CN101560749B - 一种用于检测沥青路面动力响应的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，包括由弹性元件与分别安装在弹性元件两端的固定元件组成的“工”字形结构、布设在弹性元件中部且对被检测沥青路面动力响应进行实时检测的敏感元件即应变片，和套装在弹性元件中部且检测时用以保护敏感元件不受外侧被检测沥青路面的沥青混凝土料损害的保护套管；弹性元件为由弹性模量与沥青混凝土模量相近的材料制成且能传递被检测路面沥青混凝土料变形的圆柱杆；固定元件为检测中保证弹性元件与被检测路面沥青混凝土料协调变形，并防止敏感元件随弹性元件进行方向变动的端杆。本发明结构简单、体积小、成本低且检测灵敏度高，能有效解决现有沥青路面动力响应检测过程中所存在多种实际问题。

Description

一种用于检测沥青路面动力响应的传感器

技术领域

本发明涉及移动荷载下沥青路面动力响应研究技术领域，尤其是涉及一种用于检测沥青路面动力响应的传感器。

背景技术

移动荷载下沥青路面动力响应是国际道路界研究的热点，是解决和解释现有路面出现严重的早期破坏、车辙等多种形式病害的必要条件，是路面结构从静态设计向动态设计转化的基础。采用置入式传感器，研究实际交通荷载下沥青路面的应力应变是进行路面结构动力响应研究的有效手段，但受路面施工时的复杂而恶劣条件限制，目前该方面研究用的传感器在国内还是空白，研究开发实用可行的传感器是进行路面结构动力响应试验研究的关键，也是目前的一个薄弱环节。国外相应的传感器也较少，价格昂贵，而且，国外道路结构与国内道路结构差异较大，国外都是用于检测面层的动力响应，至今未见到用来进行基层及稳定层动响应检测的相关报道，而我国路面破坏主要或首先发生在基层和稳定层，综上，进行交通荷载下基层和稳定层动力响应显得尤为必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其结构简单、体积小、成本低且检测灵敏度高，能有效解决现有沥青路面动力响应检测过程中所存在多种实际问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：包括由弹性元件与两个分别安装在弹性元件两端的固定元件组成的“工”字形结构、布设在弹性元件中部且对被检测沥青路面动力响应进行实时检测的敏感元件，和套装在弹性元件中部且施工时用以保护敏感元件不受沥青混凝土损害的保护套管；所述敏感元件为应变片；

所述弹性元件为由弹性模量与沥青混凝土模量相近的材料制成，能传递被检测路面沥青混凝土料变形的圆柱杆；固定元件为检测过程中保证弹性元件与所述被检测路面沥青混凝土料协调变形，并防止施工过程中弹性元件方向发生变动的端杆。

还包括与所述应变片分别连接在交流电桥相邻两个桥臂中的温度补偿片，所述交流电桥的另外两个桥臂中接有定值电阻R1和R2；

所述温度补偿片贴装在与弹性元件材质相同的弹性杆件上，所述弹性杆件放置在保护壳内；

所述应变片和温度补偿片间的连接点A与电阻R1和R2间的连接点B分别接所述交流电桥供电电源U_i的电源正负端，所述应变片和电阻R1的连接点C与温度补偿片和电阻R2间的连接点D分别为所述交流电桥输出电源U。的正负电源输出端。

所述弹性元件和弹性杆件均为尼龙棒。

所述固定元件为由金属材料制成的硬质金属杆。

所述保护套管为圆柱形套管，所述保护壳为圆柱形金属管。

所述圆柱形套管由金属套管，以及安装在金属套管左右两端部的左圆环状端盖和圆环状端盖组成；所述左圆环状端盖和圆环状端盖中部开有供弹性元件穿过的通孔，左圆环状端盖和/或圆环状端盖上开有接线孔。

所述左圆环状端盖和圆环状端盖均由聚四氟乙烯材料制成。

所述固定元件的上表面高度高于弹性元件的上表面高度。

所述保护壳为金属制壳体。

所述固定元件通过螺栓固定在弹性元件左右两端，弹性元件的左右两端部设置有与螺栓相对应的外螺纹。

本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明不仅能够抵抗沥青混凝土的高温和强剪切破坏作用，而且压路机压实后成活率在80％以上，而国外相关产品的成活率均小于50％。2、灵敏度高，抗噪声能力强，即使只有3-5个微应变，本发明也能进行正常检测且检测效果良好，能够满足野外道路结构动响应检测要求。3、不但能够检测交通荷载下的面层底部动力响应，而且能够检测基层与稳定层结构的动力响应，满足半刚性基层沥青路面动力响应试验研究要求。4、采用半桥电路，结构简单，易于加工。5、成本低，价格便宜，成本约100元/套。6、检测性能良好，具体表现在以下几个方面：1)不影响路面结构的力学性能：将本传感器放入沥青混凝土道路中后，能跟随道路结构一起变形，属于强制变形；由于沥青混凝土本身为柔性材料，如果传感器应变片外部所使用的弹性元件或保护装置刚度太大，则就增加了检测位置的刚度，影响检测精度，最终失去试验的意义。本发明中采用材料模量稍低于沥青混合料模量的材料制作弹性元件，克服以上问题；2)结构尺寸小：由于路面结构属于层状结构体系，尤其是面层结构，厚度比较小，耐磨层厚度一般为3-5cm，特别是在深度方向，其传感器的结构要求比较高，而本发明的高度小于2cm，且整体结构比较小，因而能满足沥青路面的动力响应检测需求；3)耐高温：路面施工时，沥青混凝土材料温度较高，尤其是改性沥青温度常常达到185℃，高温状态不但会对埋入的传感器产生结构性破坏，而且对传感器的力学性能也产生严重的破坏，因而沥青路面检测时对传感器敏感元件、弹性元件以及硅胶和导线都提出一定的耐高温要求，而本发明所使用的各组件均具有耐高温性能，因而能满足高温状态下的动力响应检测需求；4)抗剪切：道路结构施工时，在大吨位钢轮压路机的振动和胶轮压路机的揉搓作用下，带有一定棱角的石料对传感器及信号传输设备施加强大的剪切力，从而破坏传感器，这也是影响传感器成活率的主要因素，本发明应变片外部所采用的保护装置结构稳定，具有较强的抗剪切能力；5)灵敏度高：根据美国和加拿大工作者研究成果分析，典型交通荷载下，面层底部最大弯拉应变约90～120με，而我国采用的半刚性基层沥青路面结构的基层刚度较大，面层底部弯拉应变更小，因此要求传感器的精度达到1个微应变，本发明的检测灵敏高，即使只有3-5个微应变，也能进行有效检测。综上所述，本发明结构简单、体积小、成本低且检测灵敏度高，能有效解决现有沥青路面动力响应检测过程中所存在多种实际问题。

下面通过附图和实例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明传感器的结构示意图。

图2为本发明右圆环状端盖的结构示意图。

图3为图1的俯视图。

图4为本发明的电路原理图。

图5为本发明所检测得出的沥青路面上面层纵向动力响应曲线图。

图6为本发明所检测得出的沥青路面下面层纵向动力响应曲线图。

图7为本发明所检测得出的沥青路面上基层纵向动力响应曲线图。

图8为本发明所检测得出的沥青路面底基层纵向动力响应曲线图。

附图标记说明：

1-弹性元件；  2-固定元件；      3-敏感元件；

4-保护壳；    5-弹性杆件；      6-温度补偿片；

7-1-金属套管；7-2-左圆环状端盖；7-1-右圆环状端盖；

8-接线孔；    9-螺栓。

具体实施方式

如图1、图2、图3及图4所示，本发明包括由弹性元件1与两个分别安装在弹性元件1两端的固定元件2组成的“工”字形结构、布设在弹性元件1中部且对被检测沥青路面动力响应进行实时检测的敏感元件3，和套装在弹性元件1中部且施工时用以保护敏感元件3不受沥青混和料损害的保护套管。所述敏感元件3为应变片。本实例中，所述应变片贴装在弹性元件1上。

所述弹性元件1为由弹性模量与沥青混凝土模量相近的材料制成，且能传递被检测路面沥青混凝土料变形的圆柱杆。所述固定元件2为检测过程中保证弹性元件1与所述被检测路面沥青混凝土料协调变形，并防止施工时敏感元件3随弹性元件1发生方向变动的端杆。

另外，本发明还包括与所述应变片联接在交流电桥相邻两个桥臂中的温度补偿片6，所述交流电桥的另外两个桥臂中联接有定值电阻R1和R2。所述温度补偿片6贴装在与弹性元件1材质相同的弹性杆件5上，所述弹性杆件5放置在保护壳4内。所述应变片和温度补偿片6间的连接点A与电阻R1和R2间的连接点B分别接所述交流电桥供电电源U_i的电源正负端，所述应变片和电阻R1的连接点C与温度补偿片6和电阻R2间的连接点D分别为所述交流电桥输出电源U_o的正负电源输出端。也就是说，所述保护壳4、置于保护壳4内部的弹性杆件5以及贴装在弹性杆件5上的温度补偿片6组成本发明的温度补偿部件。

本实施例中，所述弹性元件1和弹性杆件5均为尼龙棒，所述固定元件2为由金属材料制成的硬质金属杆。所述固定元件2的上表面高度高于弹性元件1的上表面高度。所述固定元件2通过螺栓9固定在弹性元件1左右两端，弹性元件1的左右两端部设置有与螺栓9相对应的外螺纹。另外，所述保护套管为圆柱形套管，所述保护壳4为圆形金属管且具体为铁制壳体。

所述圆柱形套管由金属套管7-1，以及安装在金属套管7-1左右两端部的左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3组成。所述左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3中部开有供弹性元件1穿过的通孔，左圆环状端盖7-2和/或圆环状端盖7-3上开有接线孔8。所述左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3均由聚四氟乙烯材料制成。

实际加工制作时，之所以将对被检测沥青路面动力响应进行实时检测的敏感元件3即所述应变片贴装在所述“工”字形结构中部，具体贴装在弹性元件1中部，一方面是由于弹性元件1为由弹性模量与沥青混凝土材料沥青混凝土模量接近的尼龙材料制成的圆柱杆，具体而言：将应变片贴装在弹性元件1上并放入被检测沥青路面沥青混凝土料中进行检测时，所述弹性元件1能很好地传递被检测沥青路面沥青混凝土料的变形，并且弹性元件1也不会改变被检测路面的结构刚度，从而保证了使用本发明进行检测时不会破坏被检测沥青路面的结构力学性能，因而检测结果真实有效。另一方面是由于安装在弹性元件1左右两端部的两个固定元件2且所述两个固定元件2为金属杆，两个固定元件2的作用主要表现在：第一、保证在交通荷载下，当被检测沥青路面的沥青混合料发生变形后，两个固定元件2能拉着弹性元件1一起随着所述被检测沥青路面沥青混合料的变形而进行变形，即两个固定元件2能保证检测过程中弹性元件1与所述被检测路面沥青混凝土料进行协调变形，这样通过本发明所测试的结果则为被检测沥青路面各个结构层的真正弯拉应变；第二、两个固定元件2能起到稳定作用，具体是能防止在压路机碾压时被检测沥青路面沥青混合料发生流动变形从而带动弹性元件1发生方向变动，随之相应带动贴装在弹性元件1上的应变片发生方向变动的情形，否则的话通过本发明所测得的检测结果就不再是理想方向的弯拉应变，综上，本发明能防止敏感元件3随弹性元件1进行轴向转动而影响检测结果。

实际使用过程中，套装在弹性元件1中部的圆柱形金属套管，一方面能保护套装在其内的所述应变片不受被检测沥青路面沥青混合料的挤压而被破坏，另一方面还使得所述应变片的检测性能不受被检测沥青路面沥青混合料刚铺上时的高温作用影响(经实际测试发现：在铺设沥青路面时，所用的沥青混合料刚铺上时的温度比较高，有时达到190度，一般需过大约半小时后，温度才会降下来)。本实施例中，所述圆柱形套管由金属套管7-1以及左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3组成，也就是说，金属套管7-1与弹性元件1之间通过左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3进行间隔，并且左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3均由材料模量小于沥青混合料模量的聚四氟乙烯材料制成，因而通过左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3能够有效防止检测过程中外界作用在金属套管7-1的压力传递到弹性元件1上，否则，相当于弹性元件1上需承受检测时作用在左圆环状端盖7-2和圆环状端盖7-3位置的集中作用力，使得弹性元件1不能对被检测沥青路面沥青混凝土料的变形进行很好地传递，最终破坏了本发明对被检测路面进行检测时的力学模型。综上，所述圆柱形金属套管的实际测试过程中，能起到很好的防护性能。

安装本发明时，应保证弹性元件1与被检测沥青路面下一层路面结构的上表面接触良好，这样，所检测到的动力响应曲线即为上一层结构的面层底部动力响应。

本发明实际工作时，采用交流电桥电路方式进行测试，其中电阻R1和R2为定值电阻，检测过程中电阻值不变，所述交流电桥电路的另外两个相邻桥臂分别接入所述应变片和温度补偿片6，温度补偿片6黏贴在弹性杆件5上，并且放置于保护壳4内，以保证温度补偿片6感受不到由于车辆荷载引起的应变。所述弹性元件1和固定元件2组成的“工”字形结构、敏感元件3即应变片以及保护套管组成沥青路面动力响应检测结构，保护壳4、弹性杆件5以及温度补偿片6组成温度补偿部件。实际测试时，将所述温度补偿部件放置在沥青路面动力响应检测结构旁边，以保证所述应变片的温度与所述温度补偿部件的温度相同，以起到良好的温度补偿作用。结合图5至图8，采用本发明所检测得出的沥青路面动力响应曲线图，可看出本发明的检测灵敏度高，能有效解决现有沥青路面动力响应检测过程中所存在多种实际问题。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：包括由弹性元件(1)与两个分别安装在弹性元件(1)两端的固定元件(2)组成的“工”字形结构、布设在弹性元件(1)中部对被检测沥青路面动力响应进行实时检测的敏感元件(3)，和套装在弹性元件(1)中部用以保护敏感元件(3)不受沥青混合料损害的保护套管；所述敏感元件(3)为应变片；

弹性元件(1)为由弹性模量与沥青混凝土模量相近的材料制成的圆柱杆；固定元件(2)保证检测过程中弹性元件(1)与被检测路面沥青混和料协调变形，并防止施工过程中弹性元件(1)的方向发生变动。

2.按照权利要求1所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：还包括与所述应变片连接在交流电桥相邻两个桥臂中的温度补偿片(6)，所述交流电桥的另外两个桥臂中接有定值电阻R1和R2；

所述温度补偿片(6)贴装在与弹性元件(1)材质相同的弹性杆件(5)上，所述弹性杆件(5)放置在保护壳(4)内；

所述应变片和温度补偿片(6)间的连接点A与电阻R1和R2间的连接点B分别接所述交流电桥供电电源U_i的电源正负端，所述应变片和电阻R1的连接点C与温度补偿片(6)和电阻R2间的连接点D分别为所述交流电桥输出电源U_o的正负电源输出端。

3.按照权利要求2所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述弹性元件(1)和弹性杆件(5)均为尼龙棒。

4.按照权利要求1或2所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述固定元件(2)为由金属材料制作的杆件。

5.按照权利要求2所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述保护套管为圆柱形金属套管。

6.按照权利要求5所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述圆柱形金属套管由金属套管(7-1)，以及安装在金属套管(7-1)左右两端部的左圆环状端盖(7-2)和圆环状端盖(7-3)组成；所述左圆环状端盖(7-2)和圆环状端盖(7-3)中部开有供连接敏感元件(3)的导线穿过的通孔，左圆环状端盖(7-2)和/或圆环状端盖(7-3)上开有接线孔(8)。

7.按照权利要求6所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述左圆环状端盖(7-2)和圆环状端盖(7-3)均由聚四氟乙烯材料制成。

8.按照权利要求1或2所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述固定元件(2)的上表面高度高于弹性元件(1)的上表面高度。

9.按照权利要求2所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述保护壳(4)为金属制壳体。

10.按照权利要求1、2或3所述的一种用于检测沥青路面动力响应的传感器，其特征在于：所述固定元件(2)通过螺栓(9)固定在弹性元件(1)左右两端，弹性元件(1)的左右两端部设置有与螺栓(9)相对应的外螺纹。

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