元件。

如上所述，本發(fā)明的一個重要的應(yīng)用是車輛稱重或測量路面的變形。

因此采集裝置被植入到路面的表面下。其很小的厚度使其可以通過很少侵入的方式被植入。如下面更詳細描述的，它可使用與瀝青混合料兼容的材料制成。

因此，盡管植入路面的采集裝置可能受到各種應(yīng)力(氣候，機械的，...)，本發(fā)明的采集裝置可以有利具有較長的壽命。

采集裝置或結(jié)合這種裝置的傳感器可以自然地用于檢測表面上的物體(或人，動物等)的存在和重量，或?qū)嶋H上可施加到表面的任何力。

為了提高換能器的壽命和精度，它還可包括設(shè)置在換能器的主體與鄰接換能器的主體的表面之間的結(jié)合層，結(jié)合層粘附到換能器的主體和所述鄰接表面。此相鄰接表面可以特別是上述轉(zhuǎn)移層的表面。結(jié)合層則是頂結(jié)合層，其提供換能器的轉(zhuǎn)移層和主體之間的緊密結(jié)合。

此鄰接表面也可以是將換能器支承在其底側(cè)的支承表面；結(jié)合層則是底結(jié)合層，布置在壓阻體與支承表面之間。

換能器可具有底結(jié)合層和頂結(jié)合層兩者。

在一個實施例中，換能器還具有在垂直于橫向方向的第二方向上彼此間隔開的第二對電極(橫向方向是上述一對電極的電極沿其間隔開的方向，其中電極被稱為第一對電極)。所述第二對電極使得能夠提供一種附加的測量，并因此獲得有關(guān)壓阻體的阻抗的變化的更好的知識，并且通過延伸獲得關(guān)于其變形的狀態(tài)的更好的知識。

在一個實施例中，換能器具有多對電極，形成多邊形的平行成對的側(cè)邊。多邊形的不相互平行的側(cè)邊可以具有不同的長度。成對的電極使得能夠因為為所述電極選擇的形狀和方向而獲得關(guān)于換能器的電阻的更好的認識，以及通過延伸來獲得有關(guān)換能器的主體的變形狀態(tài)的更好的認識。

這些電極可以全部或部分受益于以下改進：

·該對電極可以由交錯的電極構(gòu)成(即，形成兩個配合的梳)，以減少換能器的電阻并提高其靈敏度；

·電極的與壓阻體接觸的部分可以是大致平面；

·電極的與壓阻體接觸的部分可以由細金屬絲或形成梳子或網(wǎng)格的細金屬絲陣列形成，可選地其可以規(guī)則的；

·電極可以是剛性的，例如，電極可以由彎曲模量顯著大于壓阻體的彎曲模量(至少大兩倍)的材料制成。這種布置使得能夠增加換能器對垂直于壁部的表面的變形的靈敏度；和

·電極可以是柔性的，并且以示例的方式，電極可以由具有如下彎曲模量的材料制成，該材料的彎曲模量與壓阻體的彎曲模量相當或更小。這種布置使得能夠增加換能器的牢固性。

各種材料可用于制造壓阻體。

為了能夠測量施加到壁部的表面上的力，有必要對電極之間的壓阻體的阻抗(即，通常其電阻)，從而在橫向方向上根據(jù)所施加的力而改變-和優(yōu)選強烈地改變。

為了制作換能器，可以特別利用具有一個或多個以下特征的主體和電極：

·如果一個力在垂直于壁部的表面的方向上施加到采集裝置，該換能器主要地或?qū)嶋H上基本上在垂直于所述壁部的表面的方向上變形，并且所述多個電極的電極之間測得的阻抗發(fā)生變化。

任選地，即使在不存在在所述垂直方向上變形的材料，該阻抗變化也會發(fā)生。

·如果一個力在垂直于壁部的表面的方向上施加到采集裝置，該換能器主要地或?qū)嶋H上基本上在大致平行于所述壁部的平面中變形，并且所述多個電極的電極之間測得的阻抗發(fā)生變化。

“主要”(或?qū)嶋H上基本上)在一個方向上發(fā)生變形意味著該材料的點的運動在相對于所述方向形成小于45°角(或?qū)嶋H上小于20°)的方向上發(fā)生。上述特性可以通過適當選擇用于形成所述換能器的主體的壓阻材料，和/或通過選擇具有適當剛度的電極而獲得。

下面給出具有這些特性的換能器的一個示例。

換能器主體可以具有各種不同的化學成分。

在一個實施例中，換能器主體包括微米顆粒和/或納米顆粒的滲濾陣列。本文分別使用術(shù)語“微米顆?！焙汀凹{米顆?！敝甘绢w粒，該顆粒的特征尺寸中的至少一個分別小于100微米(μm)或100納米(nm)。

這些微米顆粒和/或納米顆?？梢蕴貏e地包括從以下列表中選擇的一種或多種顆粒：

a)碳納米管，特別是隨機的或有組織的陣列；

b)自聚集微米顆?；蚣{米顆粒；和

c)石墨烯、石墨或任選還原的石墨烯氧化物的片材。

滲濾陣列還可以包括粘土的顆粒，所述顆粒的一部分具有至少部分地被導電物質(zhì)覆蓋的外表面。

該換能器主體也可包括壓阻聚合物，或多種壓阻聚合物的混合物，或至少一種聚合物，例如瀝青，和導電的微米顆粒和納米顆粒的混合物(從而形成具有微米顆粒或納米顆粒的聚合物復(fù)合材料)或水泥材料與微米顆粒和納米顆粒的混合物(有時稱為“智能水泥”或“智能混凝土”)。

本發(fā)明還提供了包括多個緊固到條帶的上述所定義的采集裝置的帶材。所述條帶可以由柔性聚合物制成。尤其是，它可以被設(shè)計成能夠被打包為一個卷軸或輥。所述條帶可作為轉(zhuǎn)移層和/或作為具有用于保護或支承采集裝置的支承表面的層，如上所述。

本發(fā)明還提供一個檢測站，例如收費站，具有如上所定義的設(shè)置有力傳感器的至少一個車道。

本發(fā)明還提供了一種顯示器，例如觸摸屏，適于顯示可變信息且包括如上定義的至少一個采集裝置。

本發(fā)明還提供測量力的方法，該方法包括以下步驟：

a)提供由主體和由多個緊固到所述主體并相互間隔開的電極構(gòu)成的換能器，所述換能器使得從所述多個電極確定的電阻抗可根據(jù)換能器受到的變形而變化；

b)在一方向上向所述換能器施加力，使得當沿著所述方向看去時，所述多個電極的至少兩個電極被彼此間隔開；和

c)測量阻抗在所施加的力的作用下的變化。

d)根據(jù)所述阻抗變化確定所施加的力。

通過利用關(guān)于換能器的變形和施加其上的力之間的關(guān)系的現(xiàn)有知識執(zhí)行步驟d)。

還可以理解，力可直接或間接施加到換能器。例如，換能器可以被放置在轉(zhuǎn)移層(力傳遞層)下方，和力可以施加到轉(zhuǎn)移層，該力的一部分被經(jīng)由轉(zhuǎn)移層傳遞到換能器。

本發(fā)明的第二目的是提供一種制造結(jié)合在壁部中的換能器的方法，該方法能夠使換能器以簡單的方式被結(jié)合在壁部中，以檢測和/或測量變形和力，特別是可在用于測量施加到路面的力的力傳感器中使用的換能器。

這個目的通過一種制造包括壁部和換能器的采集裝置的方法實現(xiàn)，該方法包括以下步驟：

a)定位多個電極使其與主體接觸，主體和所述電極使得從所述多個電極確定的電阻抗根據(jù)與所述多個電極相關(guān)聯(lián)的主體所經(jīng)受的變形而變化；

·主體和所述多個電極因而形成換能器；

b)形成壁部；以及

其中步驟a)和b)以這種方式執(zhí)行：換能器被結(jié)合到所述壁部的表面下方，并且當沿著垂直于所述表面的方向看去時，所述電極中的至少兩個被彼此間隔開。

這種方法可以在特別是當壁部是地面或地面的壁部時執(zhí)行。

在該方法中，步驟b)優(yōu)選在步驟a)之后進行，即，將換能器制作在或結(jié)合到壁部的表面下方之后進行。

步驟a)可包括兩個子步驟：a1)定位所述電極；a2)形成所述換能器的主體。

如果換能器的主體在電極上方，可以按照a1)、隨后a2)的順序執(zhí)行這兩個子步驟，或在相反情況下按照a2)、隨后a1)的順序執(zhí)行，或者甚至同時執(zhí)行，特別是如果電極在換能器的主體內(nèi)的情況下是這樣。

在步驟b)結(jié)束時，該換能器的主體的頂表面構(gòu)成的壁部的表面。因此，該方法使得能夠獲得包括根據(jù)本發(fā)明結(jié)合在壁部中的換能器的采集裝置。

該方法的步驟b)可以特別包括在換能器上沉積轉(zhuǎn)移層。優(yōu)選地，該轉(zhuǎn)移層被設(shè)計為附著到換能器。

可以在工廠中進行上述制造換能器的方法；然后換能器被預(yù)制。然后在步驟a)形成的換能器的主體可特別形成在條帶——例如塑料材料制成的條帶——的頂表面上。

可替代地，換能器可在現(xiàn)場被制造或集成在壁部中。該方法然后可以特別用于制作結(jié)合到地面中的換能器。形成壁部的上述步驟b)則可以包括在地面上，在換能器的上方沉積表面層。以舉例的方式，表面層可以是瀝青混合料層(聚集物與瀝青化合物粘合劑的混合物)。

在這種情況下，該方法被結(jié)合在鋪設(shè)路面的方法中，使一個(或多個)采集裝置被結(jié)合在路面中。

因此，本發(fā)明還提供了鋪設(shè)路面的方法，并且包括以下步驟：

A)制備支承表面；和

B)在所述支承表面上，沉積至少一個瀝青混合料層，同時在其中結(jié)合至少一個換能器，其方式使得該路面包括通過上述方法形成的采集裝置。

在本發(fā)明的上下文中，所述瀝青混合料層也可通過適用于制造路面的任何其它材料構(gòu)建，例如通過水硬性粘合劑、瀝青粘結(jié)劑等結(jié)合的聚集體。

因此，該方法使得能夠制造其中結(jié)合有一個或多個換能器的路面。

制備步驟A)可包括特別是清洗或刮擦現(xiàn)有路面的頂層，或者在沉積路面底層，該路面底層通常是瀝青混合料層。

在步驟B)中沉積的瀝青混合料層優(yōu)選是路面的頂層，即在正常鋪設(shè)或修復(fù)路面的情況下沉積的層。這種路面頂層通常在路面行進方向上在換能器的任一側(cè)延伸至少10米的長度。換能器在正在鋪設(shè)路面時被放置到位或制作，換能器有利地被鋪設(shè)而沒有在路面挖溝槽和將換能器掩埋在溝槽中的任何先前步驟。

在該方法的實施中，步驟A)包括沉積底瀝青混合料層，其上表面構(gòu)成所述支承表面；底瀝青混合料層和所述至少一個瀝青混合料層的厚度使得換能器位于處在所述瀝青混合料層的總厚度的15％至50％范圍內(nèi)的深度處。

此外，優(yōu)選地，所述至少一個瀝青混合料層的厚度是路面的所述瀝青混合料層的總厚度的較大一部分(大于十分之一)。

有利的是，鋪設(shè)路面的方法提供了與周圍路面材料良好的相容性(尤其是在成形性，壽命，不存在異物干擾的方面)，使得能夠省略連接或成具有在測量裝置與路面其余部分之間穩(wěn)定的連接，用于更好的整體耐久性。

該方法容易執(zhí)行，從而最大限度地減少了路面的不可用性，并且可以在工廠以非常低的成本，或直接在現(xiàn)場使用容易執(zhí)行的步驟制造換能器。

最后，所述方法可以適于作為涉及跟蹤所研究的路面的問題的功能。換能器的特征尺寸可從毫米變化到米；其靈敏度可通過對壓阻材料和電極的層的數(shù)目的適當選擇進行優(yōu)化。此外，通過換能器的電流可以用簡單且便宜的方式進行調(diào)節(jié)，從而有利于同時使用結(jié)合在單個傳感器中的大量的例如排列成矩陣的換能器。

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下面，本發(fā)明的第二個方面涉及一種適于制造該換能器的材料。

換能器可以特別是具有電阻抗類型、特別是電阻或電阻率的可變電幅值的換能器，這種幅值適于被檢測和/或測量，換能器這樣布置，使得所述幅值在施加到換能器的應(yīng)力、例如力或變形作用下變化。

本發(fā)明的第二方面的背景

適合于制造上述定義類型的換能器的已知材料族是壓阻材料。壓阻材料特別包括基于碳納米管的組合物。碳納米管可以在基體內(nèi)分散以形成一個滲濾陣列，從而賦予導電的特征并在某些情況下賦予矩陣壓阻的特征。但是，碳納米管的成本很高。

本發(fā)明的第二方面的目的和內(nèi)容

因此本發(fā)明的第二方面的目的是提出一種低成本的材料，其適用于制造上述定義類型的換能器。

該目的通過具有多個混合有導電的含碳纖維元件的粘土顆粒的復(fù)合材料來實現(xiàn)，所述顆粒具有至少部分被導電物質(zhì)覆蓋的外側(cè)表面。

一種材料或物質(zhì)在其歐姆-米(Ω·m)為單位的電阻率ρ在20℃時小于100Ω·m則被認為是導電的。導電含碳纖維元件和導電物質(zhì)的導電率優(yōu)選小于0.1Ω·m，更優(yōu)選小于0.01Ω·m。

由于這樣涂覆的粘土顆粒和導電含碳纖維元件的導電性質(zhì)，以這種方式所定義的材料有利地呈現(xiàn)具有阻抗、特別是(但不僅僅)電阻的所需質(zhì)量，該阻抗在力被施加到換能器時發(fā)生變化。

有利的是，這種材料的質(zhì)量利用低成本成分獲得：

·含碳纖維元件，其每公斤價格高，但能以非常小的量使用；和

·導電物質(zhì)和粘土顆粒，其是或可以是非常低價的成分。

此外，如下面詳細描述的，該材料具有所需的性能，即使當它處于非常薄的層的形式時亦是如此。因此，小量的材料足夠用于制造大面積的換能器。

下面的各種改進都可單獨或任意組合地施用在本發(fā)明的第二方面的復(fù)合材料上：

·以舉例的方式，導電物質(zhì)可以是大部分由SP2雜化的碳原子構(gòu)造成的物質(zhì)(基于SP2雜化碳原子的材料是導電的，與基于SP3構(gòu)型的碳原子的材料不同)；

·導電物質(zhì)優(yōu)選是一種石墨烯狀物質(zhì)，即，大部分由石墨烯或石墨烯類型的材料構(gòu)成的物質(zhì)。因此，不必由僅包含單層碳原子的材料制成；

·導電物質(zhì)可在平均厚度小于10μm的顆粒的表面上形成一個層；

·含碳纖維狀元件可以包括單壁和/或多壁碳納米管和/或碳納米纖維；和/或

·粘土可以是纖維狀粘土，即，海泡石和/或坡縷石。

在一個實施例中，至少部分被一層導電物質(zhì)覆蓋的粘土顆粒使得該材料構(gòu)成國際專利申請WO 2012/160229的權(quán)利要求1至12中任一項限定的組合物。

本發(fā)明還提供包括主體和緊固到所述主體并彼此間隔開的多個電極的換能器，所述主體由上述材料制成(該材料可能受益于部分或全部的上述指定的改進)。

當換能器受到變形時，例如當對其施加力時，電極之間的電阻抗發(fā)生變化。

在優(yōu)選的實施例中，換能器的主體形成一個層，并且所述多個電極中的至少一對電極在大致處于所述層的平面中的橫向方向上彼此間隔開。

所述層的厚度可以是小于1mm，或甚至0.1mm。

本發(fā)明還提供適用于顯示變化的信息并具有顯示表面的顯示器，其包括至少一個如上文所定義的換能器，特別是使用上述優(yōu)選實施例制造的換能器。

本發(fā)明還提供了檢測和/或測量力的方法，其中使用了上文定義的換能器，特別是構(gòu)成上述優(yōu)選實施例的換能器，并且當在換能器上施加力時，在換能器的電極之間確定的電阻抗產(chǎn)生的變化被檢測到和/或測量到。

當電阻抗的變化是換能器在所施加的力的作用下的電阻或電阻率的變化時尤其可以使用該方法。

本發(fā)明還提供了一種制備材料的方法，該方法包括以下步驟：

a)提供導電的含碳纖維元件；

b)在極性液體介質(zhì)中將所述元件與粘土顆?；旌?；

c)添加適合于通過被碳化轉(zhuǎn)化成導電物質(zhì)的有機化合物；和

d)向以這種方式獲得的混合物實施碳化熱處理。

在實施中，在步驟c)中添加的有機化合物是如下物質(zhì)，該物質(zhì)大部分由適合于通過碳化被轉(zhuǎn)化成構(gòu)成SP2構(gòu)型的碳原子制成，更特別是能夠轉(zhuǎn)化成石墨烯類物質(zhì)的物質(zhì)。

在步驟c)中加入的有機化合物是一種前體成分，使得可以在步驟d)中在該粘土顆粒的表面形成一層導電物質(zhì)。

術(shù)語“碳化”用于指示當不存在氧時加熱。

極性液體溶劑可以特別地基于水、甲醇、乙醇和/或丙醇。

所述有機化合物可以特別是一種生物聚合物、糖和/或焦糖。

以舉例的方式，生物聚合物可以從脫乙酰殼多糖、藻酸鹽、果膠、瓜爾膠纖維素、明膠、膠原蛋白、玉米蛋白、DNA或它們的任意組合中選擇。

碳化熱處理用來降解有機化合物，并且使其冷凝在粘土顆粒上，使得表面至少部分地被導電物質(zhì)層覆蓋。

有利的是，盡管含碳纖維元件(特別是碳納米管)與來自步驟b)的粘土顆粒結(jié)合，它們不被破壞并且它們的性質(zhì)不受步驟d)的熱處理的影響。

因此，上述定義的方法使得能夠從粘土顆粒的分散性能中獲益，從而能夠得到含碳纖維元件的均勻分散。

如上所述，在所得到的材料中，碳納米管的導電性和壓阻特性有利地與粘土顆粒上形成的導電層的導電性能相關(guān)聯(lián)。

在上文限定的制備材料的方法的實施中，在步驟b)中，所述元件可以與粘土顆?；旌?，尤其是通過超聲處理進行混合，即通過使顆粒受到超聲而進行混合。

有利的是，換能器和制造方法通過使用非常小量的活性材料(含碳纖維元件)和通常僅厚度非常小的一薄層而具有非常低的成本。

附圖說明

本發(fā)明可以被很好地理解，其優(yōu)點在閱讀以下對作為非限制性示例給出的實施例的詳細說明后更好地顯現(xiàn)。所述描述參照附圖，其中：

圖1是示出了本發(fā)明的第一實施例的傳感器的示意性透視圖，該傳感器被植入路面(未示出)；

圖2是圖1所示的傳感器的透視的局部示意圖；

圖3是在其中結(jié)合有圖2中部分示出的采集裝置的路面的剖視示意圖，該圖未示出車輛；

圖4是圖3的路面的相同的示意剖視圖，該視圖示出了車輛正在經(jīng)過時；

圖5是繪制用于本發(fā)明的采集裝置中的電極之間的距離與電阻的變化的曲線的圖表；

圖6是裝有本發(fā)明的采集裝置并具有兩個換能器的路面的示意性剖視圖；

圖7是裝有本發(fā)明的采集裝置并具有三個換能器的路面的示意性透視圖；

圖8是示出了本發(fā)明的鋪設(shè)路面的方法中的執(zhí)行步驟的示意圖；

圖9是通過實施圖8所示的方法獲得的路面的示意性剖視圖；

圖10是本發(fā)明的另一實施例的采集裝置從上面看的局部示意圖；

圖11是本發(fā)明的另一實施例的采集裝置從上面看的局部示意圖；和

圖12是繪制圖11的裝置中電極對之間的電阻作為電極對之間的間距的函數(shù)的曲線的圖表。

對不同實施例中的相同或相似的元件給出相同的附圖標記。

具體實施方式

下面說明本發(fā)明的第二方面中的復(fù)合材料，其特別適于制造上文限定的換能器，但不僅限于該用途。

復(fù)合材料包括與含碳纖維元件混合的粘土顆粒；粘土的顆粒具有至少部分地被優(yōu)選為石墨烯狀類型的導電物質(zhì)覆蓋的外表面。

術(shù)語“含碳纖維元件”指單壁和/或多壁碳納米管，并且還有含碳纖維。

石墨烯狀物質(zhì)通常在顆?；蛑辽僖恍╊w粒的表面上形成薄層。該層的平均厚度可以特別地小于10μm。該層的成分在下文更詳細地說明，同時描述制造復(fù)合材料的層的方法。

有利的是，存在于顆粒表面的導電物質(zhì)的層使得以這種方式被覆蓋的顆?？蓪щ?。

通過示例的方式，此屬性可通過使用掃描型電子顯微鏡進行驗證：當用掃描電子顯微鏡觀察導電物質(zhì)時，其表面不存在電子的任何顯著積累，如可以在例如石墨烯上看出，石墨烯在本文中認為是導電材料的典型示例。

粘土可特別地從纖維狀粘土、即海泡石和坡縷石中選擇。

在已知的方式中，含碳纖維元件有助于制造可導電的滲濾陣列。有利的是，上述材料使得能夠從含碳纖維元件的導電性和滲濾質(zhì)量受益，但沒有必要大量使用這種元件。具體地，在上述定義的復(fù)合材料中，電的傳導的大部分不是由含碳纖維元件提供，而是由顆粒提供，因為它們至少部分地被導電材料覆蓋。

因此，如果含碳纖維元件在粘土顆粒之間被傳播，可以使用少量含碳纖維元件，它們僅構(gòu)成材料的一小部分。

此外，上述定義的復(fù)合材料可有利地以(例如具有幾十微米的厚度)薄層使用，從而很明顯地減少所使用的含碳纖維元件的數(shù)量。

以舉例的方式，上述定義的復(fù)合材料制作的主體可通過以下兩個步驟進行制造：

·制造復(fù)合材料，該復(fù)合材料以粉末的形式獲得；然后

·將該材料沉積在表面上并在該表面上制造沉積材料主體自身。

制造復(fù)合材料

復(fù)合材料可以通過下列步驟制造：

a)提供碳納米管(和/或線性含碳纖維)；

b)通過極性液體溶劑在粘土的顆粒中分散碳納米管(和/或線性含碳纖維)；

c)增加適于通過被碳化轉(zhuǎn)化成導電物質(zhì)的有機化合物，例如焦糖；

c2)消除溶劑；和

d)碳化所得到的混合物，使有機化合物轉(zhuǎn)變成覆蓋粘土顆粒外表面的至少一部分的導電物質(zhì)。

步驟a)和b)可例如使用國際專利申請WO 2011/070208的權(quán)利要求16至20中任一項限定的方法來執(zhí)行。

此外，步驟c2)可例如通過遵從國際專利申請WO 2011/070208的權(quán)利要求21至25中任一項限定的方法的步驟c)來執(zhí)行。

文件WO 2011/070208提供了執(zhí)行根據(jù)其權(quán)利要求16至25的方法的示例。

以舉例的方式，步驟d)可使用國際專利申請WO 2012/160229的權(quán)利要求22至41中任一項限定的制備含碳纖維材料的方法來執(zhí)行；實施這種方法的示例在該文件的10頁和11頁給出。

制造復(fù)合材料的示例

使用以下三種成分：

·粘土顆粒：海泡石顆粒2.5克(g)；

·含碳纖維元件：多壁碳納米管50毫克(mg)(即，相對于所述海泡石的重量2％)；和

·極性液體溶劑：水43毫升(ml)。

碳納米管通過化學氣相沉積(CVD)方法以獨立的方式預(yù)先獲得。納米管被引起生長，使它們具有10nm的平均直徑和1μm至2μm的平均長度。

然后該材料的制備如下：

步驟b)被分為三個單獨的步驟b1、b2和b3：

b1)三種上述特定成分被混合在一起。

b2)得到的混合物被均質(zhì)化。

均質(zhì)化通過超聲執(zhí)行。使用了具有直徑為13mm的Ti-Al-V尖部的VIBRACELL VCX750超聲設(shè)備，在20千赫(kHz)的共振頻率下操作。所選擇的能量是4.4千焦耳(kJ)，即94.3焦耳/克(J/g)。施加了由中斷間隔開的10秒的脈沖。

通過超聲處理進行均質(zhì)化可以與加工混合物的一個或多個操作交替。

b3)對該混合物進行干燥處理。

將混合物在60℃-70℃下過夜干燥。

c)添加有機化合物作為前體，具體地，在焦糖對粘土重量比率2∶1情況下添加6.5g液體焦糖(Royal^Tm焦糖，80％)。

c2)混合物再次在60℃-70℃下過夜干燥。

d)以這種方式得到的干燥混合物被烘烤：

干燥之后獲得的海泡石、碳納米管和焦糖的混合物在800℃的溫度下在氮氣流中焙燒，在烘烤的開始時每分鐘升溫5℃(℃/min)。

所述材料在該溫度下維持1小時(h)，以便將焦糖轉(zhuǎn)變成導電物質(zhì)。

然后將該材料通過研磨還原成粉末，以便其可以被沉積。通過研磨得到的顆粒優(yōu)選具有最大的Feret直徑，平均值小于50μm；和優(yōu)選小于15μm。

以這種方式獲得的粉末形式的材料可隨后被沉積，以便形成適合于形成力或變形的換能器或傳感器的壓阻主體。

換能器和傳感器的結(jié)構(gòu)

為了制造在本發(fā)明的第一方面的換能器的主體，可以使用任何壓阻材料(但不僅僅是這種材料)。特別是能夠使用包括上述粘土顆粒與導電性的含碳纖維元件混合的復(fù)合材料。

優(yōu)選使用適合用于形成層、特別是薄的層的材料。

換能器的主體可以形成層，該層是連續(xù)的(無孔)。它也可形成包括孔和/或不連續(xù)部分的層，指定的是，優(yōu)選存在至少一個穿過所述換能器的主體并使各個電極彼此相連的連續(xù)的路徑。

換能器的主體的材料優(yōu)選由如下壓阻材料構(gòu)成，所述壓阻材料被選擇成使得當在垂直于連接兩個測量點的方向的方向上向換能器的主體施加力時，(放置電極處的)兩個測量點之間的電阻劇烈變化。

所述材料可尤其由(至少一個特征尺寸分別小于100μm或100nm的)微米顆?；蚣{米顆粒的滲濾陣列構(gòu)成，或由不同類型的微米顆?；蚣{米顆粒的混合物構(gòu)成的滲濾陣列。

顆粒更特別地適合如下：

a)隨機或有組織的陣列形式的碳納米管；

b)自聚集微米顆?；蚣{米顆粒；

c)石墨烯、石墨或任選還原的石墨烯氧化物的片；

d)當混合在一起時上述成分的各種組合；或者

e)壓阻聚合物或各種壓阻聚合物的混合物；或者

f)一種或多種聚合物與導電的微米顆粒和納米顆粒(納米顆粒聚合物復(fù)合材料)的混合物；或者

g)瀝青混合料或瀝青與微米顆粒和納米顆粒的混合物(智能瀝青混合料)。

換能器的主體可以特別地由上述復(fù)合材料制成，該復(fù)合材料包括粘土顆粒和纖維狀碳的元件。

材料的在特定方向上(測量點沿其布置處)具有可變阻力的能力可通過鼓勵壓阻體中的微米顆?；蚣{米顆粒的特定取向來增大。例如，這可以通過對具有偶極矩的顆粒進行雙向電泳來實現(xiàn)。因此，使用這種材料的換能器對任何力具有更高的敏感性，增大上述特定方向上的變形。

下面參照圖1至7描述本發(fā)明的第一實施例中的力傳感器10。

傳感器10具有一組相同的采集裝置20和構(gòu)成阻抗確定裝置的歐姆表12。

各個裝置20都由兩個電導線14連接到歐姆表12。

各個裝置20主要包括沿其整個長度具有相同結(jié)構(gòu)的帶材21(圖1和2中，裝置20中僅示出帶材21)。

各個帶材21，其本身構(gòu)成了本發(fā)明意義上的采集裝置，主要由夾在兩個結(jié)合層22和26之間的中間層24構(gòu)成，其構(gòu)造如下：

·相同的底結(jié)合層22和頂結(jié)合層26，各自由柔性塑料膜構(gòu)成；和

·由壓阻材料構(gòu)成的中間壓阻層24，構(gòu)成本發(fā)明意義上的換能器的主體。

各個裝置20通常以在水平的平面上鋪平的形式被放置到位。三層中的每一層則都是水平面的形式。

在每一個帶材21的厚度內(nèi)還接收兩個電極25。每個電極由夾在底結(jié)合層22和壓阻層24之間的薄的扁平的銀線構(gòu)成。電極25被緊固到壓阻層24并且它們被固定在其上。因此，與電極25相關(guān)聯(lián)的層24構(gòu)成換能器23。具體地，由于層24的壓阻特性，在換能器23變形的情況下，電極25之間的電阻發(fā)生變化。

通常，壓阻層24的位于兩個電極之間并且參與確定電極之間的阻抗的表面被稱為“活動”表面。

活動表面的尺寸和形狀根據(jù)裝置20的用途(局部跟蹤路面的變形或損壞；車輛的檢測或者靜態(tài)或動態(tài)稱重，...)而被選擇。此活動表面可以是非常小的(例如不足1平方米厘米(cm²)的)面積，或者其面積可多達幾平方米(m²)。

活動表面可以是任何形狀的，它可以是各向同性的(例如圓形或方形)或各向異性(例如橢圓形或矩形)。

圖3示出了安裝在路面中的采集裝置20的一個示例。

該圖是豎直平面上的剖面，示出路面30，其中結(jié)合有裝置20。路面30由底層32和頂層34構(gòu)成，這兩者都由瀝青混合料構(gòu)成。地面上的層32和34未示出。帶材21被布置在兩個路面層32和34之間。

每個裝置20由位于帶材21附近的路面部分構(gòu)成，因此，裝置20包括層32的一部分、帶材21和層34的一部分。

在圖3中，在換能器20中，電極25布置在壓阻層24下面。也可以將電極25布置在該層上方，或甚至壓阻層內(nèi)(例如換能器主體)。

頂層34構(gòu)成具有自由頂表面36的壁部。換能器23結(jié)合在表面36下面。當在垂直于表面36的方向、即在豎直方向(箭頭A，圖4)看去時，電極25被看作是彼此分隔開的。它們被放置在路面30中的相同的深度，有利地使得裝置20能夠具有較小的厚度。

結(jié)合層22和26可以由雙組分硅彈性體或聚乙烯(乙烯-共-四氟乙烯)、也稱為乙烯四氟乙烯(ETFE)制成。

這些材料與路面的底層32和頂層34的瀝青具有良好的粘合性。因為這種粘合性，在路面30的變形過程中，傳感器20隨之變形，而在換能器23和路面層32和34之間的交界處路面沒有任何剝離或出現(xiàn)任何內(nèi)部裂紋。

但是，無論是底結(jié)合層22還是頂結(jié)合層26自身都沒有必要使本發(fā)明的裝置進行操作。

此外，這些層的每一個自身都可以由一個或多個子層構(gòu)成。例如，可以使用雙材料結(jié)合層，即由兩個子層構(gòu)成，每一個都由特定的材料制成：與壓阻層24接觸的子層的材料可以選擇成與其牢固地粘合，與路面材料(層32或34)相接觸的子層的材料可以選擇成與路面材料牢固地粘合。

盡管圖3示出的路面部分30處于靜止，圖4示出相同的路面部分，而車輛正在通過。

示出了車輛輪胎38的一部分。輪胎38向路面的頂表面36施加在豎直方向Z上的壓力。在此力的作用下，路面30變形：它變成被壓縮(箭頭A)，并且路面的瀝青混合料在橫向X上、水平并平行于路面的表面36(箭頭B)略微側(cè)向移動。

靜止時(圖3)，電極25在方向X上相互間隔開一距離D0，該距離D0為幾厘米的量級。當卡車通過時(圖4)，路面變形。電極25根隨構(gòu)成該路面的瀝青混合料的變形并且它們遠離彼此移動：當車輛通過時，它們之間的距離取值D1，該值D1嚴格大于所述值D0。

層24的壓阻材料的選擇方式使得電極之間的電阻根據(jù)電極之間的距離變化而改變。此操作圖示于圖5。該操作由兩條曲線示出，所述曲線是施加到路面30的力F(車輛的重量)的函數(shù)：

·第一曲線示出了電極之間的厚度D的增加(從D0到D1)；以及

·第二曲線適用于同樣的力的增長并示出了電極25之間的電阻R的減小。

因此，當車輛通過時，電極25之間的電阻發(fā)生變化。電阻的這種變化由歐姆表12測量。因此，根據(jù)電極25之間測得的電阻，歐姆表12可以檢測和測量在豎直方向上施加到電極25的力。

該曲線表明，在本實施例中，換能器23在卡車的重量(所施加的力)作用下變形，其方式使得電極25橫向移動分開；而且，在以這種方式移動分開的作用下，電極之間的電阻減小。

圖1-7中所示的采集裝置包括電極25，該電極25由柔性的材料制成，特別是由薄層的銀制成。

通過由柔性材料或相似剛度的材料制成的這種電極，換能器的行為如下：如果將力在垂直于壁部的表面的方向施加到采集裝置，換能器主要在大致平行于壁部的表面的平面中變形，并且在所述多個電極中的電極之間測量的阻抗發(fā)生變化。

注：附圖不是按真實比例繪制的。在圖中，高度(沿軸線Z的尺寸)已被放大以易于理解。在現(xiàn)實中，換能器20的厚度非常小。底層22和頂層26各自的厚度為0.4mm。壓阻層24的厚度處于0.01mm至0.05mm范圍中。

盡管如此，本發(fā)明的傳感器可通過不同的方式操作?？梢酝ㄟ^選擇剛性的電極來得到完全不同的操作。

具體地，如果使用由剛性材料、例如銅或相似剛度的材料制成的電極25，該換能器的行為如下：當力在垂直于表面36的豎直方向上施加到采集裝置20時，換能器，特別是換能器的主體(壓阻層24)基本上在相同的方向(豎直)變形；正是這種壓縮使電極25之間的層24的電阻改變。

圖6示出在路面中安裝換能器20的另一示例。此圖是路面的剖面，包括具有(在豎直方向Z上)一個放置在另一個上方的兩個換能器23的采集裝置40。

忽略結(jié)合層(其在下文中更詳細地描述)，采集裝置40從底部開始順次包括：由瀝青混合料制成的底層42，底換能器23，瀝青混合料的第二層44，頂換能器23，以及通過同樣由瀝青混合料制成并構(gòu)成具有自由的頂表面的壁部的頂層46。底換能器23設(shè)置在兩個瀝青混合料層42和44之間；頂換能器23設(shè)置在瀝青層44和46之間。這種構(gòu)造使得可以有關(guān)于路面變形幅度作為深度的函數(shù)的信息?？梢栽黾右粋€在另一個上面地布置在地面中的換能器的數(shù)量。

兩個換能器23沒有以相同的方式安裝在采集裝置40中。

底換能器23被夾緊在兩個結(jié)合層22和26之間并形成與參照圖1至4所述的相同的帶材21的一部分。

相反，換能器23形成包括底結(jié)合層22、換能器23以及由兩個子層126和128構(gòu)成的頂結(jié)合層的帶材121的一部分。子層126被選擇成提供與壓阻層24的良好粘附，并且例如由ETFE構(gòu)成；頂子層128被選擇成具有與層46的瀝青混合料具有良好的粘附力，并且例如由雙組分硅氧烷彈性體形成。

此外，根據(jù)期望獲得的關(guān)于路面變形(或者采集裝置被放置在其中的材料的)的信息，電極可放置成不同的取向：

因此，在本發(fā)明的一個實施例中(圖7)，本發(fā)明的兩個換能器23和第三換能器50被安裝在路面60中。從底部開始，路面60由四個(水平)平行的瀝青混合料的層62、64、66和68構(gòu)成。

第一和第二換能器23的每一個都包括一層壓阻材料24，以及固定到該層材料并在該層的平面中彼此間隔開的兩個電極25。第一和第二換能器23分別布置在層62和64之間，以及層64和66之間。第一換能器23被布置成使得電極25在X方向上彼此平行地延伸：它們定位成在Y方向上彼此相隔一段距離。相反，第二換能器220布置成使得電極25在Y方向上彼此平行地延伸：它們在X方向上彼此相隔一距離。

第三換能器50包括一層壓阻材料和兩個電極55。電極55分別放置在換能器50的壓阻材料層的上方和下方。因此，在豎直方向上看去，電極55不彼此間隔開。

由于換能器23和50的特定布置，能夠同時在全部三個方向X、Y和Z上測量路面變形。

圖10示出了本發(fā)明的采集裝置的另一個實施例。

在該裝置中，換能器具有四個細長的電極425A、425B、425C和425D(統(tǒng)稱為電極425)，該電極被布置成彼此平行并在大致平行于壁部的表面的平面中間隔開相等的距離。

執(zhí)行所謂的“4點”測量：

電流在相隔最遠的兩個電極(“外部”電極)425A和425D之間通過；

測量“內(nèi)部”電極425B和425C之間的電壓。

阻抗被計算為在外部電極之間施加的電流與在兩個內(nèi)部電極之間測得的電壓之間的比率。

校正幾何效應(yīng)之后，將所得的值稱為換能器的薄片電阻(或“方電阻”)。

壓阻材料的電阻率則通過使換能器的薄片電阻與主體的平均厚度相乘而獲得。

有利的是，也可以由材料的電阻率或從薄片電阻推斷電極的接觸電阻。

例如在(例如一段時間后)接觸使得測量質(zhì)量劣化的情況下，使用作為來自傳感器的輸出值提供的薄片電阻或電阻率使換能器對電極的行為的靈敏度最小化。

例如當在電極和壓阻體之間的相對運動為壓阻現(xiàn)象的主要原因時，使用作為來自傳感器的輸出值的接觸電阻使得其對電極行為的靈敏度最大化。

圖11和12示出了本發(fā)明的采集裝置的另一個實施例。

在該裝置中，多個電極被平行布置，有至少三個、優(yōu)選四個以上的電極，電極之間的距離D增大。具體地，示出了四個電極525A、525B、525C和525D，它們統(tǒng)稱為電極525。

執(zhí)行傳輸線測量(TLM)型測量，即，在各對電極之間測量電阻R，即在各對電極525i–525j之間測量一組電阻Rij。

校正幾何因素后，圖示作為電極對之間的間距D的函數(shù)的電阻R的線的斜率給出電阻或薄片電阻；原點處的縱軸截距給出了接觸電阻R0。

本發(fā)明的傳感器主要包括連接到阻抗確定系統(tǒng)，例如上述歐姆表12，的上述一個或多個換能器，阻抗確定系統(tǒng)用來測量各換能器的電極之間的壓阻層的電阻。

阻抗確定系統(tǒng)可以包括常規(guī)的信號調(diào)節(jié)系統(tǒng)。例如，換能器(或兩個換能器，其用于自動溫度去相關(guān))可設(shè)置在也具有三個(或兩個)其它電阻的惠斯通電橋中(即優(yōu)選溫度穩(wěn)定)。然后通過施加由電壓源輸送的在3伏特(V)到10V范圍內(nèi)的電壓進行測量；通過儀器放大器類型的采集系統(tǒng)進行讀數(shù)，以及過濾、偏移校正和模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。當測量系統(tǒng)遠離傳感器時，該系統(tǒng)的模擬部分任選地與用于遠程測量的裝置相關(guān)聯(lián)，例如，用于補償導線中的電阻損失的裝置，并具有校準分流器。

用于獲取可變電阻并將其數(shù)字化的任何其它常規(guī)系統(tǒng)都是合適的，并且特別提供用于提出溫度補償技術(shù)的系統(tǒng)。可替代地，可變電阻可放置在sigma-delta型系統(tǒng)中，以便在讀取電阻值同時執(zhí)行模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換。

為了形成力傳感器，所述傳感器還包括用于根據(jù)由阻抗確定系統(tǒng)測得的(多個)換能器的阻抗和/或阻抗變化確定(多個)換能器的變形和/或施加到壁部的(多個)力的相關(guān)系統(tǒng)(也由單元12表示)。

當傳感器具有多個換能器時，換能器尤其可組織成矩陣陣列。

當傳感器用于車輛稱重時，阻抗確定系統(tǒng)(歐姆表)以及可能還有相關(guān)系統(tǒng)優(yōu)選地遠離道路側(cè)。這樣的系統(tǒng)也可以由柔性材料制成并且被給予適當?shù)姆庋b，以用于放置在換能器的壓阻材料層的下面或上方，或者在瀝青混合料的芯中，或者在結(jié)合層中。

一旦來自一個或多個換能器的信號已經(jīng)被數(shù)字化，該信號就可以在現(xiàn)場或其它地方進行處理，并且可以通過任何適當?shù)膫鬏斞b置傳輸，例如傳輸?shù)讲杉行?、?shù)據(jù)記錄器、任選地獨立供電的無線電通信節(jié)點、射頻識別(RFID)標簽等。

制造：壓阻體，采集裝置，傳感器

制造壓阻體是制造本發(fā)明的采集裝置的主要步驟?？蔀楸静襟E使用各種方法。所選擇的方法取決于所需的壓阻材料和待執(zhí)行所述方法的現(xiàn)場(工廠或工作現(xiàn)場)。

某些類型的壓阻材料可以氣相(蒸發(fā)，化學或物理沉積)沉積在支承表面上。該操作可以在現(xiàn)場(in situ制造)，或在工廠中進行。

但是，可能優(yōu)選的是為部件使用所述材料的液態(tài)沉積。這種沉積可在工廠或在現(xiàn)場進行。

操作模式可以如下：

i)在先前被還原成粉末之后，壓阻材料放入溶劑中形成溶液。

這可使用常規(guī)技術(shù)(例如，磁力攪拌，超聲浴中的超聲處理或使用尖部，可以離心，...)來完成。溶劑優(yōu)選但不必須是水的；在適當情況下，該溶劑的性質(zhì)可通過使用適于改善沉積質(zhì)量(例如，其均勻性)的添加劑(例如表面活性劑)被優(yōu)化。

ii)這樣獲得的溶液沉積在其上形成壓阻體(或?qū)?的表面上。

此沉積可使用常規(guī)技術(shù)進行。所使用的技術(shù)應(yīng)該根據(jù)以下被選擇：溶液和待被覆蓋的表面的物理化學性質(zhì)、用于均勻性的要求、可能的時間限制和執(zhí)行所述方法的地點。沉積可例如通過噴墨印刷、通過滴液(dropping drops)、通過噴涂、通過旋涂機，或通過油漆刷進行。

ⅲ)消除溶劑。

這個操作通過任何已知的方法執(zhí)行，特別是通過自然或強制的蒸發(fā)進行。

采集裝置，如裝置20(圖3)，通過以下幾個步驟被制造：

A)制備支承表面，路面將在該支承表面上制造。

B)制造路面和結(jié)合于所述路面中的采集裝置。

步驟B)包括以下幾個階段：

i)沉積底瀝青混合料層32；

ii)將底結(jié)合層22沉積在層32的頂表面上，以使層22粘附到層32；

ⅲ)將一對電極25放置到層22上的適當位置，并將所述電極在水平方向(X，圖4)上間隔開；

ⅳ)將壓電材料的壓阻層24形成在層22上和電極25上；

v)將頂結(jié)合層26沉積在壓阻層24上，以使結(jié)合層26粘附到壓阻層24；和

ⅵ)頂端瀝青混合料層34然后沉積在結(jié)合層26上。

具有與裝置20相同的結(jié)構(gòu)(底層，結(jié)合層，壓阻層，結(jié)合層，和頂層或轉(zhuǎn)移層)的采集裝置可以在工廠制造。在這種情況下，換能器可以特別被制造成(塑料材料的)帶材，如適用于圖1所示的帶材21。底層22和頂層26則是由塑料材料制成的薄膜或板。制備成帶材使其更容易隨后將換能器放置到位，特別是當多個換能器被放置就位或定位在一起時是這樣。

可替代地，采集裝置也可直接在現(xiàn)場制造。這種制造模式特別適用于制造用于車輛動態(tài)稱重的傳感器。在這種情況下，采集裝置的制造尤其可以結(jié)合在用于鋪設(shè)路面的正常操作中。使采集裝置結(jié)合在路面內(nèi)用于賦予路面附加功能(車輛動態(tài)稱重)，并且以極低的成本來實現(xiàn)。

為了制造傳感器，然后該傳感器足以使通過上述方法得到的采集裝置連接到諸如歐姆表等的阻抗確定系統(tǒng)，傳感器自身選擇性地連接到用于確定所述變形或力的系統(tǒng)，如果需要直接獲得變形或力作為輸出值的話是這樣。

多個換能器可以任選地連接到相同的阻抗確定系統(tǒng)。

上述傳感器的主要應(yīng)用在于使傳感器結(jié)合在路面中，用于對車輛進行檢測、計數(shù)、稱重，或甚至跟蹤路面的變形。以舉例的方式，結(jié)合這樣的傳感器的路面可按如下鋪設(shè)(圖8和9)：

清掃道路

使刮板102通過以便從道路100刮掉表面層104。該操作露出可鋪設(shè)新路面110的被刮的表面106。

鋪設(shè)第一瀝青混合料層

在表面106上，鋪設(shè)第一瀝青混合料層112并用壓路機108壓平。所述瀝青混合料層112的頂表面113構(gòu)成準備接收換能器的支承表面。

采集裝置的現(xiàn)場制造

可以使用已在工廠預(yù)制的換能器。在上述步驟iv)中，則足以將換能器定位在層112的頂表面113上。

可替代地，換能器可在步驟iv)中在所述瀝青混合料層112的表面上直接制作，如下所述：

·至少部分地被導電物質(zhì)覆蓋的包含粘土顆粒的復(fù)合材料粉末與上述特定類型的納米管一起使用；

·該粉末在水中稀釋，從而得到一種具有以重量計0.5％的復(fù)合材料的水溶液；

·幾滴水溶液沉積在構(gòu)成瀝青混合料層112的仍然熱的壓實的瀝青混合料上；

·此后，兩個電極325被放置到彼此間隔開幾厘米的位置，使得每個電極與水溶液已經(jīng)傾倒其上的區(qū)域接觸；

·水被蒸發(fā)，最初自由蒸發(fā)，隨后由將已被加熱到200℃的空氣流吹送到水溶液上的涂料燃燒器進行蒸發(fā)。

這產(chǎn)生了在底層112的表面113上形成的壓電材料制成的換能器主體324。與電極325相關(guān)聯(lián)的主體324形成換能器323。路面的包括層112、換能器323和層116的部分形成采集裝置320。

此實施方式不涉及鋪設(shè)用于將換能器323粘附到相鄰層的任何結(jié)合層。

鋪設(shè)第二瀝青混合料層

然后將第二瀝青混合料層116鋪設(shè)在第一層112上和換能器323上，并且用輥118使第二層平整。

在本實施例中，層116直接形成在電極325已被緊固其上的壓阻層324上。

因此，將換能器放置到位的操作被結(jié)合在用于鋪設(shè)路面11的正常程序中。

層112和116的厚度優(yōu)選地選擇成使得換能器323位于深度h，其處于路面110的厚度H的15％至50％范圍內(nèi)。

當然，除上述之外的其它方法可保持在本發(fā)明的范圍之內(nèi)執(zhí)行。尤其是，路面可以由兩個以上的層組成。本發(fā)明的換能器可以優(yōu)選地放置在兩個層之間。在替代方式中，也能夠安裝單層的瀝青混合料。