CN108801336A - 一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法 - Google Patents

一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，两列压电阵列中设有数量相同的压电骨料单元，两列压电阵列中压电骨料单元之间均匀间隔布置且具有相同的间隔距离，所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统；处理系统根据时间参数获得车辆的行驶车速；根据车辆驶过压电阵列上方产生的电压大小，获得车辆的载重。本发明用于监测车辆对路面的压应力和车辆车速。相比现有压电传感器，传感性能更加灵敏和稳定。

Description

一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法
技术领域
本发明涉及智能交通系统监测技术领域，尤其涉及一种压电阵列监测车辆车速和载重的装置和方法。
背景技术
随着我国汽车保有量的快速持续增长，对道路交通管理提出了更高的要求，智能交通公路应运而生。车辆超速是造成交通事故重要原因，而车辆超载往往会对公路造成严重损坏，因而车速、车辆载重的实时监测是交通系统中的最为重要内容。目前，国内外常用的车速检测技术有雷达、激光、红外、超声波等，车辆动态称重系统包括应变式、电容式等。上述技术设备价格昂贵，且车速和车辆载重不能同时测量。
2008年，休斯顿大学宋钢兵教授系统总结了压电骨料单元在混凝土健康监测领域的成功应用。压电材料可以将受到的应力以电压的形式输出信号，且电压大小正比于所受应力。论文总结了压电骨料单元可以成功监测混凝土内部应力应变、裂纹损伤、早期强度等方面。骨料封装材料与混凝土性能高度匹配，因而埋置入混凝土内部不会导致任何损伤。同时指出埋置在混凝土内部的压电骨料单元电压输出，正比于该点处所受应力。(Song G,GuH,Mo Y L.TOPICAL REVIEW:Smart aggregates:multi-functional sensors forconcrete structures—a tutorial and a review[J].Smart Materials&Structures,2008,17(3):033001.)
目前应用在压电骨料单元中的压电材料主要为PZT陶瓷材料和PVDF压电薄膜。
PZT压电陶瓷压电性能优异，但含铅、质地易碎限制了其在智能骨料中的应用。
PVDF压电薄膜巨大的压电电压常数g33使得PVDF压电薄膜在压电骨料单元中成功应用，但是PVDF压电薄膜存在压电常数d33较小的缺点，仅有25pC/N，远小于压电陶瓷450pC/N,综合压电性能不佳。作为压电薄膜家族另一重要材料复合压电薄膜在混凝土的健康监测领域还没有被提到，且压电薄膜的型号极多，性能不断提高甚至优于PVDF薄膜。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种压电骨料单元压电阵列监测车辆车速和载重的方法，一并提出一种性能优异的锆钛酸铅/碳纳米管/聚二甲基硅氧烷压电复合薄膜，用于监测车辆对路面的压应力和车辆车速。相比现有压电传感器，传感性能更加灵敏和稳定。
为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案为：
一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，两列压电阵列中设有数量相同的压电骨料单元，两列压电阵列中压电骨料单元之间均匀间隔布置且具有相同的间隔距离，包括前置压电阵列和后置压电阵列，其中，
前置压电阵列中包括Q1、……、Qi、……、QNN个压电骨料单元；
后置压电阵列中包括H1、……、Hj、……、HNN个压电骨料单元，
其中，1≤i≤N、1≤j≤N，i、j、N均为正整数，序列号Qi的前置压电骨料单元与序列号为Hi的后置压电骨料单元之间连线与公路汽车行驶方向平行；
所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统；
处理系统根据时间参数获得车辆的行驶车速，具体是：若车辆通过前置压电阵列的时间点为T1，通过后置压电阵列的时间点为T2，并且判定车辆沿直线行驶；
则车辆的行驶速度为v＝S/Δt，其中，S为两列压电骨料的间隔距离，Δt＝T1-T2；
处理系统根据车辆驶过压电阵列上方产生的电压大小，获得车辆的载重。判断车辆是否沿直线行驶具体是：
若车辆通过压电骨料单元Qi时间点为T1，通过压电骨料单元Hj时间点为T2，满足|i-j|<K，其中，K为小于等于3的正整数，则判定车辆沿直线行驶。
前置压电阵列和后置压电阵列之间的间隔距离S为2～3m。
压电阵列中每两个压电骨料单元之间的间隔距离是5～8cm。
每个所述压电骨料单元均由柔性压电薄膜通过环氧树脂/水泥复合物封装后制得。
所述柔性压电薄膜为锆钛酸铅纳米纤维、导电相以及聚二甲基硅氧烷按质量比10：0.5：100～10：2：100均匀混合，在ITO薄膜基底上制备的复合压电材料，其中锆钛酸铅纳米纤维是通过配置溶胶凝胶，静电纺丝制备纤维、热处理之后得到。
每个柔性压电薄膜的尺寸为1cm*1cm*0.1cm；通过环氧树脂/水泥复合物封装后制得的每个所述压电骨料单元均是尺寸为长1.6cm、宽1.6cm、厚0.6cm的长方体结构，压电骨料单元封装材料为环氧树脂、水泥、固化剂按质量比1：2：1～1：3：1制得。
在路面切割出两列压电骨料单元放置孔，每个压电骨料放置孔内埋置一个压电骨料单元，每个压电骨料单元的信号输出端口连接有引出线，引出线延伸至道路外与信号采集系统并联连接，且露出的引出线为具有防水防腐蚀保护层的同轴线缆，随后用混凝土掩盖进行养护。
每个所述压电骨料单元的尺寸均为长1.6cm、宽1.6cm、厚0.6cm，每两个压电骨料放置孔之间的孔间距不小于5cm，在公路上的埋置深度为2～3cm。
有益效果：
第一、本发明提供的一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，埋置深度为2～3cm，每列阵列中包括数量相同的多个压电骨料单元，同一列中每两个压电骨料单元间隔距离相同，由于每一列中包含若干个压电骨料单元，因此汽车经过时必然会有1到2个压电骨料单元受到一定的正应力，大大提高了采集可靠性。
第二、每个压电骨料单元都有编号且为并联关系，可以用以确定汽车驶过的点位置并确定汽车是否直线行驶。
第三、本发明所提出的压电骨料单元是由柔性压电薄膜封装后制得。复合压电薄膜压电电压常数g33为75mV m/N,高于PZT压电陶瓷的26mV m/N，在外应力作用下输出电压更高。压电纤维(PZT)和多壁碳纳米管(MWCNT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)按固定质量比复合成压电薄膜。压电纤维是由静电纺丝方法制备。静电纺丝法作为一种新兴技术，配置的溶胶凝胶作为可溶性盐使得锆钛酸铅成分实现分子级的融合，其压电钙钛矿相成分更为均匀，压电性能优异。
碳纳米管作为压电相中的导电相提高极化效率的同时，与PZT纳米纤维产生力学耦合作用，使得在相同的应变下具有更大的压电输出信号。相比于水热法制备PZT单晶易于折损，静电纺丝法制备的柔性纳米压电纤维具有优异的柔韧性，在长时间的应变过程中保持其原有结构，可承受大形变、大冲击。压电薄膜优秀的性能，使得压电骨料单元在监测车辆的车速及载重表现更为优异。
第四、封装材料采用环氧树脂/水泥/固化剂的复合材料，具有很强的韧性和强度，封装后的压电骨料单元抗压强度高达49MPa，远高于混凝土材料40MPa，并且与混凝土材料具有高度的匹配性，在道路铺设过程中嵌入混凝土内部，可以做到完全不损伤结构本身，既保护压电薄膜又避免损伤混凝土路面。
第五、压电骨料单元尺寸为1.6cm*1.6cm*0.6cm，极小的体积使得其对混凝土道路内部造成的损伤减小到最低。
附图说明
图1是本发明压电阵列监测车辆车速和载重装置的结构示意图；
其中，1为公路；2为前置压电阵列；3为后置压电阵列；4为压电骨料单元；5为电阻；X为汽车行驶方向；
图2是本发明的压电骨料单元结构示意图；
其中，6为封装材料；7为柔性压电薄膜；
图3是本发明压电骨料单元尺寸与抗压强度关系图；
图4是本发明压电骨料单元尺寸和混凝土抗压强度的关系图；
图5是本发明实施例汽车驶过智能骨料上方压电骨料单元输出信号，横坐标为时间t，纵坐标为电压V的关系曲线；
图6是本发明另一实施例压电骨料单元在混凝土块中央冲击载荷下的传感特性，横坐标时间t，纵坐标是骨料的输出电压V。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
本实施例采用实验的方法对本发明的装置及方法进行说明。
如图1所示，一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，在公路路面沿汽车行驶方向相距Sm处间隔埋置两列平行的压电阵列，包括前置压电阵列和后置压电阵列，每列压电阵列均由沿公路宽度方向均匀间隔布置的若干个压电骨料单元组成，包括前置压电阵列和后置压电阵列，前置压电阵列中包括Q1、……、Qi、……、QN N个压电骨料单元，后置压电阵列中包括H1、……、Hj、……、HNN个压电骨料单元，其中，1≤i≤N、1≤j≤N，i、j、N均为正整数，序列号Qi的前置压电骨料单元与序列号为Hi的后置压电骨料单元之间连线与公路汽车行驶方向平行；
所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统。
每个压电骨料单元的信号输出端口连接有引出线，引出线延伸至道路外与信号采集系统并联连接，且露出的引出线为具有防水防腐蚀保护层的同轴线缆。
接收系统采集车辆经过骨料上方产生的时间和电压信号。车辆通过压电骨料单元Qi时间点为T1，通过压电骨料单元Hj时间点为T2；若|i-j|<3，则可判定车辆沿直线行驶。
信号采集系统采集车辆通过时间Δt＝T1-T2，信号采集系统采集并联电路中压电骨料单元输出电压最大值为Vmax；信号处理系统根据车辆通过时间Δt和最大电压Vmax，计算行驶车辆的车速和车辆载重，达到监测车辆车速和载重的目的。
电压最大值Vmax正比于路面受到的压力，即正比于车辆载重，最大电压Vmax越大，车辆载重越大。
如图2所示，压电骨料单元由柔性压电薄膜通过环氧树脂/水泥复合物封装后制得。
本发明中压电薄膜材料为锆钛酸铅纳米纤维、导电相以及聚二甲基硅氧烷按质量比10：0.5：100～10：2；100均匀混合，在ITO薄膜基底上制备的复合压电材料，压电薄膜尺寸为1cm*1cm*0.1cm；其中锆钛酸铅纳米纤维是通过配置溶胶凝胶，静电纺丝制备纤维、热处理之后得到。复合压电薄膜压电电压常数g33为75mV m/N,高于PZT压电陶瓷的26mV m/N，在外应力作用下输出电压更高。压电纤维(PZT)和多壁碳纳米管(MWCNT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)按固定质量比复合成压电薄膜。压电纤维是由静电纺丝方法制备。静电纺丝法作为一种新兴技术，配置的溶胶凝胶作为可溶性盐使得锆钛酸铅成分实现分子级的融合，其压电钙钛矿相成分更为均匀，压电性能优异。
碳纳米管作为压电相中的导电相提高极化效率的同时，与PZT纳米纤维产生力学耦合作用，使得在相同的应变下具有更大的压电输出信号。相比于水热法制备PZT单晶易于折损，静电纺丝法制备的柔性纳米压电纤维具有优异的柔韧性，在长时间的应变过程中保持其原有结构，可承受大形变、大冲击。压电薄膜优秀的性能，使得压电骨料单元在监测车辆的车速及载重表现更为优异。
为了实现对公路路面损伤最小化，每个压电骨料单元均为长1.6cm、宽1.6cm、厚0.6cm的长方体；压电骨料单元的封装材料为环氧树脂、水泥、固化剂按质量比为1：2：1～1：3：1制得。封装材料采用环氧树脂/水泥/固化剂的复合材料，具有很强的韧性和强度，封装后的压电骨料单元抗压强度高达49MPa，远高于混凝土材料40MPa，并且与混凝土材料具有高度的匹配性，在道路铺设过程中嵌入混凝土内部，可以做到完全不损伤结构本身，既保护压电薄膜又避免损伤混凝土路面。
为了保证信号采集可靠性，在公路路面相距3m埋置深度2～3cm两列压电阵列，每列压电阵列由相距5～8cm的40～50压电骨料单元组成，因此汽车经过时必然会有1到2个压电骨料单元受到一定的正应力。
实施例
本实施例采用实验的方法对本发明的装置及方法进行说明。
如图1所示，在路面切割出两列用于埋置压电骨料单元的压电骨料放置孔，每个孔的尺寸均为2cm*2cm*2cm，将压电骨料单元埋置在压电骨料放置孔中，随后用混凝土掩盖养护一段时间。引出压电骨料单元的导线与电化学工作站相连接。实验用小车保持匀速直线运动，当车轮驶过压电骨料单元上方时，电化学工作站将采集到的压电信号通过数据线传递给处理系统。
电化学工作站将采集到的压电脉冲以txt文件的形式输出，分析压电骨料单元电压输出信号的大小，可以获得该点处的所受到的压强，进一步的可以获得车辆的载重。分析txt文件中电压脉冲信号的时间间隔Δt，以获得车辆的车速。
实验确定了压电骨料单元的最佳尺寸，一方面，压电骨料单元作为一种异质材料，引入混凝土内部会造成一定的损伤，因此，尺寸越小越小越好。另一方面，压电骨料单元自身的需要保持一定抗压强度以免在冲击环境下成为裂纹萌生的源头。
图3是不同尺寸的压电骨料单元的抗压强度曲线。选定最优压电骨料单元的尺寸为1.6cm*1.6cm*0.6cm，抗压强度高达49MPa，完全可以胜任混凝土的内部工作环境。
图4是压电骨料单元对混凝土抗压强度的影响，可以发现，压电骨料单元的尺寸为1.6cm*1.6cm*0.6cm时混凝土抗压强度最大，为39.6MPa，与未加入压电骨料单元的混凝土抗压强度40MPa相近。
图5为车辆驶过压电阵列中一个压电骨料单元时输出的脉冲信号。汽车前轮、后轮分别经过前置压电传感器和后置压电传感器，留下四个压电脉冲信号。分析图中四个压电信号时间间隔均匀，汽车行驶经过间隔为3m的压电阵列时可以看作是匀速直线运动。计车辆通过压电阵列的时间为Δt，则车辆的行驶速度为v＝3/Δt。
表1为实施例统计的实验用小车经过压电阵列时，采集获得的压电信号输入计算机处理系统，不同车速下计算机处理系统计算得出的车辆车速和实际车速。
表1
为了检验压电骨料单元在混凝土路面对压力的传感性能，我们制备了标准混凝土块10cm*10cm*10cm，浇筑的过程中在混凝土块中央埋置压电骨料单元。混凝土块在养护室养护28天达到标准强度。
将混凝土块固定在冲击载荷测试平台上，尺寸为10cm*10cm*4cm的钢块在不同的高度从混凝土块的正上方下落冲击，记录钢块砸落混凝土块的最大冲击压强σ，记录最大冲击力作用下混凝土内部压电骨料单元的电压V输出信号。
按照如下公式计算压电骨料单元的灵敏度系数：
图6给出了横坐标为标准混凝土块受到的最大冲击压强，纵坐标为混凝土受到最大压强时对应的压电骨料单元输出电压V。钢块从一定高度冲击在混凝土表面，混凝土的内部应力视为均匀分布，混凝土内部的正应力可以看作是各处相等。混凝土受到的冲击压强与骨料的输出电压呈线性关系，线性度R2高达0.996，直线的斜率440即为压电骨料单元在混凝土冲击应力下的灵敏度系数F为440mV/MPa。
压电骨料单元在混凝土内部表现出优秀的冲击应力传感特性。相较于压电骨料单元，公路可以看作是一块无限大的混凝土块，压电骨料单元埋置在混凝土公路的一定深度，一定载重的车辆从上方驶过可以看作是冲击载荷作用于混凝土，埋置在公路上的压电骨料单元输出电压正比于车辆载重。
显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (9)

1.一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，两列压电阵列中设有数量相同的压电骨料单元，两列压电阵列中压电骨料单元之间均匀间隔布置且具有相同的间隔距离，包括前置压电阵列和后置压电阵列，其中，
前置压电阵列中包括Q1、……、Qi、……、QN N个压电骨料单元；
后置压电阵列中包括H1、……、Hj、……、HNN个压电骨料单元，
其中，1≤i≤N、1≤j≤N，i、j、N均为正整数，序列号Qi的前置压电骨料单元与序列号为Hi的后置压电骨料单元之间连线与公路汽车行驶方向平行；
所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统；
处理系统根据时间参数获得车辆的行驶车速，具体是：若车辆通过前置压电阵列的时间点为T1，通过后置压电阵列的时间点为T2，并且判定车辆沿直线行驶；
则车辆的行驶速度为v＝S/Δt，其中，S为两列压电骨料的间隔距离，Δt＝T1-T2；
处理系统根据车辆驶过压电阵列上方产生的电压大小，获得车辆的载重。
2.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：判断车辆是否沿直线行驶具体是：
若车辆通过压电骨料单元Qi时间点为T1，通过压电骨料单元Hj时间点为T2，满足|i-j|<K，其中，K为小于等于3的正整数，则判定车辆沿直线行驶。
3.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：前置压电阵列和后置压电阵列之间的间隔距离S为2～3m。
4.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：压电阵列中每两个压电骨料单元之间的间隔距离是5～8cm。
5.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于，每个所述压电骨料单元均由柔性压电薄膜通过环氧树脂/水泥复合物封装后制得。
6.根据权利要求5所述压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：所述柔性压电薄膜为锆钛酸铅纳米纤维、导电相以及聚二甲基硅氧烷按质量比10：0.5：100～10：2：100均匀混合，在ITO薄膜基底上制备的复合压电材料，其中锆钛酸铅纳米纤维是通过配置溶胶凝胶，静电纺丝制备纤维、热处理之后得到。
7.根据权利要求5所述压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：
每个柔性压电薄膜的尺寸为1cm*1cm*0.1cm；通过环氧树脂/水泥复合物封装后制得的每个所述压电骨料单元均是尺寸为长1.6cm、宽1.6cm、厚0.6cm的长方体结构，压电骨料单元封装材料为环氧树脂、水泥、固化剂按质量比1：2：1～1：3：1制得。
8.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于，在路面切割出两列压电骨料单元放置孔，每个压电骨料放置孔内埋置一个压电骨料单元，每个压电骨料单元的信号输出端口连接有引出线，引出线延伸至道路外与信号采集系统并联连接，且露出的引出线为具有防水防腐蚀保护层的同轴线缆，随后用混凝土掩盖进行养护。
9.根据权利要求8所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于，每个所述压电骨料单元的尺寸均为长1.6cm、宽1.6cm、厚0.6cm，每两个压电骨料放置孔之间的孔间距不小于5cm，在公路上的埋置深度为2～3cm。
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