CN111848001A - 一种2-2型乳化沥青/水泥基压电传感器及其制备方法和用途 - Google Patents

一种2-2型乳化沥青/水泥基压电传感器及其制备方法和用途 Download PDF

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Abstract

本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种压电传感器及其制备方法和用途。本发明所提供的压电传感器包括封装件、以及封装于封装件中的压电感应元件，所述压电感应元件包括压电材料柱阵列、以及分布于压电材料柱阵列之间的填充相，所述压电材料柱阵列为1*N的矩形矩阵阵列，各压电材料柱的延伸方向一致、且压电材料柱的极化主轴方向与其延伸方向一致，所述压电感应元件还包括两个导电层，所述两个导电层位于压电材料柱阵列表面、且分别与压电材料柱的两极连接。本发明所提供的乳化沥青/水泥基压电传感器，通过对填充基材、封装材料等进行改进，使填充基材与压电材料之间的复合材料结构更加致密，有效提高水泥基压电复合材料的稳定性和兼容性。

Description

一种2-2型乳化沥青/水泥基压电传感器及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及道路工程领域，特别是涉及一种2-2型乳化沥青/水泥基压电传感器及其制备方法和用途。
背景技术
随着经济的快速发展，基础设施取得了长足的进步，而居民出行的过高需求与道路基础设施间的矛盾日渐突出，交通拥堵、机非冲突、车辆超载等现象日益频繁。为缓解这一现象，压电复合材料由于其压电性能好、机电耦合效果突出、与路面的兼容性好等特点成为近几年来应用于高等级沥青路面中的智能传感构件。
近年来智能交通的提出，使得基于人、车、路和环境的车路协同技术广泛引起国内外学者的关注，相比于车端单一感应的自动驾驶技术，车路端综合感应的车路一体化技术显著改善了网联汽车的感应效率，提高了其运行的可靠性、安全性。作为路端感应设备的一部分，压电传感器在智能交通中发挥着重要作用，有利于实现零拥堵、零事故、低排放、可持续的目标。因此，开发一种灵敏度高、频带宽、可持续、兼容性好的压电传感器成为现阶段智能交通监测的热点话题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种乳化沥青/水泥基压电传感器及其制备方法和用途，用于解决现有技术中的问题。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明一方面提供一种压电传感器，包括封装件、以及封装于封装件中的压电感应元件，所述压电感应元件包括压电材料柱阵列、以及分布于压电材料柱阵列之间的填充相，所述压电材料柱阵列为1*N的矩形矩阵阵列，其中，N≥2，各压电材料柱的延伸方向一致、且压电材料柱的极化主轴方向与其延伸方向一致，所述压电感应元件还包括两个导电层，所述两个导电层位于压电材料柱阵列表面、且分别与压电材料柱的两极连接。
在本发明一些实施方式中，所述压电材料柱的材料选自无机压电材料，优选的，所述无机压电材料选自压电陶瓷，所述压电陶瓷选自锆钛酸铅压电陶瓷、铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷中的一种或多种的组合。
在本发明一些实施方式中，所述压电材料密度为6.90×103～7.75×103kg/m3、压电应变常数为2.25×10-10～5.95×10-10C/N，相对介电常数为1050～3500，机电耦合系数为0.31～0.76％。
在本发明一些实施方式中，所述压电材料柱的高度为2～7mm，单个的压电材料柱的横截面积为51.3～102.9mm2。
在本发明一些实施方式中，所述压电材料柱的总横截面积为360～720mm2，柱间距为1～3mm。
在本发明一些实施方式中，单个的压电材料柱的横截面中，其延伸长度为30mm～50mm，宽度为1.71～3.43mm。
在本发明一些实施方式中，所述压电感应元件中，所述压电材料柱所占的体积百分比为40～80％。
在本发明一些实施方式中，所述填充相的材料选自乳化沥青和水泥的混合基材，所述乳化沥青和水泥的混合基材的原料按重量份计，包括如下组分：
水泥 60-100份；
乳化沥青 20-33份；
水 33-60份。
在本发明一些实施方式中，所述水泥选自硅酸盐水泥。
在本发明一些实施方式中，所述乳化沥青选自阳离子乳化沥青，所述阳离子乳化沥青为快裂型阳离子乳化沥青，所述阳离子乳化沥青的筛上余量≥0.1％，1d常温稳定性≤1％。
在本发明一些实施方式中，所述封装件的材料选自环氧沥青，所述环氧沥青的原料按重量份计，包括：75～93份基质沥青、1-5份环氧树脂，以及6-20份固化剂。
在本发明一些实施方式中，还包括导线，所述导线自封装件外延伸至导电层、且与导电层电连接。
本发明另一方面提供上述的压电传感器的制备方法，包括：
提供压电感应单元；
将压电感应单元封装，以提供所述压电传感器。
本发明另一方面提供一种道路压电传感系统，包括道路结构和上述的压电传感器，所述压电传感器分布于所述道路结构中。
本发明另一方面提供一种道路动态监测方法，包括：
通过上述的压电传感器、或上述的压电传感系统，收集路面所受到的压力数据。
附图说明
图1显示为本发明实施例1中压电传感器制备过程立体结构示意图。
图2显示为本发明实施例1中小型长方体压电传感器结构示意图。
图3显示为本发明实施例1中小型长方体压电传感器制备示意图。
图4显示为本发明实施例2中计算的压电传感器的线性度示意图。
图5(a)显示为本发明实施例3中道路车辆轴载(80kN轴载)监测结果示意图。
图5(b)显示为本发明实施例3中道路车辆轴载(120kN轴载)监测结果示意图。
元件标号说明
1 压电材料块体
2 极化的正负电极
3 切割后的压电材料
4 填充相
5 压电材料底座
6 导电层
7 封装件
8 导线
9 埋置于道路结构中的压电
传感器
10 电荷放大器
11 数据采集设备
12 软件处理及电脑显示设备
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容容易地了解本申请发明的其他优点及功效。
本发明发明人经过大量实践研究，成功地将水泥基压电复合材料应用于沥青路面主体结构，改善了传感器与路面主体结构的兼容性和稳定性，延长埋设于沥青路面结构中传感器的使用寿命，提高了压电复合材料传感器与沥青路面的模量匹配性，在此基础上完成了本发明。
本发明第一方面提供一种压电传感器，包括封装件、以及封装于封装件中的压电感应元件，所述压电感应元件包括压电材料柱阵列、以及分布于压电材料柱阵列之间的填充相，所述压电材料柱阵列为1*N的矩形矩阵阵列，其中，N≥2，各压电材料柱的延伸方向一致、且压电材料柱的极化主轴方向与其延伸方向一致，所述压电感应元件还包括两个导电层，所述两个导电层位于压电材料柱阵列表面、且分别与压电材料柱的两极连接。所述压电传感器通常可以被布设于道路结构中，其高度方向(与各压电材料柱的极化主轴方向一致)通常与道路的延伸方向相配合，即道路表面的受力方向通常与其高度方向是一致的，乳化沥青和水泥的混合基材可以明显改善压力传感器的兼容性，当道路表面受到压力时，道路结构中的压电传感器对应的会受到一定的压力，并可以将压力转化为电信号，通过与压电材料接触的导电层可以将电信号传出，并可以通过外接设备接收电信号，其输出的电信号通常具有合适的线性度，即可准确地监控道路实际所受到的压力。
本发明所提供的压电传感器中，所述压电材料柱通常可以通过压电材料构成，所述压电材料通常指在受到压力作用时会在两端面间出现电压的一类晶体材料。所述压电材料柱的材料通常可以是无机压电材料，优选可以是压电陶瓷等。所述压电陶瓷通常具有较快的响应速度快和测量精度高，且性能较稳定。本领域技术人员可选择合适的适用于所述压电传感器的压电陶瓷，例如，所述压电陶瓷可以选自锆钛酸铅压电陶瓷(例如，PZT-5A、PZT-5H、PZT-4等)、铌锂锆钛酸铅压电陶瓷(例如，PLN等)、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷(例如，PMN等)等中的一种或多种的组合；再例如，所述压电材料的密度为可以为6.90×103～7.00×103kg/m3、7.00×103～7.10×103kg/m3、7.10×103～7.20×103kg/m3、7.20×103～7.30×103kg/m3、7.30×103～7.40×103kg/m3、7.40×103～7.50×103kg/m3、7.50×103～7.60×103kg/m3、7.60×103～7.70×103kg/m3、或7.70×103～7.75×103kg/m3；再例如，所述压电材料的压电应变常数可以为2.25×10-10～5.95×10-10C/N、2.25×10-10～2.75×10-10C/N、2.75×10-10～3.25×10-10C/N、3.25×10-10～3.75×10-10C/N、3.75×10-10～4.25×10-10C/N、4.25×10-10～4.75×10-10C/N、4.75×10-10～5.25×10-10C/N、或5.25×10-10～5.95×10-10C/N；再例如，所述压电材料的相对介电常数可以为1050～1200、1200～1500、1500～1800、1800～2100、2100～2400、2400～2700、2700～3000、3000～3200、或3200～3500；再例如，所述压电材料的机电耦合系数可以为0.31～0.76％、0.31～0.36％、0.36～0.41％、0.41～0.46％、0.46～0.51％、0.51～0.56％、0.56～0.61％、0.61～0.66％、0.66～0.71％、或0.71～0.76％。在本发明一具体实施例中，所述压电材料可以为PZT-5A，其密度可以为7.75×103kg/m3，压电应变常数可以为4.781×10-10C/N，相对介电常数可以为2000，机电耦合系数可以为0.711％。
本发明所提供的压电传感器中，压电感应元件中通常可以设有多个压电材料柱，这些压电材料柱通常以1*N的矩形矩阵阵列形式分布，即各压电材料柱通常一字排列，在压电传感器使用时，其排列的方向通常与道路的延伸方向一致，其中，N≥2且N为正整数，N具体可以为2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或更大的正整数。所述压电材料柱的尺寸通常需要与道路结构相配合，从而可以在不影响道路结构稳定性、和自身装置稳定性的同时，充分感受来自道路表面的压力。例如，所述压电感应元件中，所述压电材料柱的高度(压电材料柱的高度方向与压电传感器的高度方向一致)可以为2～7mm、2～3mm、3～4mm、4～5mm、5～6mm、或6～7mm；再例如，单个的压电材料柱的横截面积可以为51.3～102.9mm2、51.3～60mm2、60～70mm2、70～80mm2、80～90mm2、或90～102.9mm2；再例如，压电材料柱的总横截面积可以为360～720mm2、360～420mm2、420～480mm2、480～540mm2、540～600mm2、600～660mm2、或660～720mm2；再例如，柱间距可以为1～3mm、1～1.5mm、1.5～2mm、2～2.5mm、或2.5～3mm；再例如，各压电材料柱的形状和大小可以是基本相同的。压电感应元件的横截面中，各压电材料柱通常自压电感应元件的一侧直线延伸至另一侧，以形成1*N的矩形矩阵，从而增强信号输出的鲁棒性，例如，单个的压电材料柱的横截面(即垂直于各压电材料柱的延伸方向的截面)中，其延伸长度通常与压电感应元件在延伸方向上的尺寸是基本相同的，具体可以为30mm～50mm、30～35mm、35～40mm、40～45mm、或45～50mm；再例如，单个压电陶瓷柱的横截面中，其宽度可以为1.71～3.43mm、1.71～2.03mm、2.03～2.33mm、2.33～3.63mm、2.63～2.93mm、2.93～3.13mm、或3.13～3.43mm。
本发明所提供的压电传感器中，压电材料柱在压电感应元件中通常需要有合适的体积占比，从而可以在柱体材料之间分布有一定间隙的同时，保证材料能够充分感受道路路面受到的压力，例如，压电感应元件中，所述压电材料柱所占的体积百分比可以为40～80％、40～50％、50～60％、60～70％、或70～80％。压电感应元件整体上的尺寸通常与压电材料柱整体上的排布是相对应的，例如，由于压电材料住阵列为1*N的矩形矩阵阵列，压电感应元件的整体形状通常为长方体；再例如，压电感应元件高度方向上的尺寸可以为2mm～4mm、2～2.5mm、2.5～3mm、3～3.5mm、或3.5～4mm(即与压电传感器的高度方向一致的方向)，长度方向(即与单个的压电材料柱的横截面的延伸方向一致的方向)上的尺寸可以为30mm～50mm、30～35mm、35～40mm、40～45mm、或45～50mm，宽度方向上的尺寸可以为30mm～50mm、30～35mm、35～40mm、40～45mm、或45～50mm；再例如，即压电传感器的横截面可以为正方形。
本发明所提供的压电传感器中，所述填充相的存在通常可以改善单一的压电材料存在的脆性大、极限应变小及兼容性较差等缺陷。所述填充相的材料可以选自乳化沥青和水泥的混合基材，所述乳化沥青和水泥的混合基材通常需要与压电相具有较好的粘结性。所述乳化沥青和水泥的混合基材的原料按重量份计，包括如下组分：水泥60-100份；乳化沥青20-33份；水33-60份。
所述乳化沥青和水泥的混合基材中，可以包括60-100份、60-70份、70-80份、80-90份、或90-100份水泥。所述水泥通常是作为填充相中的胶凝材料。所述水泥通常可以是硅酸盐水泥，例如，42.5级普通硅酸盐水泥等。
所述乳化沥青和水泥的混合基材中，可以包括20-33份、20-24份、24-28份、或28-33份乳化沥青，所述乳化沥青通常是沥青和乳化剂在一定工艺作用下，生成水包油或油包水的液态沥青，乳化沥青的存在可以提高填充相和功能相(压电材料柱)间的连接特性，从而提高材料整体的柔韧性和稳定性，延长了压电传感器的使用寿命，并能够提供其适用时的灵敏度、耐久性、以及与路面主体结构的兼容性。所述乳化沥青可以是阳离子乳化沥青，更优选可以是快裂型阳离子乳化沥青，快裂型通常是对应于乳化沥青的破乳速度，通常是由将其与矿料等拌合后，由混合料拌合后的状态定性确定快裂、中裂或者是慢裂，定性表征的测试方法可以参照T6058进行测试。另外，其筛上余量可以为≥0.1％，1d常温稳定性可以为≤1％，筛上余量和1d常温稳定性的测量方法可以参照根据JTG F40-2004。
所述乳化沥青和水泥的混合基材中，还可以包括适量的水，本领域技术人员可根据需要调整混合基材中水的使用量，例如，可以包括33-60份、33-36份、36-40份、40-45份、45-50份、50-55份、或55-60份水。
本发明所提供的压电传感器中，所述填充相的材料中通常可以包括其他添加剂，例如，减水剂等。所述减水剂主要可以用于在保证水泥乳化沥青浆液流动性的基础上，减小水灰比，以尽可能得到较高强度的乳化沥青水泥基材料来适应压电陶瓷的高强度。
本发明所提供的压电传感器中，所述封装件需要具有良好的绝缘性和力学性能(例如，力学强度、柔韧性等)，并需要具有良好的均一性、稳定性，从而可以不仅可对封装件内部的压电复合材料主体起到良好的支撑、保护、和封装作用，并且可显著改善传统水泥基压电传感器与路面结构的兼容性。所述封装件的材料优选可以选自环氧沥青，所述环氧沥青通常是一种由环氧树脂、固化剂与基质沥青经化学改性所得的混合物。例如，所述环氧沥青的原料按重量份计，可以包括：基质沥青75～93份、环氧树脂1～5份，以及固化剂6～20份。
所述环氧沥青中，可以包括75～93份、75～78份、78～81份、81～84份、84～87份、87～90份、或90～93份。所述基质沥青通常需要采用针入度等级为70号的基质沥青，例如，基质沥青的针入度可以为60～80、60～65、65～70、70～75、或75～80。
所述环氧沥青中，可以包括1～5份、1～2份、2～3份、3～4份、或4～5份环氧树脂。所述环氧树脂具体可以是E51环氧树脂，其环氧当量可以为185～192、185～186、186～188、188～190、或190～192。在本发明一具体实施例中，所述环氧树脂的环氧当量为189。
所述环氧沥青中，可以包括6～20份、6～8份、8～10份、10～12份、12～14份、14～16份、16～18份、或18～20份固化剂。所述固化剂具体可以是酸配类固化剂，例如，具体可以是甲基六氢邻苯二甲酸酐(MTHPA)等。
本发明所提供的压电传感器中，所述封装件通常可以裹覆于压电材料外围，以形成合适尺寸的压电传感器，例如，压电传感器长度方向的尺寸可以为40～100mm、40～50mm、50～60mm、60～70mm、70～80mm、80～90mm、或90～100mm，宽度方向上的尺寸可以为40～100mm、40～50mm、50～60mm、60～70mm、70～80mm、80～90mm或90～100mm，高度方向上的尺寸可以为8～10mm、8～8.5mm、8.5～9mm、9～9.5mm或9.5～10mm。压电材料表面的封装件通常需要具有合适的厚度，从而可以对内部的压电感应元件提供合适的保护效果，例如，其覆盖的厚度可以为1～5mm、1～2mm、2～3mm、3～4mm、或4～5mm，例如，压电传感器的长度和宽度方向上，压电材料表面的封装件的厚度可以为4.5～5.5mm、4.5～4.7mm、4.7～4.9mm、4.9～5.1mm、5.1～5.3mm、或5.3～5.5mm；再例如，压电传感器的高度方向上，压电材料表面的封装件的厚度可以为1.8～2.2mm、1.8～1.9mm、1.9～2.0mm、2.0～2.1mm、或2.1～2.2mm。
本发明所提供的压电传感器中，所述导电层通常位于压电材料柱阵列的表面、且与各压电材料柱的两极连接。通常来说，压电传感器中可以包括至少两个导电层，两个导电层可以分别位于压电材料柱阵列的两极，从而可以与各压电材料柱的两极连接，导电层的延伸方向通常与压电材料柱阵列是相匹配的，例如其延伸方向可以垂直于阵列中各压电材料柱极化主轴方向。导电层的厚度通常很薄，需要达到合适的导电功能即可。本领域技术人员可选择合适的作为导电层的材料，例如，所述导电层的原料可以是导电银浆，浆体固化以后，即可形成导电层。
本发明所提供的压电传感器中，还可以包括导线，所述导线通常可以自封装件外延伸至导电层、且与导电层电连接，从而可以将压电材料所产生的电信号导出，还可以进一步输送至外接设备，所述外接设备可以是例如电学信号采集仪器等，具体可以是示波器、动态信号采集仪等。
本发明第二方面提供本发明第一方面所提供的压电传感器的制备方法，包括：
提供压电感应单元；
将压电感应单元封装，以提供所述压电传感器。
本发明所提供的压电传感器的制备方法中，可以包括：提供压电感应单元。本领域技术人员可选择合适的方法提供所述压电感应单元，例如，可以包括：提供压电材料柱阵列，将填充相的原料填充于压电材料柱阵列之间，固化，在压电材料柱阵列两极涂覆导电层以提供所述压电感应单元。压电材料柱阵列通常可以通过对压电材料进行合适的切割获得，在压电感应单元制备过程中，压电材料的切割可以与填充相的原料的填充先后进行，也可以同时、交替进行。由于所述填充相为乳化沥青和水泥的混合基材，其原料具有良好的流动性，所以在填充时，可以将压电材料柱阵列置于模具中，即可对压电材料柱阵列进行填充。在填充过程中，通常需要将原料充分分布于压电材料柱阵列之间，例如，可以通过抽真空、振动等方法，去除填充料中的空气，以提高基体相与功能相界面间的结合强度，增强乳化沥青/水泥基复合浆体的致密性。填充完成后，待填充相的原料固化后，即可在两极涂覆导电层的原料，以形成导电层并提供所述压电感应单元。
本发明所提供的压电传感器的制备方法中，还可以包括：将压电感应单元封装，以提供所述压电传感器。本领域技术人员可选择合适的方法将压电感应单元封装，例如，可以将压电感应单元置于模具中、并将导线连接于导电层，在模具中浇筑封装材料进行封装，固化后即可提供所述压电传感器。
本发明第三方面提供一种道路压电传感系统，包括道路结构和本发明第一方面所提供的压电传感器，所述压电传感器分布于所述道路结构中。各压电材料柱的延伸方向通常与道路结构的承受压力的方向一致，对于压电材料柱阵列来说，其正极一侧可以位于更靠近路面的一侧，也可以位于更远离于路面的一侧。所述道路结构通常为沥青路面结构，其可以包括沥青面层、基层、底基层和路基，进一步地沥青面层由上面层、中面层和下面层组成。所述压电传感器通常可以分布于沥青路面结构的面层结构中，例如，所述压电传感器可以根据路面上面层厚度，设置在距离路面表层1～3cm、1～1.5cm、1.5～2cm、2～2.5cm、或2.5～3cm处；再例如，在单条车道的横截面内，通常可以至少布置2个以上压电传感器，具体的分布量可以结合实际道路材料、交通条件以及压电传感器的综合响应确定；再例如，在道路的延伸方向上，压电传感器之间通常可以有合适的间距，具体的分布间距可以是车轴的间距。压电传感器位于道路结构中时，作为1*N的矩形矩阵阵列的压电材料柱阵列，各压电材料柱通常可以依照道路的延伸方向排列，从而使得当荷载没有完全作用于元件正上方时，每一个压电材料柱仍有部分面积可以受到荷载直接作用。
本发明第四方面提供一种道路动态监测方法，包括：通过本发明第一方面所提供的压电传感器、或本发明第三方面所提供的压电传感系统，收集路面所受到的压力数据。如上所述，当道路表面受到压力时，道路结构中的压电传感器对应的会受到一定的压力，并可以将压力转化为电信号，通过与压电材料接触的导电层可以将电信号传出，并可以通过外接设备接收电信号，即可准确地监控道路实际所受到的压力，从而可以反映出道路上需要监测的情况，例如，人、车辆的交通流监测，以及车辆的动态称重监测等。
本发明所提供的乳化沥青/水泥基压电传感器，通过对填充基材、封装材料等进行改进,使填充基材与压电材料之间的复合材料结构更加致密，有效提高水泥基压电复合材料的稳定性和兼容性，并可以提高传感器的灵敏度，且具有频带宽、抗干扰能力强等优点，信噪比也得到有效改善。此外，所述乳化沥青/水泥基压电传感器制备步骤简单易行、成本低廉，在道路的动态监测领域具有良好的产业化前景。
下面通过实施例对本申请的发明予以进一步说明，但并不因此而限制本申请的范围。
实施例1
采用切割浇筑法制备乳化沥青/水泥基压电复合材料感应元件主体，由水泥和乳化沥青基体相和压电陶瓷功能相组成。具体方法如下：
采用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT-5A)，运用金刚石线切割机，利用0.25mm直径沿平行于压电陶瓷块极化主轴方向切割为一定体积分数的呈阵列方式的压电陶瓷相功能相(参见图1(b))，压电陶瓷块的尺寸为30×30×10mm，压电陶瓷相体积分数为40～80％，为防止宽度过小的压电陶瓷相在切割过程中的脆断，切割的压电陶瓷柱宽控制在1.5mm以上，柱间距≥1mm，否则会影响浇筑效果，通过在压电陶瓷块底部留一定厚度的压电陶瓷底座来保护压电陶瓷柱，在完成浇筑之后切割除去，切割后底座高度为3mm(参见1(c))。
切割后的压电陶瓷相和压电陶瓷柱基体相均用超声波清洗机清洗，以去除压电陶瓷碎屑，增强功能相与基体相界面间的粘结强度。
将带底座的压电陶瓷柱功能相固定在模具内，将拌合均匀、工作性能良好的乳化沥青/水泥基材采用振动浇筑的方式浇注于压电陶瓷柱间隙中，浇注完成后，为增强乳化沥青/水泥基材料的致密性，将其置于真空泵中振动并抽出空气。
在温度为20℃±1℃，相对湿度大于90％，养护水的温度20℃±1℃的条件下，养护2天脱模，脱模之后继续保持养护，养护7天后抛光处理；进一步通过梯度干燥的方式将抛光后的乳化沥青/水泥基压电复合材料感应主体在101-2电热鼓风干燥箱中依次在60℃，80℃和100℃环境中烘干4h、8h和1h。
将干燥后的乳化沥青/水泥基复合材料功能相用丙酮擦洗，切除压电陶瓷底座，得到高度为2.5mm的压电复合材料感应主体，并双面涂抹低温导电银浆；最终得到30×30×2.5mm的压电复合材料感应主体(参见图1(d))。在100℃条件下将乳化沥青/水泥基压电陶瓷复合材料感应主体烘干1h，以成型固化。制备获得的乳化沥青/水泥基压电陶瓷复合材料感应主体(压电感应元件)。
如图2所示，进一步制备小型长方体压电传感器，用涂抹有无水酒精的棉签擦拭压电复合材料表面，静置至自然干燥。将细铜芯导线(包括引出线、屏蔽导线)通过聚丙烯酸脂与导电银浆粘贴在压电复合材料表面，固化后用小功率电烙铁焊接导线，并注意在短时间内用丙酮轻轻擦拭留在元件表面的焊锡膏。
在自制的40×40×20mm的模具中涂抹脱模剂，并在模具中固定压电复合材料，采用环氧沥青作为封装材料，在模具中制备位于压电材料下方的封装件，养护1d，将乳化沥青/水泥基压电复合材料贴在封装件上，再在模具中浇筑位于压电复合材料上方的封装材料，养护28d，浇注过程中采用振动浇筑的方式，将浇筑后的带有模具的小型长方体压电传感器置于真空泵中抽真空，以消除其中的气孔得到最终的小型长方体压电传感器。
实施例2
压电传感器系统需进行接地处理，减弱外界磁场的影响，提高抗干扰能力，进一步提高信噪比。在实际应用前，应对制备的小型长方体压电传感器进行开展性能测试，包括线性度(灵敏度)和可重复性的测量，以确保其可具有应对道路的工作环境、复杂的应力环境和气候环境的能力。
通过万能试验机对压电传感器依次施加0.1～0.7MPa的荷载。为测试所制备的压电传感器的灵敏度，模拟脉冲信号，每次施加荷载后迅速卸载，用示波器记录卸载后压电传感器的输出电压，以电压和荷载比值作为压电传感器的线性度，由于压电传感器尺寸、材料等的不同，其具体的线性度值一般不同。因此对于确定结构尺寸、确定材料组成和材料参数的压电传感器，其线性度保持不变，即电压输出与荷载为线性关系即可，但可能特定的传感器有着特定的线性度值。确定的线性度是压电传感器用以车辆动态称重的前提条件。如图4所示，计算得压电相体积分数为40％的压电传感器的线性度为5.6229×10-5V/Pa，表明压电传感器具有合适的灵敏度。
实施例3
压电传感器的主要目标是通过感知行车荷载下道路的振动响应来实现对路面交通状况的识别,而车载是影响交通安全及道路寿命的重要因素之一。因此，本实施例中以80kN和120kN轴载为例进行分析，具体地将其埋设至整体呈尺寸为长×宽×深＝6×3.75×4m的路面结构的路面表层以下1cm处；其中，沥青路面结构参数参见表1，埋设的两传感器横向间距为0.54m，验证压电传感器对80kN和120kN的轴载识别能力。两传感器的电压输出结果如图5。
表1
结构层 厚度(cm) 密度(kg/m<sup>3</sup>) 弹性模量(MPa) 泊松比μ α β
(上面层)SMA-13 4 2400 1800 0.25 0.4 0.003
(中面层)AC-20 6 2400 1800 0.25 0.4 0.003
(下面层)AC-25 8 2400 1200 0.25 0.4 0.003
(基层)CTB1 20 2300 1500 0.2 0.4 0.003
(底基层)CTB2 30 2300 750 0.2 0.4 0.003
(土层)SG — 1800 40 0.35 0.25 0.005
很明显，不同轴载下输出的信号形式基本一致、信号峰值大小有所不同。由于车辆前轮为单轮组，后轮为双轮组，后轮双轮组的峰值电压显著高于单轮，进一步地分别提取两个元件输出的对应前轴单轮组与后轴双轮组的波峰大小，并计算其平均值，结果如表2所示：
表2
Figure BDA0002585270170000111
由表2的数据可知，本申请所提供的压电传感器能够准确地监控道路实际所受到的压力，从而可以准确地反映出道路上需要监测的情况。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种压电传感器，其特征在于，包括封装件、以及封装于封装件中的压电感应元件，所述压电感应元件包括压电材料柱阵列、以及分布于压电材料柱阵列之间的填充相，所述压电材料柱阵列为1*N的矩形矩阵阵列，其中，N≥2，各压电材料柱的延伸方向一致、且压电材料柱的极化主轴方向与其延伸方向一致，所述压电感应元件还包括两个导电层，所述两个导电层位于压电材料柱阵列表面、且分别与压电材料柱的两极连接。
2.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述压电材料柱的材料选自无机压电材料，优选的，所述无机压电材料选自压电陶瓷，所述压电陶瓷选自锆钛酸铅压电陶瓷、铌锂锆钛酸铅压电陶瓷、铌镁锆钛酸铅压电陶瓷中的一种或多种的组合。
3.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述压电材料密度为6.90×103～7.75×103kg/m3、压电应变常数为2.25×10-10～5.95×10-10C/N，相对介电常数为1050～3500，机电耦合系数为0.31～0.76％。
4.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述压电材料柱的高度为2～7mm，单个的压电材料柱的横截面积为51.3～102.9mm2。
和/或，所述压电材料柱的总横截面积为360～720mm2，柱间距为1～3mm；
和/或，单个的压电材料柱的横截面中，其延伸长度为30mm～50mm，宽度为1.71～3.43mm；
和/或，所述压电感应元件中，所述压电材料柱所占的体积百分比为40～80％。
5.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述填充相的材料选自乳化沥青和水泥的混合基材，所述乳化沥青和水泥的混合基材的原料按重量份计，包括如下组分：
水泥 60-100份；
乳化沥青 20-33份；
水 33-60份。
6.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述水泥选自硅酸盐水泥；
和/或，所述乳化沥青选自阳离子乳化沥青，所述阳离子乳化沥青为快裂型阳离子乳化沥青，所述阳离子乳化沥青的筛上余量≥0.1％，1d常温稳定性≤1％。
7.如权利要求1所述的压电传感器，其特征在于，所述封装件的材料选自环氧沥青，所述环氧沥青的原料按重量份计，包括：75～93份基质沥青、1-5份环氧树脂，以及6-20份固化剂；
和/或，还包括导线，所述导线自封装件外延伸至导电层、且与导电层电连接。
8.如权利要求1～7任一权利要求所述的压电传感器的制备方法，包括：
提供压电感应单元；
将压电感应单元封装，以提供所述压电传感器。
9.一种道路压电传感系统，包括道路结构和如权利要求1～7任一权利要求所述的压电传感器，所述压电传感器分布于所述道路结构中。
10.一种道路动态监测方法，包括：
通过如权利要求1～7任一权利要求所述的压电传感器、或如权利要求8所述的压电传感系统，收集路面所受到的压力数据。
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