Capteurs intrusifs

1. Les capteurs à boucles inductives

Principe de fonctionnement

Ce capteur intrusif est composé d’une ou de plusieurs boucles inductives dont la forme la plus répandue en Europe est le rectangle ainsi que d’une queue de boucle. Chaque boucle est constituée de plusieurs spires (3 pour le standard SIREDO) de fil de cuivre multibrins étamé d’une section de l’ordre de 1 à 2 mm² (1,34mm² pour le standard SIREDO). Le fil utilisé présente un revêtement PVC hautement isolant. Suivant la forme de la boucle, ses dimensions, le nombre de spires, sa profondeur d’enfouissement et la section du fil utilisé, les résultats des détections seront différents. La queue de boucle est la portion de la paire de fils située entre l’extrémité de la boucle et l’unité de détection. Cette paire de fils est torsadée et blindée à raison de 10 spires aux mètres pour éviter les champs magnétiques perturbant. La boucle est placée en chaussée à 7cm (standard SIREDO) en dessous de l’enrobé ou du rez de la dalle béton. Un signal électrique sinusoïdal de quelques dizaines de mV est appliqué aux bornes de la boucle électromagnétique à une fréquence entre 50 et 150kHz. Cette tension induit un champs magnétique rayonnant autour la boucle et au dessus de la chaussé (circuit résonnant).

A chaque passage d’un véhicule au dessus de la boucle, la masse métallique en mouvement du véhicule perturbe le champs magnétique rayonnant, ce qui a pour effet de modifier le courant induit de la boucle et donc la fréquence du signal électrique émis. Ce décalage de fréquences est convertit en tension à l’aide d’une boucle à verrouillage de phase. Cette dernière est seuillée pour fournir un signal « tout ou rien » directement lié à la présence du véhicule. A l’aide de deux boucles inductives, il est possible de déduire la vitesse du véhicule ainsi que sa longueur. Des boucles plus étroites permettent de déduire la silhouette de chaque véhicule en détectant leurs essieux.

Mesures disponibles

Débits, vitesses, longueur, silhouettes, temps de présence, taux d’occupation, temps et distance inter-véhiculaire.

Limites de fonctionnement

Facteurs perturbant les détections : champs magnétiques, véhicules circulant à basse vitesse (inférieure à 5km/h), véhicules très proches les uns des autres et remorques, véhicule présentant une garde au sol importante, très petit gabarit de véhicules.

Technologies connexes

Magnétomètres

2. Les capteurs « magnétomètres » en chaussée

Principe de fonctionnement

Ce capteur intrusif intègre de très petites self pouvant être réalisées sur des circuits imprimés de très petite taille. Il fonctionne grâce à une analyse de la variation du champ magnétique terrestre causée par le passage des véhicules (comme une boussole). Le signal délivré par le capteur est un signal électrique proportionnel aux variations du champs magnétique terrestre sur les 3 axes x, y et z. Une de ses particularités réside donc dans sa petite taille (quelques centimètres).

De forme cylindrique en général, il est souvent posé en chaussée via un petit carottage à quelques centimètres en dessous de l’enrobé. Un seul capteur posé en milieu de voie permet de détecter la présence d’un véhicule. Tout comme pour les boucles inductives, plusieurs capteurs posés à plusieurs mètres d’intervalle sur le profil en long de la chaussée permettent de déduire d’autres natures de mesure (vitesses, etc.). Plusieurs capteurs posés suivant le profil en travers de la chaussée permettent de mesurer une « signature magnétique » de chaque véhicule. La liaison de ce type de capteur avec son point de collecte est réalisé en général en mode « sans fil » à l’aide d’une liaison radio très basse consommation. Par ailleurs, les mesures des magnétomètres sont également influencées par la température de chaussée. Cette influence est prise en compte dans le traitement des signaux électromagnétiques.

Mesures disponibles

Débits, vitesses, longueur, silhouettes, signatures magnétiques de véhicules, temps de présence, taux d’occupation, temps et distance inter-véhiculaire.

Limites de fonctionnement

Facteurs perturbant les détections : champs magnétiques, véhicules circulant à basse vitesse (inférieure à 10km/h), véhicules très proches les uns des autres et remorques, véhicule non centrés dans la voie, véhicule présentant une garde au sol importante, très petit gabarit de véhicules.

Technologies connexes

Boucles inductives

3. Les capteurs à effet « Piézo-électrique »

Principe de fonctionnement

Ces capteurs intrusifs présentent la propriété physique qu’ont certains matériaux diélectriques de générer une tension sous l’effet d’un déplacement de charges électriques lorsqu’ils sont soumis à une contrainte mécanique. Cette tension électrique U est proportionnelle à la pression exercée sur le capteur (force que nous appellerons pression P par la suite). Trois types de capteurs sont utilisées aujourd’hui pour cette technologie : les capteurs céramiques, les capteurs quartz et les capteurs polymères. Le capteur piézo-électrique à base de céramique est très utilisé aujourd’hui dans le domaine du trafic routier. Ce capteur est conditionné sous la forme d’un câble coaxial comportant une gaine et une âme conductrice en cuivre. Ce câble est inséré de manière transverse dans la chaussée, il est enrobé dans un barreau de résine pour qu’il conserve sa rigidité, la tension électrique créée dans la céramique lorsque la force d’impact des pneus d’un véhicule lui est appliquée est mesurée entre l’âme et la gaine. L’effet piézo-électrique est observable également sur des matériaux autres que la céramique, et notamment sur les polymères à l’aide de films de matière plastique à haute résistivité et le quartz qui possède cette propriété naturelle.

Mesures disponibles

Ce type de capteur permet de mesurer le poids à l’essieu, au groupe d’essieu, le poids total, la silhouette, le débit, la vitesse, la distance inter-essieux et la position du véhicule dans la voie. Limites de fonctionnement Facteurs perturbant les mesures : véhicules très proches les uns des autres (et remorques), véhicules mal positionnés dans la voie et très petit gabarit de véhicules présentant de faibles forces d’impact.

Technologies connexes

Capteurs résistifs

4. Les capteurs à Tubes pneumatiques

Principe de fonctionnement

Il s’agit de capteurs faiblement intrusifs. Les capteurs à tubes pneumatiques sont utilisés exclusivement dans le cadre de recueils de données de trafic temporaires. Ces capteurs se présentent, pour les plus courants, sous la forme de tubes pneumatiques en caoutchouc noir d’un diamètre intérieur de 6mm pour un diamètre extérieur de 15mm. Plusieurs dimensions et types de tubes sont proposés par les fabricants : 6x12mm, 6x13mm, 6x15mm, 6x18mm, en format rond, demi-rond ou encore ronds avec une partie centrale neutralisée pour éviter les interventions de fixation de colliers entre deux chaussées. Les tuyaux sont attachés à l’aide de collier et de tire-fonds sur la chaussée dans l’enrobé. Le principe de fonctionnement est simple, les tuyaux transmettent des variations de pression d’air , provoquées par le passage des essieux des véhicules, vers des vannes ou détecteurs pneumatiques qui transforment ces variations de pression en signaux électriques. Ceux-ci sont orientés vers le circuit d’entrée du compteur électro-pneumatique qui va les filtrer, les dater et les comptabiliser. Chaque compteur peut être relié à 1 ou 2 tubes qui vont permettre de recueillir : le nombre essieux avec 1 seul tube, le nombre de véhicules, les vitesses et la distinction VL/PL avec deux tubes espacés de 1 mètre. Tout véhicule présentant une distance inter-essieux de plus de 3,45 m sera considéré en PL.

Mesures disponibles

Débits, vitesses et distinction VL/PL (deux classes).

Limites de fonctionnement

Les tubes pneumatiques sont sensibles à l’arrachage si leur installation est d’une durée importante (plus de 2 mois). Ils ne sont pas recommandés pour les routes à chaussées séparées et pour les axes présentant une trafic journalier tous véhicules supérieur à 10 000 v/j. Un fort trafic lourd ( > 30%) accélère également le vieillissement des tubes ou leur arrachage.

Technologies connexes

Capteurs hydro-acoustiques

5. Les capteurs à « Jauges de contraintes »

Principe de fonctionnement

Ces capteurs intrusifs présentent la propriété physique qu’ont certains matériaux conducteurs de voir leur résistivité électrique varier lorsque qu’une pression leur set appliqué. Cette résistivité électrique r est proportionnelle à la pression P exercée sur le capteur.

Utilisation des jauge de contraintes pour le pesage en marche des ponts instrumentés :

Les systèmes de pesage en marche par ponts instrumentés ont été développés à la fin des années 70 à l’université Case Western Reserve de Cleveland. Le système développé utilise des jauges de déformation (appelées aussi jauge de contrainte) sur les principaux éléments longitudinaux du pont. Les jauges sont placées à mi-portée sur les semelles inférieures des poutres selon un axe perpendiculaire à celui du pont. Les signaux de chaque jauge sont sommés pour obtenir le signal correspondant au moment fléchissant total du pont. Le principe de pesage en marche porte sur la résolution du problème inverse, c’est à dire que la réponse de la structure (le moment fléchissant) est mesurée et la charge ayant provoqué ce moment est calculée, en considérant que la vitesse du poids lourd reste constante. Le système fournit les mesures des charges aux essieux, la position latérale du poids lourds sur le pont, la silhouette du véhicule, sa vitesse et son accélération.

Cette technique présente de nombreux avantages : il n’y a pas de capteurs installés sur la chaussée, ’installation et maintenance du système est possible sous trafic et en sécurité, le système est non détectable par les chauffeurs de poids lourds, le coût de ces systèmes est avantageux en comparaison aux autres techniques de pesage en marche, la discrétion du système peut limiter le vandalisme.

Mesures disponibles

Débits, vitesses, longueurs et formes de véhicules, temps de présence, taux d’occupation, temps et distance inter-véhiculaire, distance capteur/véhicule. Pour certains systèmes, le poids par essieux

Limites de fonctionnement

Fortes dynamiques de véhicules ou de chaussées.

Technologies connexes

Capteurs résistifs

6. Les capteurs Résistifs

Principe de fonctionnement

Ces capteurs intrusifs sont basés sur le principe de la variation d’une mesure de résistivité électrique. Une pression exercée sur deux surfaces conductrices séparées par un composant diélectrique élastique provoque un rapprochement voire un contact faisant varier la résistivité.

L’application la plus connue est le tapis détecteur de piétons utilisé dans de nombreux domaines. Dans le domaine de l’exploitation de trafic, il trouve son usage en milieu urbain :

Sur les passages piétons implantés en section courante et non équipés de feux ;
Sur les carrefours équipés de feux, pour l’adaptation du « temps de vert piéton ».

Mesures disponibles

Détection de piétons, temps de présence.

Limites de fonctionnement

Sans objet.

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Jauges de contraintes

7. Les capteurs à « Fibres optiques »

Principe de fonctionnement

Les capteurs à ﬁbre optique sont déﬁnis selon la norme NF C 93-800 (1991) : « Un capteur à ﬁbre optique est un dispositif comprenant une ou plusieurs ﬁbres, permettant de recueillir des informations représentatives de grandeurs mesurées sans autre apport d’énergie que celui des phénomènes observés et/ou des ondes lumineuses circulant dans la (ou les) ﬁbre(s) ». Deux qualiﬁcations s’emploient :

intrinsèque : lorsque la ﬁbre est le transducteur ;
extrinsèque : lorsque l’élément transducteur n’est pas sur la ﬁbre optique.

Une gaine mécanique est rajoutée à la fibre afin de la protégé de créer le mesurande par contrainte à chaque passage de véhicule.

Afin de récupérer l’information, soit on a une transmission (i.e. La fibre traverse la route et le détecteur est à l’autre bout de la fibre) soit par réflexion (une source émet un signal lumineux dans la ﬁbre optique de transmission. Ce signal traverse le capteur à ﬁbre optique qui réﬂéchit ou rétrodiffuse ce signal) avec une source et un détecteur côte à côte.

Différentes techniques de modulation permettent de faire varier l’onde lumineuse selon le capteur :

modulation d’intensité : variation du signal lumineux ou fonctionnement en tout ou rien ;
modulation de phase : variation de la phase du signal lumineux ;
modulation de polarisation : polarisation de l’onde ;
modulation de fréquence, de temps : changement de la fréquence de l’onde

Mesures disponibles

Débits, vitesses, longueurs et formes de véhicules, temps de présence, taux d’occupation, temps et distance inter-véhiculaire, distance capteur/véhicule.

Limites de fonctionnement

Avantages :

une insensibilité aux perturbations électromagnétiques ;
une isolation électrique entraînant une plus grande sécurité dans son fonctionnement et dans son installation ;
un temps de réponse rapide ;
un poids faible par rapport au cuivre notamment ;
une large plage de mesures possibles ;
une mesure pouvant être sans contact et sur une longue distance ;
une absence d’alimentation au point de mesure.
faible perte de signal
communication bidirectionnelle.

Inconvénients :

pertes engendrées par la courbure de la fibre
fragilité et coût des connecteurs
mesures par contact.

Technologies connexes