CN112432722A - 一种道路用柔性阵列压力检测系统及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种道路用柔性阵列压力检测系统及其制造方法，压力检测系统包括传感器模块、转接板、单片机和显示模块，传感器模块和显示模块分别与单片机相连，传感器模块通过转接板与单片机相连，传感器模块为柔性阵列压力传感器。压力检测系统的制造方法具体为：进行柔性印刷电路板的与绘制；切割压敏单元，使用导电银胶将导线橡胶粘接在柔性印刷电路板上；正负极分别置于导电橡胶的上下表面，使电流流经压敏单元；连接各部件，同时将参数设定方法和数据采集方法写入单片机；完成压力检测系统的制备。与现有技术相比，本发明具有精度和灵敏度高、抗干扰能力强、实用性好、制备简单、成本低等优点。

Description

一种道路用柔性阵列压力检测系统及其制造方法

技术领域

本发明涉及交通运输工程技术领域，尤其是涉及一种道路用柔性阵列压力检测系统及其制造方法。

背景技术

随着公路交通基础设施的逐步完善和汽车保有量的大幅增加，道路交通安全问题逐渐成为交通管理工作的重中之重。建立在通信技术、计算机信息技术的基础之上，各类车辆检测技术向全面化、范围覆盖化、智能化与实时化的方向发展。检测车辆行驶的轮迹有助于车道偏离预警、异常驾驶行为预警以及车辆冲突预警等，降低道路交通安全事故风险。

目前国内外对车辆轮迹的检测多基于数字图像技术，通过识别道路标线来获取车辆位置信息。但此类方法在标线不清、光线不足的情况下应用有限，且易受天气影响，不易实现道路的全覆盖监测。微波检测技术、主动/被动式红外检测技术、超声波检测技术以及视频检测技术等尚处于发展不完善的阶段，还存在一些不足之处。一方面是抗环境干扰能力还比较弱，包括雨雪雾大风在内的天气、温度与对流、光影变化等，另一方面技术的漏检率较高，检测精度还有待提升。

相对来说，压力检测技术作为埋入式检测，检测精度和抗环境干扰能力较强，成本低；但另一方面，由于埋入式检测技术的安装过程需要挖开路面才能进行检测设备的铺设，给车辆通行带来不便，此外，安装完成的修补区域也容易在交通荷载的反复作用下成为道路损伤易发区域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精度和灵敏度高、抗干扰能力强、实用性好、制备简单、成本低的道路用柔性阵列压力检测系统及其制造方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、精度和灵敏度高，抗干扰能力强：本发明中的压力检测系统压敏单元呈阵列结构排布，采用但不限于9个压敏元件，可以测得传感器各个位置的压力分布，而不仅仅是传感器受到的平均压力，系统的精度和灵敏度都比较高；同时由于传感器采用柔性印刷电路板作为基底，可以弯曲变形，根据传感器的具体用途折叠传感器，从而使传感器的应用范围更广，抗干扰能力更强。

二、实用性好：本发明中的压力检测系统直接安装在预制混凝土板的板底，来监测路面的车辆信息，可用于车辆的动态称重、车道偏离预警以及异常驾驶行为预警等，不会对路面造成破坏，提高了实用性。

三、制备步骤简单，成本低：本发明中的压力检测系统结构简单，制备步骤简单，制造成本较低。

附图说明

图1为本发明中压力检测系统的结构示意图；

图2为本发明中柔性阵列压力传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例中采用MTS压力试验机对导电橡胶进行加载时的示意图；

图4为本发明实施例中测试的9块导电橡胶的压敏特性曲线；

图5为本发明实施例中柔性印刷电路板的电路结构示意图；

图6为本发明实施例中进行电极设计时的示意图；

图7为本发明中柔性传感目的示意图；

图8为本发明中传感网络示意图；

图9为本发明中柔性阵列压力传感器埋设示意图；

图10为道路中裂纹示意图。

图中标号所示：

1、传感器模块，2、转接板，3、单片机，4、显示模块，5、封装单元，6、柔性基底单元，7、压敏单元。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

一种道路用柔性阵列压力检测系统，其结构如图1所示，包括：传感器模块1、转接板2、单片机3和显示模块4，传感器模块1和显示模块4分别与单片机3相连，传感器模块1通过转接板2与单片机3相连，传感器模块1为柔性阵列压力传感器。

压力检测系统的主要功能是将外部的压力信号以电阻的形式显示在显示模块上，实现外部荷载的可视化测量。

本实施例中的柔性阵列压力传感器的结构如图2所示，包括压敏单元7、柔性基底单元6和封装单元5，压敏单元7和柔性基底单元6分别安装在封装单元内，压敏单元7与柔性基底单元6相连。

压敏单元包括导电硅橡胶压敏基体和炭黑导电填料，炭黑导电填料填充在导电硅橡胶压敏基体内。柔性基底单元为柔性印刷电路板，柔性印刷电路板的铜箔厚度为1oz，涂胶采用环氧树脂胶，绝缘材料采用聚酰亚胺，柔性印刷电路板采用正反双面布线。柔性印刷电路板上设有通过有机可焊性抗氧化处理形成厚度为0.2～0.6μm的致密有机覆盖层。

本实施例中的压敏单元的数量为9个，采用3*3阵列均匀分布在柔性基底单元上，每两个相邻的柔性阵列压力传感器的横纵距离均为3cm。

单片机中内嵌有用于传感器模块1的参数设定方法，具体为：

首先串口序列选择对应连接串口，以实现串口初始化、串口读写和关闭串口通信功能；

其次进行延时函数的初始化，使函数能够正常运行；

然后设置终端优先级分组，防止某一时刻多个终端同时发生时，单片机由于无法确定执行哪个终端应用请求而发生故障；

随后根据本实施例设计传输数据的物理特性，选择单片机进行串口通信时的波特率为19200；

最后进行模数转换器ADC的初始化，使单片机能够将连续变量的模拟信号转换为离散数字信号。

单片机中内嵌有用于传感器模块1的数据采集方法，具体为：

依次将PB0、PB1和PB2三个电源输入端端口中的一个端口设置为3.3V高电平，其余两个端口设置为0V低电平，每一个端口连接有三个柔性阵列压力传感器；

将PB0置为高电平时，PB1和PB2为低电平，此时与PB0相连的三个柔性阵列压力传感器通电进行工作，PA1、PA2和PA3三个引脚分别采集此刻与之相连三个柔性阵列压力传感器的电压，并将采集的信息存储到字符串中，实现电阻信息的获取。

本实施例中的参数设定方法和数据采集方法均通过LABVIEW进行设计。

本实施例中的压力检测系统的制造方法具体为：

步骤1：确定柔性阵列压力传感器的阵列分布，使用Altium Designer进行柔性印刷电路板的与绘制，压敏单元采用3*3阵列分布，每两个相邻的压敏单元之间的横纵距离均为3cm，柔性印刷电路板采用正反双面布线；

步骤2：将压敏单元中的导电橡胶切割成圆盘形状，使用导电银胶将导线橡胶粘接在柔性印刷电路板上；

步骤3：如图6所示，将正负极分别置于导电橡胶的上下表面，使电流流经导电橡胶，将外接压力变化转换为导电橡胶电阻变化，图6中导电橡胶的上表面为正极，下表面为负极。

步骤4：连接传感器模块1、转接板2、单片机3和显示模块4，传感器模块1通过转接板2与单片机3相连，显示模块4与单片机3相连，同时将参数设定方法和数据采集方法写入单片机；

步骤5：完成压力检测系统的制备。

本实施例中的压力检测系统可以将柔性阵列传感器埋设在预制混凝土板板底，如图9所示，传感器可以作为车路协同系统的重要组成部分，监测路面的车辆信息，可用于车辆的动态称重、车道偏离预警以及异常驾驶行为预警。如图7～10所示，车辆行驶在智能汽车专用车道上，传感器埋设在路面结构中，当车辆向路面传递行车激励荷载，埋设的传感器可以接收到这一信号，从而检测车辆在路网中的运行状态；传感器埋设在水泥混凝土板之间，也可以通过粘结层检测到混凝土板中的裂纹，从而实现路面裂缝的自修复功能。

下面提供一种具体的应用实例：

首先制作由炭黑填充的导电橡胶，将导电橡胶切割为直径20mm，厚度3mm的圆片；将电子万用表表笔焊接改装成一面绝缘一面导电的覆铜板，以测量导电橡胶的实时电阻值；有机玻璃片起到绝缘隔离作用。采用图1所示加载方式将试验装置摆放好，用MTS压力试验机采用位移控制方式进行单轴加载试验，试验时的示意图如图3所示，图3中从上至下依次是MTS试验机压头、有机玻璃片、电子万用表表笔、导电橡胶、电子万用表表笔、有机玻璃片和MTS试验机底座，底座高度控制不变，压头以1mm/min的速度匀速向下试压，同时用电子万用表记录导电橡胶电阻变化情况，对9块导电橡胶圆片重复此次试验，绘制导电橡胶压敏曲线即电阻随压应力变化图如图4所示。可以发现随着压力的增加，导电橡胶的电阻匀速下降，且9块导电橡胶的压敏曲线差异性较小，且导电橡胶在压应力为0.2～1.5MPa区间内具有很高灵敏度，电阻随压力变化明显，可以作为制作压力传感器的压敏元件。

采用测试过压敏曲线的导电橡胶圆片，采用图5所示电路连接方式制作柔性印刷电路板，将每列3个导电橡胶单元相对应的“负电极”纵向连接起来，引出a、b和c三根引线，将每行3个导电橡胶单元的正电极横向连接起来，引出d、e和f三根引线，正反双面布线，横向和竖向单元间距均为3cm。将导电橡胶用导电银胶粘结在印刷电路板圆圈位置处，电极设计连接方式如图4所示，使电流从上表面流入，下表面流出，形成闭合回路，紧压10分钟使导电橡胶固定在电路板上，得到柔性阵列压力传感器。

采用单片机进行软件部分开发，采用μVision5 IDE集成开发环境，分别完成参数设置模块和信号采集模块的开发，实现电信号的获取，基于LABVIEW软件设计代码使单片机周期性的实时采集柔性阵列压力传感器中块压敏单元的电压，存储到字符串中，之后单片机再将该信息以字符串的形式通过串口发送给LabVIEW程序。通过字符数组、索引数组的传递，实现将9块导电橡胶的实时电阻绘制成波形图呈现在LABVIEW软件显示板上，实现软件部分的开发。

将传感器模块1利用转接板2连接在单片机3上，将软件代码存储在单片机中，与计算机端连接，按照图3的加载方式用MTS压力试验机采用位移控制方式进行单轴加载试验，底座高度控制不变，压头以1min/mm的速度匀速向下施压，可以在计算机端显示压力传感器9块导电橡胶的电阻实时变化情况，利用实施例1中绘制的压敏曲线，将导电橡胶的电阻值转化为其受到的压力大小，与MTS压力试验机记录的压力加载值对比，计算相对误差，发现9块导电橡胶测量的压力相对误差均小于5％，说明本实施例对压力测量值精确度较高，且通过阵列排布可以测试传感器的压力具体分布情况。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的压力检测系统包括传感器模块(1)、转接板(2)、单片机(3)和显示模块(4)；所述的传感器模块(1)和显示模块(4)分别与单片机(3)相连；所述的传感器模块(1)通过转接板(2)与单片机(3)相连；所述的传感器模块(1)为柔性阵列压力传感器。

2.根据权利要求1所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的柔性阵列压力传感器包括压敏单元、柔性基底单元和封装单元；所述的压敏单元和柔性基底单元分别安装在封装单元内；所述的压敏单元与柔性基底单元相连。

3.根据权利要求2所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的压敏单元包括导电硅橡胶压敏基体和炭黑导电填料；所述的炭黑导电填料填充在导电硅橡胶压敏基体内。

4.根据权利要求3所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的柔性基底单元为柔性印刷电路板；所述的柔性印刷电路板的铜箔厚度为1oz，涂胶采用环氧树脂胶，绝缘材料采用聚酰亚胺，柔性印刷电路板采用正反双面布线。

5.根据权利要求4所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的柔性印刷电路板上设有通过有机可焊性抗氧化处理形成厚度为0.2～0.6μm的致密有机覆盖层。

6.根据权利要求2所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的柔性阵列压力传感器中压敏单元的数量为9个。

7.根据权利要求6所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的压敏单元采用3*3阵列均匀分布在柔性基底单元上，每两个相邻的压敏单元的的横纵距离均为3cm。

8.根据权利要求1所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的单片机中内嵌有用于传感器模块(1)的参数设定方法，具体为：

首先串口序列选择对应连接串口，其次进行延时函数的初始化，然后设置终端优先级分组，随后设置串口通信的波特率为19200，最后进行模数转换器ADC的初始化。

9.根据权利要求1所述的一种道路用柔性阵列压力检测系统，其特征在于，所述的单片机中内嵌有用于传感器模块(1)的数据采集方法，具体为：

依次将PB0、PB1和PB2三个电源输入端端口中的一个端口设置为3.3V高电平，其余两个端口设置为0V低电平，每一个端口连接有三个柔性阵列压力传感器；

将PB0置为高电平时，PB1和PB2为低电平，此时与PB0相连的三个柔性阵列压力传感器通电进行工作，PA1、PA2和PA3三个引脚分别采集此刻与之相连三个柔性阵列压力传感器的电压，并将采集的信息存储到字符串中，实现电阻信息的获取。

10.一种用于如权利要求1所述柔性阵列压力检测系统的制造方法，其特征在于，包括：

步骤1：确定柔性阵列压力传感器中压敏单元的的阵列分布，使用Altium Designer进行柔性印刷电路板的与绘制；

步骤2：将压敏单元中的导电橡胶切割成圆盘形状，使用导电银胶将导线橡胶粘接在柔性印刷电路板上；

步骤3：将正负极分别置于导电橡胶的上下表面，使电流流经导电橡胶，将外接压力变化转换为导电橡胶电阻变化；

步骤4：连接传感器模块(1)、转接板(2)、单片机(3)和显示模块(4)，传感器模块(1)通过转接板(2)与单片机(3)相连，显示模块(4)与单片机(3)相连，同时将参数设定方法和数据采集方法写入单片机；

步骤5：完成压力检测系统的制备。

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