CN105300575A - 监测沥青路面压应力的机敏材料传感器、制作及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了监测沥青路面压应力的机敏材料传感器、制作及使用方法，包括由机敏材料制成的且能感知压应力变化的传感器元件，所述传感器元件内置两个电极，内置电极外部需连接外部线路供测量使用，在内置电极接线端涂抹有保护层，传感器元件表面设有封装层；本发明所述机敏材料元件具有优良的机敏性能，能将受力情况转换为电信号，是传感器的核心组成部分，能适用于压应力的检测，可靠度高，精确度好。

Description

监测沥青路面压应力的机敏材料传感器、制作及使用方法

技术领域

本发明涉及道路监测领域，具体涉及一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器及其制作方法。

背景技术

沥青类路面是我国主要的路面结构形式。由于沥青路面材料、结构、施工工艺的复杂性，沥青路面结构的力学分析、现场监测十分困难，路面设计和应用者难以准确掌握沥青路面的力学状态，这对沥青路面结构设计与维修方案的确定十分不利，并导致大量的沥青路面早期损坏，由此发生严重的工程量浪费，对行车造成不利影响，并引发其他社会和环境问题。在温、湿和车辆荷载作用的复杂环境下，沥青混凝土结构层的力学状态十分复杂。准确掌握沥青路面结构的力学状态对于路面的科学设计，减少沥青路面的早期损坏至关重要。

目前，监测路表弯沉是工程界评价路面结构力学状态的常用方法，由于分析方法、材料参数等影响，采用这种方法难以得到路面结构内部的实际力学状态，无法为路面结构的设计、养护提供科学依据，沥青结构层内部力学状态的测试显得十分必要。

目前，沥青路面结构应力应变的监测中，电阻式应变片占主导地位，光纤光栅技术也有应用。但由于传统监测元件需要在沥青混凝土中预埋并高温碾压，这种特殊的成型工艺和恶劣的工作环境使得监测元件成活率低、耐久性差。

因此，亟需一种成本低廉、可靠、耐久性好的沥青结构层内部应力应变测试技术。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器及其制作方法，该机敏材料传感器，预埋或后植入沥青结构层中，使用本机敏材料传感器可以监测沥青路面压应力。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，包括由机敏材料制成的且能感知压应力变化的传感器元件，所述传感器元件内置两个电极，内置电极外部需连接外部线路供测量使用，在内置电极接线端涂抹有保护层，传感器元件表面设有封装层；

所述传感器元件采用熔融PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯英文名:polyethyleneterephthalate，简称PET)、河砂掺加石墨导电相拌合而成，采用的配合比即质量比为，石墨：PET及河砂混合物＝13％；PET：河砂＝1:3。

进一步的，所述河砂的级配为：

进一步的，传感器元件为柱体，可以为棱柱体或圆柱体。

进一步的，柱体高的确定应考虑需监测结构层的厚度，柱体高小于监测结构层厚度；柱体底面任意两点连线长度应小于等于柱体的高。

进一步的，所述内置电极所在平面应垂直受力方向，内置电极所在平面应平行于柱体底面。

进一步的，所述内置电极应尽量贴近柱体底面，但需预留一定的保护层厚度，即内置电极距离柱体底面的距离应不小于1cm。

进一步的，内置电极可为网状或线圈状，也可独立的形成一个平面。

进一步的，内置电极材料可采用不锈钢、铜、铝或合金。

进一步的，外部线路可用橡胶软管、塑料软管进行套装。

进一步的，机敏材料传感器的灵敏度可达1～3％/MPa，测试范围即为输出最大电阻变化率与最小电阻变化率的差值可为2％～6％，传感器的失效区间为＞20MPa，工作的温度范围为-20～70℃。机敏材料传感器实际操作中，需要考虑温度补偿，具体为：在同一断面埋置相同传感器，使其位于路面边缘不受力的位置，仅受周围环境的影响，用于监测环境温度的变化，得到温度与电阻变化率之间的关系，在监测应力过程中，机敏材料传感器所得电阻变化率应减去此处所得温度引起的电阻变化率。进而消除温度对传感器监测路面应力的影响。

进一步的，一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器的制作方法，包括：

机敏材料传感器元件的制作：采用熔融PET、河砂掺加石墨导电相拌合而成，采用的配合比即质量比为，石墨：PET及河砂混合物＝13％；PET：河砂＝1:3；

传感器元件采用内置两个电极，两个电极所在平面平行于柱体底面；(两个电极所在平面平行于柱体底面，这么设置的目的在于将传感器埋置时柱体底面平行于路面结构层,从而实现内置的电极所在平面垂直受力方向。)

传感器元件内置电极外部需连接外部线路供测量使用，还应在接线端涂抹保护层进行防护，对引出线路应进行外装防护；

外部线路可用橡胶软管、塑料软管等进行套装；

传感器元件表面需进行封装，避免传感器元件与外部环境直接接触，起到隔离保护的作用。

一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器的使用方法，包括：

在使用时，机敏材料传感器埋置在车辆行驶轨迹线以下，路面结构层以内，同时还需要满足埋置在需监测路面结构层的顶部或内部，且埋置时柱体底面应平行于路面结构层；

机敏材料传感器在使用前应进行标定，得到其应力—电阻变化率的关系图；

根据应力—电阻变化率的关系图，得此机敏材料传感器应力—电阻变化率关系表达式，从而测知路面压应力。

进一步的，计算应力监测元件所得电阻变化率时需要考虑温度补偿，具体操作方法为在同一断面埋置相同的传感器，使其位于路面边缘不受力的位置，仅受周围环境的影响，用于监测环境温度的变化，得到温度与电阻变化率之间的关系，在监测应力过程中，应力监测元件所得电阻变化率应减去此处所得温度引起的电阻变化率。进而消除温度对传感器监测路面应力的影响。

进一步的，得到其应力—电阻变化率的关系图的过程为：使用压力机对机敏材料传感器预压，采用荷载类型为0.1kN/s，施加至最大应力为2MPa，并在施压过程中进行电阻采集，计算电阻变化率。

本发明为一种适于道路沥青路面复杂环境条件的PET基复合机敏材料传感器。本专利提供了此传感器压应力状态下的外观形态、封装方式、线路搭接方式等，并给定传感器的失效区间、监测区间、灵敏度及工作的温度范围。

本发明的有益效果：

1.本发明所述机敏材料元件具有优良的机敏性能，能将受力情况转换为电信号，是传感器的核心组成部分，能适用于压应力的检测，可靠度高，精确度好。

2.本发明所述传感器能应用于复杂的道路环境，并能获得可靠的数据反馈。在预埋时，能适应沥青路面高温施工、碾压的恶劣条件，成活率高。在日常使用中，能适应不同的沥青路面温湿度状况。

3.本发明所述传感器各元件组成原料来源广泛，价格低廉，成型工艺较为简单，成本低廉，能有效降低沥青路面力学状态监测成本，可以大量推广，广泛应用。

4.本发明所述传感器耐久性良好，能承受车辆荷载的反复作用，长期应用于沥青路面力学状态监测。

附图说明

图1是传感器元件在压应力状态下的棱柱体形态；

图2是传感器元件在压应力状态下的圆柱体形态；

图3是传感器元件在压应力状态下的应力—电阻变化率曲线；

其中，1为传感器元件，2为内置电极，3为外部线路。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1、2所示，一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，包括由机敏材料制成的且能感知压应力变化的传感器元件1，所述传感器元件1内置两个电极，内置电极2外部需连接外部线路3供测量使用，在内置电极2接线端涂抹有保护层，传感器元件表面设有封装层；

压应力状态下，即所述传感器监测沥青路面结构层层顶压应力，传感器元件1的形态为柱体，即棱柱体(三棱柱、四棱柱等)或圆柱体，埋置时柱体的底面应平行于沥青结构层。其具体尺寸应根据沥青结构层中需监测的沥青面层的厚度而定，柱体高的确定应考虑需监测结构层的厚度；柱体底面任意两点连线长度应小于等于柱体的高。

传感器元件采用内置两个电极，内置电极2所在平面应垂直受力方向，此处内置电极2所在平面应平行于柱体底面。内置电极2应尽量贴近柱体底面，但需预留一定的保护层厚度，即内置电极2距离柱体底面的距离应不小于1cm。内置电极2可为网状(如图1、2)、线圈状等，也可独立的形成一个平面。内置电极2材料可采用不锈钢、铜、铝、合金等材料。尺寸为适应于传感器元件尺寸。

传感器元件1内置电极外部需连接外部线路3供测量使用，还应在接线端涂抹保护层进行防护，对引出线路应进行外装防护。如线路可用铜导线进行焊接，并在焊接处涂抹树脂材料等进行封装保护，涂抹的材料应满足绝缘、防潮防腐、耐高温(200℃)等要求，使焊接处与外界隔绝。外部线路3可用橡胶软管、塑料软管等进行套装,应满足绝缘、防潮防腐、耐高温(200℃)等要求，以达到保护目的。

传感器元件1表面需进行封装，避免传感器元件1与外部环境直接接触，起到隔离保护的作用。封装层应尽量薄，封装材料满足绝缘、防腐防潮保护等要求。如可采用沥青进行封装，在元件表面涂抹一个薄层。

如图3所示，传感器元件1具有良好的压敏性能，能感应外部压应力变化，进而体现在元件的导电性发生变化，以达到监测压应力的目的。由其传感器元件1试验曲线可得出传感器的失效区间、监测区间、灵敏度及工作的温度范围等参数。

由传感器元件1组成材料PET基机敏材料的抗压强度知，材料的抗压强度在31.79MPa，考虑安全系数及路面实际承受荷载，传感器的失效区间为＞20MPa。

传感器的监测区间即其测试范围，表征系统能够承受最大输入量的能力，可由以下公式计算：

Y_FS＝Y_H-Y_L，

其中，Y_FS为测试范围，Y_H为测量上限所输出量的平均值(％)，Y_L为测量下限所输出量的平均值(％)。

此处测试范围即为输出最大电阻变化率与最小电阻变化率的差值，如图3所示为2.59％。考虑传感器的差异性，测试范围可为2％～6％。

传感器灵敏度是指测量系统输出量的变化量是指测量系统输出量的变化量Δy与输入量的变化量Δx的比值：

灵敏度＝Δy/Δx

在此处，输入量为应力，输出量为电阻变化率时，灵敏度即为：

$K_{\mathrm{\σ}}=\frac{\mathrm{\Δ}(\mathrm{\Δ}R/R)}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\σ}}$

其中，K_σ为应力对应的灵敏度系数，ΔR/R为电阻变化率，Δσ为应力变化量。

如图3所示，灵敏度即为1.295％/MPa。考虑其差异性，传感器的灵敏度可达1～3％/MPa。

传感器在使用前应进行标定，得到其应力—电阻变化率关系图，以指导使用。具体操作为：使用压力机对传感器预压，采用荷载类型为0.1kN/s，施加至最大应力为2MPa，并在施压过程中进行电阻采集，计算电阻变化率。如图3所示，得到的试验曲线如图，由图可知，此传感器应力—电阻变化率关系为：

y＝1.0308e+05*x^{3}-3765.8*x^{2}+115.09*x-0.18738(r²＝0.9913)

其中，y表示所受应力，x表示电阻变化率。

传感器工作的温度范围，考虑元件机敏性能与温度的关系，传感器工作的温度范围为-20～70℃。实际操作中，需要考虑温度补偿，具体操作方法为在同一断面埋置相同传感器，使其位于路面边缘不受力的位置，仅受周围环境的影响，用于监测环境温度的变化，得到温度与电阻变化率之间的关系，在监测应力过程中，应力监测元件所得电阻变化率应减去此处所得温度引起的电阻变化率。进而消除温度对传感器监测路面应力的影响。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，包括由机敏材料制成的且能感知压应力变化的传感器元件，所述传感器元件内置两个电极，内置电极外部需连接外部线路供测量使用，在内置电极接线端涂抹有保护层，传感器元件表面设有封装层；

所述传感器元件采用熔融PET、河砂掺加石墨导电相拌合而成，采用的配合比即质量比为，石墨：PET及河砂混合物＝13％；PET：河砂＝1:3。

2.如权利要求1所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，传感器元件为柱体，可以为棱柱体或圆柱体。

3.如权利要求2所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，柱体高的确定应考虑需监测结构层的厚度，柱体高应小于监测结构层厚；柱体底面任意两点连线长度应小于等于柱体的高。

4.如权利要求1所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，所述内置电极所在平面应垂直受力方向，内置电极所在平面应平行于柱体底面。

5.如权利要求4所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，所述内置电极应尽量贴近柱体底面，但需预留一定的保护层厚度，即内置电极距离柱体底面的距离应不小于1cm。

6.如权利要求4所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，内置电极可为网状或线圈状，也可独立的形成一个平面。

7.如权利要求4所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，内置电极材料可采用不锈钢、铜、铝或合金。

8.如权利要求1所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，其特征是，机敏材料传感器的灵敏度可达1～3％/MPa，测试范围即为输出最大电阻变化率与最小电阻变化率的差值可为2％～6％，传感器的失效区间为＞20MPa，工作的温度范围为-20～70℃。

9.基于权利要求1所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器的制作方法，其特征是，包括：

机敏材料传感器元件的制作：采用熔融PET、河砂掺加石墨导电相拌合而成，采用的配合比即质量比为，石墨：PET及河砂混合物＝13％；PET：河砂＝1:3；

传感器元件采用内置两个电极，两个电极所在平面平行于柱体底面；

传感器元件内置电极外部需连接外部线路供测量使用，还应在接线端涂抹保护层进行防护，对引出线路应进行外装防护；

外部线路可用橡胶软管、塑料软管进行套装；

传感器元件表面需进行封装，避免传感器元件与外部环境直接接触，起到隔离保护的作用。

10.基于权利要求1所述的监测沥青路面压应力的机敏材料传感器的使用方法，其特征是，包括：

机敏材料传感器埋置在车辆行驶轨迹线以下，路面结构层以内，同时还需要满足埋置在需监测路面结构层的顶部或内部，且埋置时柱体底面应平行于路面结构层；

机敏材料传感器在使用前应进行标定，得到其应力—电阻变化率的关系图；

根据应力—电阻变化率的关系图，则此机敏材料传感器应力—电阻变化率关系表达式，从而测知路面压应力；

计算应力监测元件所得电阻变化率时需要考虑温度补偿，具体操作方法为在同一断面埋置相同的传感器，使其位于路面边缘不受力的位置，仅受周围环境的影响，用于监测环境温度的变化，得到温度与电阻变化率之间的关系，在监测应力过程中，应力监测元件所得电阻变化率应减去此处所得温度引起的电阻变化率，进而消除温度对传感器监测路面应力的影响。