CN112595356A - 一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统，该系统包括三个柔性压电传感器和一个示波器。所述的柔性压电传感器以压电陶瓷纤维为压电相，聚合物为基体，黏贴在桥梁路面背面实现车速、动态称重实时监测功能。所述的示波器可以将柔性压电传感器的信号进行图像输出来反映出实时的桥梁结构的健康状态。通过屏蔽导线将传感器的信号输出到远端中继控制室的示波器中，监测人员可以通过示波器中的信号输出来判断桥梁路面的健康状态。本发明是利用压电材料的正压电效应，通过在桥梁背面布置传感器阵列可以实现对桥梁的动态称重、测速、测试应变等功能。

Description

一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测 速、测试应变的监测系统

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统。

背景技术

随着经济的发展，车辆保有量大大增加，这就给现在的高速公路收费站增加了压力，传统的称重系统需要车辆完全静止或者是以非常低的速度运行，这样高速公路收费站的车流量就会大大减少，在大雪大雾天气或者车祸发生时，极易造成交通堵塞，造成巨大的经济损失。

近些年来许多混凝土工程结构的失效都是由于车辆过载路面弯曲断裂造成的，混凝土结构的一个重要特性就是其更易受到拉应力造成的损伤，原因在于拉应力会在整个混凝土结构中造成很多细小的裂纹，这些裂纹会在其服役时间内不断地扩展，后期维护不当的话极易造成整个混凝土结构的失效。

另外，传统的基于压电石英或者压电陶瓷这种脆性压电材料的称重系统在每天车辆高速的冲击之下，极易导致损坏，这不仅增加了维护成本，还可能造成潜在的经济风险。

近年来，以PVDF为代表的柔性压电传感器被越来越多的应用于动态健康监测领域，其作为传感器最重要的压电电压常数g比远远高于压电陶瓷和压电石英高，而且兼具柔性和优异的加工性能让它在埋入地下不易受到高速冲击而损坏，维护成本和施工成本相比于传统的压电传感器有很大的优势。不足之处是相较于压电陶瓷压电响应速度较慢，在车流量大的路段会造成测试仪器上相邻峰的干扰。

现在高速公路/桥梁结构测试应变一般是采用电阻应变片黏贴在桥梁表面的方式，这种方式在测试形变量比较大的时候可以准确地反应桥梁的形变情况，但是电阻应变片的测试分辨率较低，在一些微小应变的情况下不能准确地感知应变量，这是其应用于混凝土健康监测领域的局限性。

现在一些文献中提出的或者已经应用在高速公路/桥梁结构检测领域的方法或系统都只能实现动态称重、测量车辆速度的单一功能，往往实现健康监测的多种功能需要布置多个系统，这极大地增加了在混凝土结构中铺设设备的难度以及成本。本发明提出的一种集称重、测速、监测桥梁应变多种监测功能的智能系统不仅铺设简单，而且压电传感器黏贴在桥梁结构的外表面，非常有利于后期的检修维护。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统，所述监测系统包括柔性压电传感器阵列、输出压电传感器电信号的示波器以及连接示波器和压电传感器的屏蔽导线，所述柔性压电传感器阵列通过通过环氧树脂黏贴柔性压电传感器阵列。所述示波器相当于系统中的信号采集系统，当桥梁上有车辆通过时，压电传感器阵列就会产生电信号，远端中继控制室里面的示波器就可以采集到电信号；所述屏蔽导线是连接示波器和传感器阵列的中介，还可以用来屏蔽电磁干扰对传感器输出信号的影响；所述的一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统不仅具有铺设简单，维护方便的功能，还能实现称重、测速、测试桥梁应变三位一体的健康监测功能。本发明公开的高速公路/桥梁结构健康监测系统铺设简单，响应精确，易于后期维护，可以实现高速公路/桥梁结构的称重、测试、测试应变的三位一体的功能，这对目前的高速公路/桥梁结构健康监测领域有很大的意义。

作为本发明的一种改进，所述柔性压电传感器阵列包括第一传感器、第二传感器以及第三传感器，其中第二传感器设置在第一传感器和第三传感器之间，第一传感器以及第三传感器用于车辆速度，第二传感器用来测试车辆重量。所有传感器都可以在车辆通过桥梁的过程中测试其桥梁应变量，传感器的布置简单，后期可随时更换，维护方便。

作为本发明的一种改进，所述压电传感器阵列采用基于压电陶瓷纤维制成。压电传感器不仅柔性和加工性能优良，特别是在车辆高速运行时反而有更佳的信噪比。所述的压电陶瓷纤维，不仅压电常数远高于PVDF材料，而且兼具柔性和良好的加工性能，不易破碎，适合于大规模的应用于高速公路动态健康监测领域。

作为本发明的一种改进，高速公路/桥梁行车道的两端及中间通过环氧树脂黏贴三个柔性压电传感器。

一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

步骤1)当车辆的前轮开始通过两个桥墩支撑的一段桥梁路面时，桥墩之间的传感器由于受到桥梁弯曲形变的影响会产生压电势，根据压电效应可知，形变的程度是和传感器产生的电荷量成正比关系的，因此当车辆的前轮正对压电传感器的话，传感器产生的形变应该最大，因此在示波器上显示出一个峰值信号；当车辆的前轮接触到第一压电传感器时，第一压电传感器就会出现一个峰值，当车辆继续行驶前轮接触到第三压电传感器时，又会出现一个峰值，记录两个峰值出现的时间，因为压电传感器的宽度远远小于桥梁的长度加上车辆是在高速行驶状态，可以认为车辆在极短的时间内通过传感器，因此这两个峰值之间的时间差可以近似认为是车辆通过一段路程之间的时间，再测量出第一、第三传感器之间的铺设距离，这段距离可以认为车辆通过的路程，路程除以时间可以得到车辆的行驶速度；

步骤2)由压电效应知识可知，压电传感器的感应电荷量和其所受到的应力以及形变成正比关系，因为车辆的轴距是远远大于传感器宽度的，因此压电传感器不能直接测量出车辆的全重，所以测试的时候将示波器调整到测试电流档，电流对时间积分即是产生的电荷量，当车辆通过两个桥墩支撑的一段桥梁路面时，第二动态称重传感器会感应出压电电势，接入到电路重会产生电流，压电传感器相当于一个电源，由于传感器感应到的形变是不断增大的，因此传感器一直会产生电信号，这个过程是充电和放电同时进行的过程，示波器中得出的波形图可以视为传感器放电的过程，充电和放电的电荷量是相等的，因此通过标定出动态称重传感器在示波器上形成的电流-时间曲线的面积和车辆重量的关系，就可以在实际测试过程根据这个面积值在一个动态过程中计算出车辆的重量；此外还通过改变车辆行驶的速度来探究车辆速度对传感器输出信号的影响。

步骤3)当车辆通过两个桥墩支撑的一段桥梁路面时，桥梁结构会产生向下凹陷的形变，这样黏贴在桥梁背面的压电传感器会产生一个弯曲形变并产生电信号，由压电效应的知识可知电信号的大小和压电传感器的形变量成一个正比关系，通过提前标定的方式在实测中根据电信号的大小计算出桥梁的形变量。

相对于现有技术，本发明的有益效果如下：本发明的这种三位一体的混凝土健康监测系统，改善了现有的一些方法和监测系统的不足，可以实现多种混凝土健康指标的监测。采用基于压电陶瓷纤维制成的压电传感器不仅柔性和加工性能优良，特别是在车辆高速运行时反而有更佳的信噪比；采用在桥梁背面黏贴多个传感器的方式可以很精确地得出车辆通过桥梁的速度；传感器的柔性特质不仅可以使它更加耐受冲击载荷，而且只要经过事先的标定就可以可以测试桥梁的弯曲应变量，这样就可以在混凝土结构损伤的时候做一个提前的预警。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为压电传感器等效电路图；

图3为第一传感器输出信号图；

图4为第三传感器输出信号图；

图5为第二传感器输出信号图；

图6为车重-电荷量标定结果图；

图7为速度-电荷量标定结果图；

图8为步进电机示意图；

图9为步进电机输出信号示意图。

图中：1、第一传感器，2、第二传感器，3、第三传感器，4、示波器。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和了解，下面结合附图说明和实施实例对本发明做进一步说明。

实施例1：如图1所示，一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统，所述监测系统包括柔性压电传感器阵列、输出压电传感器电信号的示波器4以及连接示波器和压电传感器的屏蔽导线5，所述柔性压电传感器阵列通过通过环氧树脂黏贴柔性压电传感器阵列。所述示波器相当于系统中的信号采集系统，当桥梁上有车辆通过时，压电传感器阵列就会产生电信号，远端中继控制室里面的示波器就可以采集到电信号；所述屏蔽导线是连接示波器和传感器阵列的中介，还可以用来屏蔽电磁干扰对传感器输出信号的影响；所述的一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统不仅具有铺设简单，维护方便的功能，还能实现称重、测速、测试桥梁应变三位一体的健康监测功能。所述柔性压电传感器阵列包括第一传感器1、第二传感器2以及第三传感器3，其中第二传感器2设置在第一传感器1和第三传感器3之间，第一传感器1以及第三传感器3用于车辆速度，第二传感器2用来测试车辆重量。所有传感器都可以在车辆通过桥梁的过程中测试其桥梁应变量，传感器的布置简单，后期可随时更换，维护方便，所述压电传感器阵列采用基于压电陶瓷纤维制成。压电传感器不仅柔性和加工性能优良，特别是在车辆高速运行时反而有更佳的信噪比。所述的压电陶瓷纤维，不仅压电常数远高于PVDF材料，而且兼具柔性和良好的加工性能，不易破碎，适合于大规模的应用于高速公路动态健康监测领域。上述方案中，传感器制备，所述柔性压电传感器是以压电陶瓷纤维为压电相，聚合物为基体；道路铺设，所述高速公路/桥梁结构健康监测系统，如图1所示，是在高速公路/ 桥梁结构车道线的两端及中间通过环氧树脂黏贴三个柔性压电传感器，并通过屏蔽导线连接到远端中继控制室的示波器中；所述高速公路/桥梁结构健康监测系统可以看成一个压电传感器的等效电路(如图2所示)。当压电传感器受到正应力或者弯曲应力的时候就会在压电相的正反两面产生数量相等，极性相反的电荷，将压电传感器接入电路就可以产生定向流动的电流，示波器可以调节测试参数，可以测试电荷也可以测试电流。图中的电阻是为了防止压电传感器未受外界应力的时候在示波器中形成电荷漂移的现象，相当于一个稳定器。所述高速公路/桥梁结构健康监测系统提供车辆测速的功能。当车辆通过两个桥墩之间的一段桥梁路面时，黏贴在桥梁路面背面的压电传感器由于桥梁弯曲的作用，也会产生弯曲形变进而产生压电电荷，产生的电荷量随着形变量的增大而增加。当车辆的前轮通过第一传感器时，第一传感器的电荷峰值会达到最大值，与此同时会在远端中继控制室的示波器中形成第一段峰值，如图3所示，记录第一段峰值产生的时间 T1，当车辆的前轮通过第三传感器时，第三传感器同样会由于压电效应会在示波器中产生一个峰值，如图4所示，记录这个峰值出现的时间为T2，它们之间的时间间隔T就是T2-T1，它代表车辆通过两个压电传感器之间的时间，两个传感器之间的距离为L，那么车辆通过的速度为V＝L/T；

所述的高速公路/桥梁结构健康监测系统提供车辆动态称重的功能。当车辆通过两个桥墩之间的一段桥梁路面时，2号传感器会收到桥梁弯曲形变的效应产生弯曲形变，在其表面产生压电电荷，示波器中会显示车辆通过桥梁路面的过程中产生信号的变化，这里示波器测量的是电流信号，如图5所示。由压电效应的原理可知，传感器所收到的荷载和压电传感器产生的电荷量成一个正比关系，电流对时间的积分就是传感器产生的电荷量。桥梁路面的开始到第二压电传感器之间的距离可以看作是一个称重区，小车在称重区行驶的过程中，第二传感器受到不断增加的形变，进而不断产生电荷，在示波器上显示的就是如图所示的波形。利用Origin拟合积分功能可以计算出电流对时间的积分，即产生的电荷量。设定称重区的宽度和车辆行驶速度为定值，车辆的载荷设置为5kg、 7.5kg、10kg、14kg、16.5kg、23kg，然后计算得出每种载荷下传感器产生的电荷量，标定车辆载荷和电荷量的关系，标定结果如图6所示。灵敏度为4.8087E-11C/kg。拟合度高达0.97，证明传感器可以准确响应出通过车辆的载荷。由于车辆的行驶速度不一样，不同速度的车辆经过称重区的时候会产生不一样的峰值信号，控制称重区和车辆的载重一定，设定车辆的速度分别为66cm/s、50cm/s、40cm/s、33cm/s、28cm/s、25cm/s，标定出车辆行驶速度和电荷量的关系，标定结果如图7所示。经计算不同速度的车辆不会影响传感器输出的电荷量，误差在百分之十以内。

所述的高速公路/桥梁结构健康监测系统提供监测桥梁应变的作用。压电传感器的形变量和输出电压是成正比例关系的，利用如图8所示的步进电机对压电传感器的形变量和电压做一个标定的关系，压电传感器的应变可由公式表述为：

其中ΔL是步进电机压缩或者拉伸压电传感器的步长，L是柔性传感器的长度。设置电机的驱动程序控制步进电机运动参数，设置步进速率为16mm/s，步长分别为0.004mm、0.008mm、0.012mm、0.016mm、0.020mm、0.024mm，所对应的压电传感器的应变率分别为ε＝0.013％、0.027％、0.040％、0.053％、0.067％和0.080％。图9(a)的波形图从左到右分别对应的是传感器在0.013％～0.020％应变量下的电压输出信号图。图9(b)是压电传感器的形变量-输出电压的线性拟合图。经计算，压电传感器的最小分辨的应变量在万分之一以内，这就表明本发明所制备的柔性压电传感器能够监测高速公路/桥梁结构的微小形变，这点对于实时地监测桥梁结构的受拉情况是非常重要的。

需要说明的是上述实施例仅仅是本发明的较佳实施例，并没有用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上做出的等同替换或者替代均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统，其特征在于，所述监测系统包括柔性压电传感器阵列、输出压电传感器电信号的示波器(4)以及连接示波器和压电传感器的屏蔽导线(5)，所述柔性压电传感器阵列通过通过环氧树脂黏贴柔性压电传感器阵列。

2.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统，其特征在于，所述柔性压电传感器阵列包括第一传感器、第二传感器以及第三传感器，其中第二传感器设置在第一传感器和第三传感器之间，第一传感器以及第三传感器用于车辆速度，第二传感器用来测试车辆重量。

3.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统，其特征在于，所述压电传感器阵列采用基于压电陶瓷纤维制成。

4.根据权利要求1所述的基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统，其特征在于，高速公路/桥梁行车道的两端及中间通过环氧树脂黏贴三个柔性压电传感器。

5.根据权利要求1-4任意所述的基于柔性压电传感器的高速公路/桥梁结构动态称重、测速、测试应变的监测系统的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

步骤1)当车辆的前轮开始通过两个桥墩支撑的一段桥梁路面时，桥墩之间的传感器由于受到桥梁弯曲形变的影响会产生压电势，根据压电效应可知，形变的程度是和传感器产生的电荷量成正比关系的，因此当车辆的前轮正对压电传感器的话，传感器产生的形变应该最大，因此在示波器上显示出一个峰值信号；当车辆的前轮接触到第一压电传感器时，第一压电传感器就会出现一个峰值，当车辆继续行驶前轮接触到第三压电传感器时，又会出现一个峰值，记录两个峰值出现的时间，因为压电传感器的宽度远远小于桥梁的长度加上车辆是在高速行驶状态，可以认为车辆在极短的时间内通过传感器，因此这两个峰值之间的时间差可以近似认为是车辆通过一段路程之间的时间，再测量出第一、第三传感器之间的铺设距离，这段距离可以认为车辆通过的路程，路程除以时间可以得到车辆的行驶速度；

步骤2)由压电效应知识可知，压电传感器的感应电荷量和其所受到的应力以及形变成正比关系，因为车辆的轴距是远远大于传感器宽度的，因此压电传感器不能直接测量出车辆的全重，所以测试的时候将示波器调整到测试电流档，电流对时间积分即是产生的电荷量，当车辆通过两个桥墩支撑的一段桥梁路面时，第二动态称重传感器会感应出压电电势，接入到电路重会产生电流，压电传感器相当于一个电源，由于传感器感应到的形变是不断增大的，传感器一直会产生电信号，这个过程是充电和放电同时进行的过程，示波器中得出的波形图可以视为传感器放电的过程，充电和放电的电荷量是相等的，通过标定出动态称重传感器在示波器上形成的电流-时间曲线的面积和车辆重量的关系，在实际测试过程根据这个面积值在一个动态过程中计算出车辆的重量；

步骤3)当车辆通过两个桥墩支撑的一段桥梁路面时，桥梁结构会产生向下凹陷的形变，这样黏贴在桥梁背面的压电传感器会产生一个弯曲形变并产生电信号，由压电效应的知识可知电信号的大小和压电传感器的形变量成一个正比关系，通过提前标定的方式在实测中根据电信号的大小计算出桥梁的形变量。

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