La presente invención se centra en un dispositivo o sensor que detecta la presencia en un zona o región local de la calzada de de hielo,

agua, nieve y otras sustancias en la superficie de la calzada. Este dispositivo comprende dos o más fuentes láser a distintas longitudes de onda y medios de detección opto electrónicos y electrónicos adaptados para detectar cambios relacionados con el índice de refracción complejo de una región de la calzada asociados a la presencia de dichas sustancias. Comprende el uso de técnicas de modulación y de modulación de señal para proporcionar un dispositivo de altas sensibilidad, alcance, siendo compacto y susceptible de uso en vehículos.

DISPOSITIVO PARA LA MEDIDA DEL ESTADO DE LA CALZADA

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se centra en un dispositivo o sensor y un método que detecta la presencia en una región o zona local de la calzada de hielo, agua, y otras sustancias en la superficie de la calzada.

Esta información es esencial para los vehículos de mantenimiento de carreteras para determinar las necesidades de tratamiento de la misma (por ejemplo echar sal) . También, la degradación en las condiciones de tracción es de interés para los usuarios de la carretera, especialmente importante en situaciones donde la presencia de estos elementos no es evidente al conductor (por ejemplo la presencia de hielo negro) .

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En el estado de la técnica se presentan soluciones que hacen uso de sensores insertados en la calzada, lo que necesita de una infraestructura sobre la vía. Por tanto estas soluciones no son adecuadas para ser incorporadas en vehículos tales como automóviles. Además, estos sensores se ven afectados por la condición del firme, que se degrada debido al tráfico, fenómenos externos, o fenómenos naturales.

Otros sistemas presentes en el estado de la técnica detectan la presencia de sustancias en base a técnicas ópticas. Utilizan sistemas basados en propiedades ópticas porque permiten detectar la sustancia o especie química, de una manera no solo cualitativa sino susceptible de llevar a una cuantificación. Los sistemas presentes en el estado de la técnica presentan los siguientes problemas.

Algunos presentan partes mecánicas móviles en sistemas ópticos críticos para asegurar la detección de parámetros de la superficie de la calzada como agua o hielo.

Aquellos que necesitan partes mecánicas móviles son extremadamente vulnerables a fatigas mecánicas y degradaciones lo que repercute en la calidad de la medida y presentan problemas al incorporarlos en vehículos debido a las vibraciones, golpes e inercias que deben soportar durante su vida útil.

Otros sistemas basados en la medición de propiedades ópticas implican medir en unas condiciones de alineamiento óptico que presentan dificultades a la hora de ser implementadas de forma práctica y dificultan su aplicación a vehículos.

Estas dificultades están presentes en aquellos sistemas implementados en base a detectar estados polarizados. También existen otros sistemas basados en la reflexión de luz por parte de una sola fuente luminosa de ancho espectro, lo que presenta dificultades porque no permiten regular la potencia para cada haz, lo que limita la capacidad de detección y también el alcance, y presentan dificultades de alineamiento óptico.

Junto con lo anterior existe una necesidad para la estimación de parámetros tales como los espesores de capa de hielo. Es deseable por tanto una detección precisa que permita acceder a parámetros adicionales tales como el espesor de capa de las sustancias en la calzada y en particular de hielo.

Además es necesario aumentar el rango de alcance efectivo en algunos casos, y para estos casos, es necesario superar problemas relacionados con la relación señal ruido ya que la intensidad de la radiación detectada disminuye cuando se aumenta la distancia a la superficie. Este hecho hace necesario un mayor poder de detección y sensibilidad así como hacer posible estimar el espesor de la capa de la fase de una sustancia, parámetros que permiten implementar modelos de fricción con la calzada, o una combinación de los mismos.

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo y un método para la detección de un estado de la superficie de la calzada en una determinada región de verificación.

Se denomina como región o zona de verificación a un determinado área donde se lleva a cabo la medida. El estado en que se encuentra esta región de verificación depende de la presencia o no presencia de una sustancia en la región de verificación (como por ejemplo si hay o no hay agua) , la fase termodinámica de una sustancia sobre la región de verificación (si hay o no hielo) , o los parámetros de las capas de una sustancias (espesor de capa de hielo) , o una combinación de los anteriores. También se denomina "condición" al valor de estado de la superficie de la calzada. Así, la detección de una condición de estado comprende la distinción entre la presencia o no presencia de una sustancia en la región de verificación (como por ejemplo si hay o no agua) , o entre dos estados de una sustancia (agua en fase líquida, hielo) . El dispositivo de la invención permite detectar mediante medios opto electrónicos si dicha región de verificación presenta un estado tal como la presencia de sustancias (como agua) , la presencia de sustancias en una determinada fase (agua en fase sólida, hielo, o en fase líquida) . Dicho dispositivo se encuentra definido por la reivindicación 1 independiente. En un segundo aspecto inventivo se proporciona un método para detectar una condición de estado de la superficie de la calzada en una determinada región de verificación según la reivindicación 11 independiente. Ambas reivindicaciones se incorporan por referencia a esta descripción.

Un primer aspecto inventivo comprende un dispositivo para proporcionar una medida basada en las propiedades del índice de refracción de la región de verificación de la calzada asociadas a una condición de estado. Esto es, una condición para distinguir entre dos estados de esta región de verificación como la presencia de una sustancia (por ejemplo, la presencia de agua) .

El dispositivo está formado por al menos el siguiente conjunto de componentes y un conjunto de reglas técnicas de acuerdo con la reivindicación 1. A continuación, se detalla cada una de ellas:

‘un primer grupo de emisión ‘.

El primer grupo de emisión comprende un conjunto de medios que permiten proporcionar, por ejemplo haces de radiación electromagnética altamente monocromática, preferentemente coherente, tal como un haz láser. La región de verificación tiene típicamente un tamaño similar al área da la región donde incide la radiación emitida por el grupo de emisión. Cuando se trata de un haz o haces láser, sería similar al área comprendida por el punto o puntos de incidencia del láser, lo que permite realizar una caracterización local o localizada de la superficie de la calzada.

Ventajosamente puede incorporarse también una selección del estado de polarización de la radiación emitida. Esto permite seleccionar aquella región del espectro electromagnético adecuada para la detección de esta condición.

‘una primera fuente láser que en modo operativo emite un haz con una longitud de onda λ1 donde esta primera fuente láser dispone de medios para la modulación que en modo operativo modulan la intensidad a una frecuencia f1; siendo el valor del índice de refracción de la región de verificación a la longitud de onda λ1 indistinguible cuando la región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado;'

La primera fuente láser está configurada para emitir un haz monocromático. Este haz se caracteriza porque la longitud de onda de dicho primer haz (λ1) está seleccionada de tal forma que el índice de refracción (complejo) de la región de verificación no varía a esta longitud de onda cuando esta región de verificación se encuentra en una u otra condición de estado. Esto es, es indistinguible la verificación de la condición de estado en base a la información del índice de refracción a λ1. Por tanto, magnitudes derivadas tales como la reflectividad del haz reflejado en la región de verificación no varían al presentarse o no dicha condición sobre el estado en la calzada.

Preferentemente esta longitud λ1 tiene un valor tal que la presencia de una proporción apreciable de una sustancia o especie química en la región de verificación. En el primer estado la región de verificación carece de una proporción apreciable de dicha sustancia en la región de verificación, y más preferentemente en un fase termodinámica. En el segundo estado sólo está presente una proporción apreciable de un especie química, y más preferentemente en un fase termodinámica (sólida, liquida) .

En un ejemplo (para detectar agua líquida) este rango en λ1 va de 650 - 1800 nm. Más preferentemente se trata de una región del infrarrojo (IR)

próximo,...

1. Dispositivo de detección de una condición de estado de la superficie de la calzada en una determinada región de verificación (4.1) caracterizado porque comprende - un primer grupo de emisión (1) que a su vez comprende ! una primera fuente láser (1.1) que en modo operativo emite un haz

(5.1) con una longitud de onda λ1, donde esta primera fuente láser (1.1) dispone de medios para la mo

dulación (1.1.2) que en modo operativo modulan la intensidad I1a una frecuencia f1, siendo el valor del índice de refracción de la región de verificación (4.1) a la longitud de onda λ1 indistinguible cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en una u otra condición de estado;

! una segunda fuente láser (1.2) que en modo operativo emite un haz

(5.2) con una longitud de onda λ2, donde esta segunda fuente láser (1.2) dispone de medios para la modulación (1.2.2) que en modo operativo modulan la intensidad I2a una frecuencia f2 donde esta frecuencia f2 es distinta a la frecuencia f1, siendo el valor del índice de refracción de la región de verificación

(4.1) a la longitud de onda λ2 distinto cuando la región de verificación

(4.1) se encuentra en una u otra condición de estado;

- un segundo grupo de recepción (2) que a su vez comprende: ! un medio fotodetector (2.1) destinado a recibir la radiación reflejada (5.3) que procede de la primera y segunda fuente láser (1.1, 1.2) tras incidir en la región de verificación (4.1) y que comprende una salida de señal eléctrica S1;

! una primera cadena de demodulación (2.2) alimentada por la salida de señal eléctrica S1 del medio fotodetector (2.1) y provista de una salida de señal de demodulación A1;

! una segunda cadena de demodulación (2.3) alimentada también por la salida de señal eléctrica S1 del medio fotodetector (2.1) y provista de una salida de señal de demodulación A2;

donde la primera y la segunda fuente láser (1.1, 1.2) del primer grupo de emisión (1) están orientadas de tal modo que en modo operativo la radiación de los dos haces láser (5.1, 5.2) incide en la región de verificación (4.1) , y al menos parte de la radiación reflejada (5.3) incide en el medio fotodetector (2.1) del segundo grupo de recepción (2) ; y donde el dispositivo comprende adicionalmente de un módulo de medida (3) que en modo operativo valora las magnitudes A2y A1 y compara sus relaciones con al menos un conjunto de valores que reflejan la variación del índice de refracción ante una condición de estado local de la calzada.

2. Dispositivo según la reivindicación 1 caracterizado porque el primer grupo de emisión (1) dispone de al menos una tercera fuente láser que en modo operativo emite un haz con una longitud de onda λ3, donde esta tercera fuente láser:

! dispone de medios para la modulación que en modo operativo modulan la intensidad a una frecuencia f3, distinta de las frecuencias f1y f2 de la primera y la segunda fuente láser, ! está orientada de tal modo que en modo operativo incide en la región de verificación (4.1) , y el haz reflejado incide en el medio fotodetector (2.1) del segundo grupo de recepción (2) ; y donde el segundo grupo de recepción (2) adicionalmente comprende una tercera cadena de demodulación alimentada también por la salida de señal eléctrica S1 del medio fotodetector (2.1) y provista de una salida de señal de demodulación A3; y donde el dispositivo permite mediante el módulo de medida, en modo operativo, la valoración del cociente entre las magnitudes A3y A1.

3. Dispositivo según la reivindicación 1 ó 2 caracterizado porque las fuentes láser (1.1, 1.2) así como el medio fotodetector (2.1) se encuentran en un mismo soporte.

4. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 caracterizado porque dispone de elementos o medios de guía (1.3) que conducen los haces láser (5.1, 5.2) desde las fuentes láser (1.1, 1.2) hasta un punto de emisión desde donde se orienta el punto de emisión hacia la región de verificación (4.1) .

5. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 caracterizado porque se proporciona al menos un colimador (1.3.5) para la emisión de haces colineal hacia la región de verificación (4.1) .

6. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 caracterizado porque el medio fotodetector (2.1) comprende una lente focalizadora (2.1.1) de la radiación reflejada (5.3) en la región de verificación (4.1) .

7. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque el medio fotodetector (2.1) comprende un fotodiodo (2.1.3) .

8. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 caracterizado porque el medio fotodetector (2.1) comprende un preamplificador (2.1.4) entre el fotodiodo (2.1.3) y las cadenas de demodulación (2.2, 2.3) .

9. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 caracterizado porque al menos uno de los demoduladores (2.2, 2.3) comprende un mezclador (2.2.3, 2.3.3) en donde en una de las entradas del mezclador (2.2.3, 2.3.3) se introduce la señal eléctrica S1 y en otra de las entradas del mezclador (2.2.3, 2.3.3) se introduce la señal de un oscilador (1.1.2, 1.2.2) a una de las frecuencias de modulación (f1, f2) , y la salida de este mezclador (2.2.3, 2.3.3) se introduce en un filtro paso bajo (2.2.4, 2.3.4) para detectar la amplitud en fase de la señal eléctrica S1 en fase con el oscilador local (1.1.2, 1.2.2) .

10. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 caracterizado porque al menos una de las cadenas de demodulación (2.2, 2.3) se implementa de forma numérica mediante un conversor analógico digital, un filtro antialising y un dispositivo lógico, tal como una combinación DSP, microprocesador, microcontrolador, DPS, FPGA, u otro dispositivo lógico adaptado para detectar la amplitud en fase de la señal del medio fotodetector (2.1) a una frecuencia.

11. Dispositivo según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10 en donde la potencia de al menos una de las fuentes láser (1.1, 1.2) es controlada mediante un sistema de control de potencia regulado por un valor de potencia umbral Pi y un valor de potencia proporcional a la magnitud amplitud compleja de |Ai| para cualquiera de las señales i=1, 2, 3…n.

12. Método de detección de una condición de estado de la superficie de la calzada en una determinada región de verificación (4.1) que comprende las etapas de:

- provisión de un primer haz (5.1) con una longitud de onda λ1, en donde el valor del índice de refracción de la región de verificación (4.1) a la longitud de onda λ1 es indistinguible cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en una u otra condición de estado, estando la intensidad I1de este primer haz (5.1) modulada a una frecuencia f1; y de un segundo haz (5.2) con una longitud de onda λ2, en donde el valor del índice de refracción de la región de verificación (4.1) a la longitud de onda λ2 es distinto cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en una u otra condición de estado, estando la intensidad I2 de este segundo haz (5.2) modulada a una frecuencia f2 distinta de la frecuencia f1; e incidiendo la radiación de ambos haces (5.1, 5.2) en la región de verificación (4.1) ;

- detección de la radiación reflejada (5.3) en la región de verificación (4.1) , que comprende una componente de longitud de onda λ1 y una componente de longitud de onda λ2, mediante un medio fotodetector (2.1) que transforma esta radiación electromagnética reflejada en una señal eléctrica S1;

- demodulación de la señal eléctrica S1 a frecuencias f1y f2 proporcionando los valores de una primera amplitud compleja A1 a una frecuencia f1 y de una segunda amplitud compleja A2 a una frecuencia f2;

- comparación de estos valores de la amplitud compleja A1, A2 con al menos un valor de referencia de amplitud compleja que refleja la variación del índice de refracción a la longitud de onda λ2 cuando la región de verificación (4.1) se encuentra en dicha condición de estado.

13. Método según la reivindicación 12 en donde la condición de estado se verifica si el cociente entre los módulos de la segunda amplitud compleja |A2| y de la primera amplitud compleja|A1| es mayor que un valor de referencia RREF.

OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCAS

Nº solicitud: 201031105

ESPAÑA

Fecha de presentación de la solicitud: 19.07.2010

Fecha de prioridad:

INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA

51 Int. Cl. : G01N21/17 (2006.01) G01B11/00 (2006.01)

DOCUMENTOS RELEVANTES

INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICA

Nº de solicitud: 201031105

Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) G01N, G01B Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos de búsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI

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OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201031105

Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 13.03.2012

Declaración

Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986) .

Base de la Opinión.

La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.

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OPINIÓN ESCRITA

Nº de solicitud: 201031105

1. Documentos considerados.

A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.

2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaración Se considera como el documento del estado de la técnica anterior más próximo al objeto reivindicado el documento D01.

Reivindicación independiente R1

El documento D01 describe un dispositivo para medir el espesor de una capa depositada sobre una superficie utilizando medios ópticos. Dicho espesor se determina mediante la utilización de un laser, un detector y aprovechando el índice de refracción del elemento depositado sobre la superficie (escarcha, hielo, agua, etc) . La diferencia de este documento con el objeto de la reivindicación R1 es que no existe una segunda fuente de emisión, por lo que no se pueden comparar la radiación reflejada por las dos fuentes para determinar el estado de la superficie.

El documento D02 divulga un sistema óptico de medida capaz de determinar el perfil o el espesor de un objeto. En su segundo modo de realización, este sistema incluye dos fuentes de emisión moduladas a diferentes frecuencias y actuando a la vez pero incidiendo en dos puntos diferentes ya que el espesor de la capa se determina precisamente restando la distancia calculada a partir de la radiación reflejada en ambos puntos. Por tanto, la diferencia con respecto al objeto de la reivindicación R1 sería que los láseres no inciden en el mismo punto, por tanto no se podría establecer una relación entre ambas respuestas para obtener el estado de la superficie.

El documento D03 describe un sistema óptico montado en un vehículo para determinar las propiedades de una superficie. Dicho sistema utiliza dos fuentes de emisión para determinar el espesor de la capa y el índice de refracción de la capa depositada sobre la superficie para determinar de qué tipo de elemento depositado se trata (nieve, hielo, agua, nieve derretida, etc) . Sin embargo, este sistema tampoco utiliza las dos fuentes de emisión enfocadas a un mismo punto para establecer una relación entre las radiaciones reflejadas y determinar el estado de la superficie.

El documento D04 divulga un sistema embebido en la carretera que determina las condiciones de la superficie mediante medios ópticos. Este sistema consta de un único medio emisor y dos medios receptores que recogen la radiación reflejada. Estableciendo una relación entre las amplitudes de las señales recibidas por ambos medios receptores se determina el estado de la calzada. Aunque este documento D04 si establece el estado de la calzada mediante la comparación de dos señales, éstas se generan con un único elemento emisor cuya radiación reflejada es captada por dos medios receptores diferentes mientras que en la presente reivindicación R1 las dos señales a relacionar se producen mediante la generación de dos medios emisores diferentes de un haz a distinta longitud de onda y cuya radiación reflejada es captada por un único receptor.

No sería obvio para una persona experta en la materia aplicar las características de los documentos citados y llegar a la invención como se revela en la reivindicación R1. Por lo tanto, el objeto de esta reivindicación cumple los requisitos de novedad, actividad inventiva y aplicación industrial de acuerdo con los Art. 6.1 y 8.1 LP.

Reivindicaciones dependientes R2-R11

Las reivindicaciones R2-R11 son reivindicaciones dependientes de la reivindicación R1. Teniendo en cuenta la argumentación con respecto a la reivindicación R1, la invención de acuerdo con las reivindicaciones R2-R11 cumple los requisitos de novedad, actividad inventiva y aplicación industrial de acuerdo con los Art. 6.1 y 8.1 LP.

Reivindicación independiente R12

Ninguno de los documentos citados en el Informe de Búsqueda Internacional, o cualquier combinación relevante de ellos revela un método de detección de una condición de estado de la superficie de la calzada como el descrito por la reivindicación R12. Por lo tanto, los documentos D01-D04 son sólo documentos que reflejan el estado de la técnica. En consecuencia la invención es nueva y se considera que implica actividad inventiva y que tiene aplicación industrial.

Reivindicación dependiente R13

La reivindicación R13 es dependiente de la reivindicación R12 y como ella también cumple los requisitos de la ley de Patentes con respecto a novedad y actividad inventiva.

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