CN112414461B - 一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及力学信息采集系统，公开了一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，包括传感器组、电源和数据收集器，传感器组设于混凝土面层中的混凝土板块(3)上，混凝土板块(3)上设有至多五个测量位以及至多三个测量层，以形成为不同深度不同位置处的至多15个能够放置传感器组中的传感器的测量点，传感器包括至多12个混凝土应变计(11)和至多2个混凝土应力计(12)，各测量层内均布置有混凝土应变计(11)，2个混凝土应力计(12)均布置于同一测量层中或分别布置于不同的测量层中，传感器组中的各传感器均与电源以及数据收集器电连接。本发明能够对混凝土板块(3)内不同深度及位置处进行力学检测，且所需的传感器少，布置成本低。

Description

一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统

技术领域

本发明涉及道路动态力学信息采集系统，具体涉及一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统。

背景技术

车辆对混凝土面层所施加的载荷大小与混凝土面层所产生的应变量的大小有着密切的关系，为了探究混凝土面层所受载荷大小与混凝土面层应变量大小之间的关系，需要对混凝土面层在车辆的动态载荷作用下所受到力以及受力过程中应变量的变化过程进行数字化分析。

为了进行混凝土面层在车辆的动态载荷作用下所受到力以及受力过程中应变量的变化过程的数字化分析，需要利用传感器对混凝土面层所受到的力变化过程以及应变量的变化过程进行测量，并记录测量数据以进一步分析。

现有技术方案中为了实现对混凝土板在受力过程中不同深度、不同位置的应变量的变化过程的检测，通常会在同一深度处布置多个传感器，使得传感器几乎遍布整个混凝土板，从而使得传感器的布置出现冗余，既增加了布置时的难度，又增加了测量系统整体的布置成本。

有鉴于此，需要提供一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其易于布置，且布置成本低。

为实现以上发明目的，本发明提供一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其包括传感器组、电源和数据收集器，所述传感器组设于混凝土面层中的混凝土板块上，所述混凝土板块上设有至多五个测量位，且该混凝土板块还设有至多三个测量层，以形成为不同深度不同位置处的至多15个能够放置所述传感器组中的传感器的测量点，所述传感器组中的所述传感器包括至多12个混凝土应变计和至多2个混凝土应力计，各所述测量层内均布置有所述混凝土应变计，2个所述混凝土应力计均布置于同一所述测量层中或分别布置于不同的所述测量层中，以实现对所述混凝土板块内不同深度处的不同位置的力学检测，所述传感器组中的各所述传感器均与所述电源以及所述数据收集器电连接，以传递所测量的数据。

具体地，所述测量层包括第一测量层、第二测量层和第三测量层；所述第一测量层位于距所述混凝土板块顶部2cm深度处；所述第二测量层位于距所述混凝土板块顶部该混凝土板块厚度的1/2距离处；所述第三测量层位于所述混凝土板块的底部。

进一步具体地，所述测量位包括第一测量位、第二测量位、第三测量位、第四测量位和第五测量位；所述第一测量位位于所述混凝土板块的前侧宽度边界和后侧宽度边界中任意一者的中部区域；所述第二测量位位于所述混凝土板块的中部区域；所述第三测量位位于由所述第一测量位和所述第二测量位所构成的直线段的中部区域；所述第四测量位位于所述混凝土板块的左侧长度边界的中部区域；所述第五测量位位于由所述第一测量位和所述第四测量位所构成的直线段的中部区域。

进一步具体地，所述第一测量层上对应的所述第一测量位处设有两个所述混凝土应变计；该第一测量层上对应的所述第二测量位、所述第三测量位、所述第四测量位和所述第五测量位处各设有一个所述混凝土应变计。

进一步具体地，所述第一测量位处设有的两个所述混凝土应变计相互垂直布置，以使得其中一者能够测量所述混凝土板块沿前后方向上的应变，另一者能够测量所述混凝土板块沿左右方向上的应变；所述第二测量位、所述第三测量位、所述第四测量位和所述第五测量位处设有的所述混凝土应变计均配置为能够测量所述混凝土板块沿前后方向上的应变。

进一步具体地，所述第二测量层上对应的所述第二测量位、所述第三测量位和所述第四测量位处各设有一个所述混凝土应变计，且各所述混凝土应变计均配置为能够测量所述混凝土板块沿前后方向上的应变。

进一步具体地，所述第三测量层上对应的所述第二测量位、所述第三测量位和所述第四测量位处各设有一个所述混凝土应变计，且各所述混凝土应变计均配置为能够测量所述混凝土板块沿前后方向上的应变。

进一步具体地，所述第三测量层上对应的所述第二测量位和所述第四测量位处还各设有一个所述混凝土应力计。

进一步具体地，所述混凝土应变计为振弦式应变计。

更具体地，所述数据收集器设于与所述混凝土板块所对应的硬路肩处。

本发明中的传感器组分三层布置于混凝土面层的不同深度处，并规划了五种测量位，且五种测量位在混凝土面层的不同深度处所对应的位置上均能够布置传感器，从而实现了对混凝土面层在受力过程中其内部不同深度、不同位置的应变量的变化过程的测量记录；传感器组仅布置于混凝土板块左半侧区域内的前半部分或后半部分，一方面，布置于混凝土板块左半侧区域内能够使得传感器组处于车辆轮迹处，方便测量数据的获得；另一方面由于传感器组集中布置于左半侧区域内的前半部分或后半部分，所需测量的位置区域的面积减小，从而可以用更少的传感器实现对该位置区域的测量，且还能够对称类比出左半侧区域内另一部分的受力情况以及应变量大小的数据；且传感器的布置方式能够使得各传感器之间有足够的间隔距离，从而能够使得相邻的两个传感器中的任一传感器对混凝土面层的力学结构的影响不会对另一传感器的测量结果造成干扰，以能够保证测量数据的准确性，进而能够保证数据分析结果的准确性。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明的一个实施例中测量位的分布示意图；

图2是本发明的一个实施例中第一测量层内传感器的分布示意图；

图3是本发明的一个实施例中第二测量层内传感器的分布示意图；

图4是本发明的一个实施例中第三测量层内传感器的分布示意图。

附图标记说明

11-混凝土应变计 12-混凝土应力计

21-第一测量位 22-第二测量位

23-第三测量位 24-第四测量位

25-第五测量位 3-混凝土板块

31-前侧宽度边界 32-后侧宽度边界

33-左侧长度边界 4-硬路肩

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。

首先需要说明的是，下述的“前侧宽度边界31”、“后侧宽度边界32”、“左侧长度边界33”和“右侧长度边界”中的方位词均以铺设该混凝土面层的行车道的规定行车方向为参考，即行车方向的正方向为“前”，负方向为“后”，与行车方向相垂直的水平方向为左右方向；另外图1中的圆圈表示测量位置所在的区域。

如图1所示，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，该测量系统包括传感器组、电源和数据收集器，传感器组设于混凝土面层中的混凝土板块3上，混凝土板块3上设有至多五个测量位，且该混凝土板块3还设有至多三个测量层，以形成为不同深度不同位置处的至多15个能够放置传感器组中的传感器的测量点，传感器组中的传感器包括至多12个混凝土应变计11和至多2个混凝土应力计12，各测量层内均布置有混凝土应变计11，2个混凝土应力计12均布置于同一测量层中或分别布置于不同的测量层中，以实现对混凝土板块3内不同深度处的不同位置的力学检测，传感器组中的各传感器均与电源以及数据收集器电连接，以传递所测量的数据。

本发明中规划了五种测量位以及三层测量层，且五种测量位在混凝土面层的不同深度处的测量层所对应的位置上均能够布置传感器，使得传感器组能够分三层布置于混凝土面层的不同深度处，从而实现了对混凝土面层在受力过程中其内部不同深度、不同位置的应变量的变化过程的测量记录，且所布置的测量位少，需要使用的传感器也少，既能够方便智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的布置，又能够降低智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的布置成本。

具体地，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，测量层包括第一测量层、第二测量层和第三测量层；第一测量层位于距混凝土板块3顶部2cm的深度处；第二测量层位于距混凝土板块3顶部该混凝土板块3厚度的1/2距离处；第三测量层位于混凝土板块3的底部。第一测量层上的传感器主要用于测量混凝土面层表层在受到应力的作用下其应变量的大小，而将第一测量层设置于距混凝土板块3顶部2cm的深度处，既能够使得处于第一测量层的传感器能够准确的获得混凝土面层表层的应变量，又能够防止传感器与混凝土板块3的顶部的距离过小，导致传感器直接受到车轮的碾压而受损失效；第二测量层上的传感器主要用于测量混凝土板块3内部的应变量大小，而混凝土板块3在仅受到温度变化的影响时，其整体会呈现上凸或下凹的状态，具体是混凝土板块3的上半部以及下半会出现由温度引起的拉伸应变或压缩形变，且越靠近底层或是顶层相应的应变量越大，故需要将第二测量层布置于混凝土板块3的中部，以降低温度因素对测量结果的影响，具体可优选为将第二测量层布置于距混凝土板块3顶部该混凝土板块3厚度的1/2距离处，即以一般公路为例，若其混凝土面层厚度为20cm，则第二测量层布置于距离该混凝土面层顶部10cm处，布置在该深度处能够使得测量结果受温度的影响较小，能够保证测量结果的准确性。

进一步具体地，如图1所示，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，测量位包括第一测量位21、第二测量位22、第三测量位23、第四测量位24和第五测量位(25)；第一测量位21位于混凝土板块3的前侧宽度边界31和后侧宽度边界32中任意一者的中部区域；第二测量位22位于混凝土板块3的中部区域；第三测量位23位于由第一测量位21和第二测量位22所构成的直线段的中部区域；第四测量位24位于混凝土板块3的左侧长度边界33的中部区域；第五测量位25位于由第一测量位21和第四测量位24所构成的直线段的中部区域。由于混凝土板块3在受压时其整体会呈现出下凹的状态，使得前侧宽度边界31、后侧宽度边界32、左侧长度边界33、右侧长度边界以及混凝土板块3的中部区域处都会出现较大的拉伸应变，使得上述区域处的混凝土板块容易断裂，故需要对上述区域的应力应变关系进行测量与监控，再进一步地结合实际行车的情况，即按照我国左舵车辆的行驶习惯，车辆一般沿行车道行车方向的左侧行驶，故将测量位布置在混凝土板块3的左半侧即可，因此需要在位于混凝土板块3的前侧宽度边界31或后侧宽度边界32的中部区域设置第一测量位21，在混凝土板块3的中部区域设置第二测量位22，在混凝土板块3的左侧长度边界33的中部区域设置第四测量位24。在此基础上进一步在由第一测量位21和第二测量位22所构成的直线段的中部区域设置第三测量位23，在由第一测量位21和第四测量位24所构成的直线段的中部区域设置第五测量位25，一方面，布置于第三测量位23和第五测量位25处的传感器能够测量各自所在位置的力学响应；另一方面，由于第一测量位21、第二测量位22以及第四测量位24处易出现压溃或是断裂的现象，容易使得位于上述三个测量位处的传感器出现损毁失效的情况，而当上述三个测量位处出现损毁时第三测量位23和第五测量位25处即成为易出现断裂的部位，而位于第三测量位23和第五测量位25处的未失效的传感器则可以继续进行数据检测，从而能够提高测量系统整体的使用寿命以及对混凝土面层易受损处的动态力学响应的监测效果。另外该技术方案由于传感器集中布置于混凝土板块3左半侧区域内的前半部分或后半部分，所需测量的位置区域的面积减小，从而可以用更少的传感器实现对该位置区域的测量，并能够对称类比出左半侧区域内另一部分的受力情况以及应变量大小的数据；而且以我国《城市规划定额指标暂行规定》的有关规定，行车道的宽度一般在3.5米及以上，而混凝土面层作为一种道路基层，其宽度应大于行车道的宽度，即混凝土板块3的宽度一般在4米以上，相应的混凝土板块3的长度也至少在4米以上，则按照上述的传感器布置方案，同一测量层上的各传感器之间的间隔距离至少在1米以上，该间隔距离能够避免各传感器之间的相互干扰，保证了测量结果的准确性。

进一步具体地，如图2所示，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，第一测量层上对应的第一测量位21处设有两个混凝土应变计11；该第一测量层上对应的第二测量位22、第三测量位23、第四测量位24和第五测量位25处各设有一个混凝土应变计11。且优选地，由于混凝土板块3表层的前侧宽度边界31和后侧宽度边界32的中部区域处在受到压载后，既发生沿左右方向上的应变，又发生沿前后方向上的应变，从而易出现压溃剥离的损毁情况，故对左右方向以及前后方向上的应变都需要进行测量，所以需要在第一测量位21处设有两个相互垂直布置混凝土应变计11，以使得其中一者能够测量混凝土板块3沿前后方向上的应变，另一者能够测量混凝土板块3沿左右方向上的应变；而其余测量位置一般以沿前后方向上的应变为主，沿左右方向上的应变量较小对其结构的影响也较小，所以第二测量位22、第三测量位23、第四测量位24和第五测量位25处设有的混凝土应变计11均配置为能够测量混凝土板块3沿前后方向上的应变即可。该技术方案充分考虑了各测量位处沿前后方向以及左右方向应变量的大小以及应变量大小对混凝土板块3破坏程度的影响，着重检测容易破坏混凝土板块3的应变方向的应变量，从而极大地减少了传感器的布置数量，节约了成本。

进一步具体地，如图3所述，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，第二测量层上对应的第二测量位22、第三测量位23和第四测量位24处各设有一个混凝土应变计11，且各混凝土应变计11均配置为能够测量混凝土板块3沿前后方向上的应变。由于混凝土板块3在受压时其整体会呈现出下凹的状态，使得处于第二测量层上的混凝土板块3的中部区域处以及左侧长度边界33的中部区域处均会出现较大的沿混凝土板块3的前后方向上的拉伸应变，使得上述区域处的混凝土板块容易断裂，故需要在第二测量位22和第四测量位24处各设有一个够测量混凝土板块3沿前后方向上的应变混凝土应变计11，而当混凝土板块3出现断裂时，由于第二测量位22和第四测量位24处的应变量较大，故混凝土板块3容易沿第二测量位22和第四测量位24的连线方向断裂，即混凝土板块3将断裂形成为前半部分和后半部分，则此时第三测量位23处则成为了中心区域，在应力的作用下产生的应变量较大易出现损坏，故需要在第三测量位23也布置一个混凝土应变计11。

进一步具体地，如图4所述，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，第三测量层上对应的第二测量位22、第三测量位23和第四测量位24处各设有一个混凝土应变计11，且各混凝土应变计11均配置为能够测量混凝土板块3沿前后方向上的应变。由于混凝土板块3在受压时其整体会呈现出下凹的状态，使得处于距混凝土板块3底部的第三测量层上的混凝土板块3的中部区域处以及左侧长度边界33的中部区域处均会出现较大的沿混凝土板块3的前后方向上的拉伸应变，使得上述区域处的混凝土板块容易断裂，故需要在第二测量位22和第四测量位24处各设有一个够测量混凝土板块3沿前后方向上的应变混凝土应变计11，而当混凝土板块3出现断裂时，由于第二测量位22和第四测量位24处的应变量较大，故混凝土板块3容易沿第二测量位22和第四测量位24的连线方向断裂，即混凝土板块3将断裂形成为前半部分和后半部分，则此时第三测量位23处则成为了中心区域，在应力的作用下产生的应变量较大易出现损坏，故需要在第三测量位23也布置一个混凝土应变计11。

进一步具体地，如图4所述，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，第三测量层上对应的第二测量位22和第四测量位24处还各设有一个混凝土应力计12。由于混凝土属于刚度较高的材料，对力的分散能力弱，故受力点下方区域的各个深度处所受到的动态载荷的值极为接近，所以同一测量位处仅需在一个深度位置处测量层上布置一个混凝土应力计12即可，而若将混凝土应力计12置于混凝土板块3的内部(即第一测量层与第二测量层上)，易使得混凝土应力计12受到周围的混凝土的横向挤压或拉伸而损坏，故优选将混凝土应力计12置于混凝土板块3的底部即第三测量层上，而传感器主要布置在混凝土板块3的左半侧区域，故主要需要获取混凝土板块3的左半侧区域的应力数据，故优选将混凝土应力计12设置于第二测量位22和第四测量位24处，以能够对混凝土板块3的左半侧区域内的左右方向跨度上所受到的应力都能够测量。

进一步具体地，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，混凝土应变计11为振弦式应变计。振弦式应变计结构简单工作可靠，适用于长期埋设在水工结构物或其它混凝土结构物内，且由于其在温度变化的影响下也会发生形变，其会输出一个根据温度变化而产生的形变量，以方便将由温度引起的误差形变量扣除，测量精确性更高，且因此还能够在实现测量应力的同时还能够根据该温度变化而产生的形变量测算出埋设点的温度值。

更具体地，在本发明智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统的一个实例中，数据收集器设于与混凝土板块3所对应的硬路肩4处。将数据收集器设于硬路肩4处能够防止其被车辆压毁，且各传感器与数据收集器之间的连接优选选择有线连接，以保证数据传递的稳定性，而将数据收集器优选设在布置有传感器的混凝土板块3所对应的硬路肩4处能够使得在各传感器与数据收集器之间进行有线连接时所需的线材更短，从而达到降低成本的目的。

综合上述的各项优选技术方案可知，本发明的主要优点在于：

首先，规划了五种测量位，以及三个不同深度处的测量层，且五种测量位在混凝土面层的不同深度处的测量层上所对应的位置处均能够布置传感器，使得传感器组中的传感器能够分三层布置于混凝土面层的不同深度处，从而实现了对混凝土面层在受力过程中其内部不同深度、不同位置的应变量的变化过程的测量记录。

其次，传感器组仅布置于混凝土板块左半侧区域内的前半部分或后半部分，一方面，布置于混凝土板块左半侧区域内能够使得传感器组处于车辆轮迹处，方便测量数据的获得；另一方面，由于传感器组集中布置于左半侧区域内的前半部分或后半部分，故所需测量的位置区域的面积减小，且还充分考虑了各测量位处沿前后方向和左右方向应变量的大小以及应变量大小对混凝土板块3破坏程度的影响，着重检测混凝土板块3上易破坏处的容易造成该破坏的应变方向的应变量，从而极大地减少了传感器的布置数量，节约了成本，并能够对称类比出左半侧区域内另一部分的受力情况以及应变量大小的数据。

最后，传感器的布置方式能够使得各传感器之间有足够的间隔距离，从而能够使得相邻的两个传感器中的任一传感器对混凝土面层的力学结构的影响不会对另一传感器的测量结果造成干扰，保证了测量数据的准确性。

以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。

Claims (9)

1.一种智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，包括传感器组、电源和数据收集器，所述传感器组设于混凝土面层中的混凝土板块(3)上，所述混凝土板块(3)上设有至多五个测量位，且该混凝土板块(3)还设有至多三个测量层，以形成为不同深度不同位置处的至多15个能够放置所述传感器组中传感器的测量点，所述传感器组中的所述传感器包括至多12个混凝土应变计(11)和至多2个混凝土应力计(12)，所述混凝土应变计(11)分设于各所述测量层中的不同测量点上，所述混凝土应力计(12)设置于至少一个所述测量层中的测量点上，以能够实现对所述混凝土板块(3)内不同深度处的不同位置的力学检测，所述传感器组中的各所述传感器均与所述电源以及所述数据收集器电连接，以能够传递所测量的数据；所述测量位包括第一测量位(21)、第二测量位(22)、第三测量位(23)、第四测量位(24)和第五测量位(25)；所述第一测量位(21)位于所述混凝土板块(3)的前侧宽度边界(31)和后侧宽度边界(32)中任意一者的中部区域；所述第二测量位(22)位于所述混凝土板块(3)的中部区域；所述第三测量位(23)位于由所述第一测量位(21)和所述第二测量位(22)所构成的直线段的中部区域；所述第四测量位(24)位于所述混凝土板块(3)的左侧长度边界(33)的中部区域；所述第五测量位(25)位于由所述第一测量位(21)和所述第四测量位(24)所构成的直线段的中部区域。

2.根据权利要求1所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述测量层包括第一测量层、第二测量层和第三测量层；所述第一测量层位于距所述混凝土板块(3)顶部2cm深度处；所述第二测量层位于距所述混凝土板块(3)顶部该混凝土板块(3)厚度的1/2距离处；所述第三测量层位于所述混凝土板块(3)的底部。

3.根据权利要求2所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述第一测量层上对应的所述第一测量位(21)处设有两个所述混凝土应变计(11)；该第一测量层上对应的所述第二测量位(22)、所述第三测量位(23)、所述第四测量位(24)和所述第五测量位(25)处各设有一个所述混凝土应变计(11)。

4.根据权利要求3所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述第一测量位(21)处设有的两个所述混凝土应变计(11)相互垂直布置，以使得其中一者能够测量所述混凝土板块(3)沿前后方向上的应变，另一者能够测量所述混凝土板块(3)沿左右方向上的应变；所述第二测量位(22)、所述第三测量位(23)、所述第四测量位(24)和所述第五测量位(25)处设有的所述混凝土应变计(11)均配置为能够测量所述混凝土板块(3)沿前后方向上的应变。

5.根据权利要求1所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述第二测量层上对应的所述第二测量位(22)、所述第三测量位(23)和所述第四测量位(24)处各设有一个所述混凝土应变计(11)，且各所述混凝土应变计(11)均配置为能够测量所述混凝土板块(3)沿前后方向上的应变。

6.根据权利要求1所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述第三测量层上对应的所述第二测量位(22)、所述第三测量位(23)和所述第四测量位(24)处各设有一个所述混凝土应变计(11)，且各所述混凝土应变计(11)均配置为能够测量所述混凝土板块(3)沿前后方向上的应变。

7.根据权利要求6所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述第三测量层上对应的所述第二测量位(22)和所述第四测量位(24)处还各设有一个所述混凝土应力计(12)。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述混凝土应变计(11)为振弦式应变计。

9.根据权利要求1所述的智能采集混凝土面层动态力学响应的测量系统，其特征在于，所述数据收集器设于与所述混凝土板块(3)所对应的硬路肩(4)处。

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