CN113124747A - 沥青路面在线安全监测三维传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种沥青路面在线安全监测三维传感器及制备方法，所述传感器包括：承载底板、承载立柱和应力应变敏感元件；承载底板包括相互垂直的第一承载臂和第二承载臂，承载立柱与两承载臂的结合处固定连接，承载立柱垂直于第一承载臂和第二承载臂；应力应变敏感元件包括三组金属应变片，每两个金属应变片为一组且对边接入半桥电路，第一承载臂、第二承载臂和承载立柱上分别设有一组金属应变片，各组金属应变片的敏感方向相互垂直；所述传感器预埋植于高速公路沥青路面内部，与沥青砂石路面无缝嵌接，实现了沥青路面应力和应变的在线监测和检测，实现了对高速公路沥青路面的在线安全监测。

Description

沥青路面在线安全监测三维传感器及制备方法
技术领域
本公开涉及路面监测技术领域，特别涉及一种沥青路面在线安全监测三维传感器及制备方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
受多种因素影响，高速公路的寿命一般为15年左右。高速公路路面以沥青路面为主，由沥青和石子组成，受各种自然与人为因素影响，沥青路面极其容易出现变形和开裂等安全隐患。近年来，国内物流运输急剧增加，大型物流货车、私家车超载和超速等问题频发，极大地折减了高速公路的使役寿命和安全系数，容易引发重大交通事故，造成人身和财产损失。如果能对高速公路沥青路面进行在线安全监测，及时发现安全隐患并维修，对车辆安全、交通通畅和经济建设都具有重要的意义。
因此，高速公路的在线安全监测技术备受有关部门重视，尤其是沥青路面的在线安全监测技术。高速公路的安全监测分为被动和主动两种方式。被动的安全监测主要是指使用检测设备(工程车)进行人工排查，人工排查费时费力，也耽误道路的正常工作，另外，一些沥青路面内部的变形、滑移和开裂等安全隐患也无法有效检测到。主动的安全监测可以实时掌握路况信息，对沥青路面的安全性进行监管，通过在线路基和路面数据进行分析路边的温度、应力、应变等参数，判断路面是否出现超载、大变形、路基移位，预测路基和路面是否出现裂纹、坍塌等危险情况，做到及时预警，使路面得到及时的修复，防止车辆在行驶过程中出现事故，保障车辆和人身安全。
但是，发明人发现，受限于传感器技术，高速公路的安全监测，尤其是对沥青路面的安全监测技术发展十分缓慢。目前，高速公路路面主动安全监测实施案例较少，可用于高速公路路面安全监测的传感器主要有光纤光栅、贵金属应变线、压电陶瓷和金属应变片几类。高速公路路面由沥青和石子组成，由于封装技术不成熟，尤其在车辆载荷下，上述传感器容易被破坏或损毁。上述传感器敏感元件的敏感材料的模量均大于沥青路面，如果受力载体选择不合适，容易造成传感器与路面变形不一致，进而使其测量精度大幅度折扣。另外，目前，内埋式高速公路应力应变监测传感器主要是单维度检测，一个传感器仅仅监测一个方向的应力应变信息，造成检查信息有限，影响预报的准确度，如果要进行多维度监测需要在同一地点埋植多个传感器，导致监测成本大幅度增加；最后，高速公路里程较大，要实现整体路况的安全监测，需要大量的传感器，传感器的成本问题也是制约其发展和应用的重要因素。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种沥青路面在线安全监测三维传感器及制备方法，该传感器预埋植于高速公路沥青路面内部，与沥青砂石路面无缝嵌接，实现了对沥青路面应力和应变的在线监测和检测，传感器轻巧、易用、灵敏度高、封装牢固、存活率高、使用寿命长、制造方法简单、成本低。
为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
本公开第一方面提供了一种沥青路面在线安全监测三维传感器。
一种沥青路面在线安全监测三维传感器，包括：承载底板、承载立柱和应力应变敏感元件；
承载底板包括相互垂直的第一承载臂和第二承载臂，承载立柱与两承载臂的结合处固定连接，承载立柱垂直于第一承载臂和第二承载臂；
应力应变敏感元件包括三组金属应变片，每两个金属应变片为一组且对边接入半桥电路，第一承载臂、第二承载臂和承载立柱上分别设有一组金属应变片，各组金属应变片的敏感方向相互垂直。
进一步的，第一承载臂和第二承载臂均为中间窄、两端宽的平板结构，承载臂的中间窄部为形变平台，承载臂两端宽部为紧固平台，金属应变片设置在形变平台上。
更进一步的，第一承载臂的第一紧固平台的外端与第一受力把手固定连接，第二承载臂的第二紧固平台的外端与第二受力把手固定连接，第一受力把手和第二受力把手均为碳纤维复合材料。
进一步的，承载立柱为中间细、两端粗的立柱结构，中间细部为方形截面的形变棱柱，两端粗部为圆形截面的紧固圆柱，第一紧固圆柱与两承载臂的结合处固定连接。
更进一步的，第二紧固圆柱的上端与受力盖板固定连接，受力盖板为碳纤维复合材料。
进一步的，应力应变敏感元件的保护层自内向外依次为RTV硅橡胶密封层、丁基橡胶保护层和沥青防护层。
进一步的，半桥电路包括两个应变片和两个定值电阻，定值电阻的阻值和应变片在自然状态下的阻值相等，两个应变片和两个定值电阻构成菱形电桥结构的四个桥臂，两个应变片分别位于菱形电桥的对边桥臂。
进一步的，承载底板和承载立柱为纤维增强树脂基复合材料，且纤维增强树脂基复合材料的杨氏模量与沥青路面的杨氏模量的差值在预设范围内。
进一步的，第一承载臂的长度方向为第一方向，第二承载臂的长度方向为第二方向，承载立柱的轴线方向为第三方向；
第一承载臂上的金属应变片的敏感方向与第一方向相同，第二承载臂上的金属应变片的敏感方向与第二方向相同，承载立柱上的金属应变片的敏感方向与第三方向相同。
更进一步的，第一承载臂上的两个金属应变片分别设置在第一承载臂的形变平台上下表面，第二承载臂上的两个金属应变片分别设置在第二承载臂的形变平台上下表面，承载立柱上的两个金属应变片分别设置在形变棱柱相对平行的两个柱面。
本公开第二方面提供了一种第一方面所述的沥青路面在线安全监测三维传感器的制备方法。
一种沥青路面在线安全监测三维传感器的制备方法，包括以下过程：
制作预设厚度和预设边长的正方形纤维增强树脂基复合材料平板以及预设长度和直径的纤维增强树脂基复合材料圆柱棒材；
将正方形复合材料平板加工成L型承载底板，将承载底板的两承载臂加工成中间窄、两端宽的哑铃形结构，承载臂中部窄的部分为形变平台，外端为紧固平台；
将复合材料圆柱棒材加工成中间细、两端粗的哑铃形结构的承载立柱，承载立柱中部为形变棱柱，两端为紧固圆柱；
将碳纤维复合材料的受力把手与承载臂的外端固定连接，将碳纤维复合材料的受力盖板与承载立柱的上紧固圆柱的顶端固定连接；
在承载臂中部形变平台和承载立柱中部形变棱柱的表面涂覆胶水，并放置应力应变敏感元件；
用特氟龙薄膜覆盖应力应变敏感元件，手指轻压用特氟龙薄膜挤出应力应变敏感元件下面多余胶水和有可能的气泡，胶水固化后去除特氟龙薄膜；
在应力应变敏感元件外侧依次覆盖RTV硅橡胶密封层和丁基橡胶保护层；依次把承载立柱固定在承载底板上，把受力把手固定在承载臂两端，把受力盖板固定在承载立柱顶端；
在传感器表面覆盖沥青防护层。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
1、本公开所述的传感器预埋植于高速公路沥青路面内部，与沥青砂石路面无缝嵌接，实现了沥青路面应力和应变的在线监测和检测，实现了对高速公路沥青路面的在线安全监测，传感器轻巧、易用、灵敏度高、封装牢固、存活率高、使用寿命长、制造方法简单、成本低。
2、本公开所述的传感器以高模量、高刚度的碳纤维复合材料为受力把手传递应力，以与沥青路面杨氏模量相近的复合材料为承载底板和承载立柱传递应变，可实现传感器和沥青路面的同步应变，保证了测量的精度。
3、本公开所述的传感器以稳定性好、成本低廉的金属应变片为测量应力应变敏感元件，采用三对应变片对边接入半桥测量电路，可以同时精确测量沥青路面XYZ三维方向的应力应变。
4、本公开所述的应力应变测量敏感元件分别被RTV硅橡胶、丁基橡胶胶条和沥青封装，具有三层保护结构，具有极高的防潮、耐老化、耐高温、耐冲击的特点，传感器成活率高，寿命长，能够应对各种恶劣环境。
5、本公开所述的传感器的制造方法简单，便于操作，制作的传感器稳定性好、精确度高，制造成本低，内埋于高速公路沥青路面后，可实现对高速公路的安全状态的在线监测，具有广阔的应用价值和市场价值。
本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例提供的高速公路沥青路面在线安全监测三维传感器示意图。
图2为本公开实施例提供的承载底板示意图。
图3为本公开实施例提供的承载立柱示意图。
图4为本公开实施例提供的金属应变片对边接入半桥电路示意图(R0为定值电阻，Rx为应力应变敏感元件)。
图中：1、应力应变敏感元件；2、接线端子；3、承载体；3-1、形变平台；3-2、紧固平台；3-3、通孔；3-4、盲孔；4、承载立柱；4-1、形变棱柱；4-2、紧固圆柱；4-3、盲孔；5、受力把手；6、受力盖板；7、紧固螺栓和垫片；8、RTV硅橡胶密封层；9、丁基橡胶保护层；10、沥青防护层；11、导线。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例1：
如图1所示，本公开实施例1提供了一种沥青路面在线安全监测三维传感器，包括：
应力应变敏感元件1、接线端子2、承载底板3、承载立柱4、受力把手5、受力盖板6、紧固螺栓和垫片7、RTV硅橡胶密封层8、丁基橡胶保护层9、沥青防护层10、导线11；
如图2所示，承载底板3为“L”形平板，由两个垂直的承载臂组成，两承载臂结合处的中心有一通孔3-3，承载臂为中间窄、两端宽的哑铃形的平板结构，承载臂中间窄部为形变平台3-1，承载臂两端宽部为紧固平台3-2，紧固平台3-2外端各有两个螺纹盲孔3-4；
如图3所示，承载立柱4为中间细、两端粗的哑铃形的立柱结构，中间细部为方形截面的形变棱柱4-1，两端粗部为圆形截面的紧固圆柱4-2，紧固圆柱4-2外端各有一个螺纹盲孔4-3；承载立柱4通过紧固螺栓和垫片7固定在承载底板3两承载臂结合处的中心；
受力把手5通过紧固螺栓和垫片7固定在承载臂两端，构成该承载臂的“工”字形受力结构；受力盖板6通过紧固螺栓和垫片7固定在承载立柱4的上端；
应力应变敏感元件1和接线端子2粘贴在两承载臂中部形变平台3-1上下表面和承载立柱4形变棱柱4-1的两对称柱面；接线端子2通过焊接导线的方式连接应力应变敏感元件1和外端信号解调设备(动态应变仪)；装配应力应变敏感元件1和接线端子2的形变平台3-1和形变棱柱4-1依次被RTV硅橡胶密封层8和丁基橡胶保护层9封装保护；装配好的上述结构外表面均被沥青防护层10封装保护。
本实施例所述三维传感器工作模式为在线主动监测，多个所述传感器预埋于高速公路沥青路面中，构成传感器阵列，通过导线11与动态应变仪连接，应变仪通过网线与计算机连接。当沥青路面使用过程中发生形变时，传感器应力应变敏感元件1的电信号发生相应变化，动态应变仪监测到电信号变化后传递给计算机，计算机将电信号在线解析成应变和应力信号，并计算沥青路面的安全系数，进而判断高速公路的安全状态。
所述应力应变敏感元件1为具有温度补偿功能的金属应变片，所述金属应变片由应力应变敏感栅区和封装层构成；每个应力应变敏感栅区只对特定方向的应力和应变具有敏感性，该方向为应变片的敏感方向，即应变片的主方向，对于单轴应变片(只有一个敏感栅区)，金属应变片的敏感方向(主方向)一般是应变片的长度方向，即0°方向，所述应力应变敏感元件1为有温度补偿功能单轴金属应变片。
为了实现沥青路面应力应变的三维测量，所述应力应变敏感元件1包含3对具有温度补偿功能的金属应变片(下文简称应变片)，分别标记为X1和X2、Y1和Y2、Z1和Z2；其中，X1和X2对边接入半桥电路，测量沥青路面水平面X方向(承载底板3的X方向)的拉伸和压缩应变；Y1和Y2对边接入半桥电路，测量沥青路面水平面Y方向(承载底板3的Y方向)的拉伸和压缩应变；Z1和Z2对边接入半桥电路，测量沥青路面厚度方向(即Z方向，承载立柱4的Z方向)的拉伸和压缩应变。
所述半桥电路结构基于惠斯通电桥电路原理，由4个桥臂构成一个菱形电桥电路，如图4所示，菱形电桥的两个对角顶点为电压输入端，另外两个对角顶点为电压输出端；所述半桥电路中包含一对应变片和一对定值电阻，定值电阻的阻值和应变片在自然状态下的阻值相等，四个相同的阻值元件分别为菱形电桥结构的四个桥臂，菱形电桥前后两个顶点(左右顶点)提供电源电位E，菱形电桥中间两个顶点(上下顶点)的电压为待测电压Ux，即输出电压。
如图4所示，所述对边接入为：两个应变片分别位于菱形电桥的对边桥臂，即两个不同支路的上桥臂和下桥臂；一对应变片采取对边接入半桥电路优势在于：
(1)一对应变片组合能够提高测量精度，且测量范围相当于1个应变片的2倍；
(2)采用对边接入来测量正应变(拉伸和压缩)时能够排除弯曲应变的干扰。
所述接线端子2为自粘型接线端子，每个接线端子2包含两个铜针脚，每个铜针脚具有两个相连的焊点，用于连接两段导线；所述接线端子2粘接应力应变敏感元件1附近，通过导线焊锡技术牢固地连接应力应变敏感元件1和动态应变仪的导线。
所述承载底板3的制造材料为与沥青路面杨氏模量相近的纤维增强树脂基复合材料，优选碳纤维增强热塑性材料，例如碳纤维增强PA、碳纤维增强POM；承载底板3之所以选择纤维增强树脂基复合材料，因为纤维增强树脂基复合材料有很强的可设计性，可以通过调节增强纤维和树脂的含量或种类，实现承载底板3与沥青路面的杨氏模量精确匹配，保证测量的精度；根据弹性力学基本原理(应力σ等于模量E乘以应变ε，即σ＝Eε)，在杨氏模量相同时，两个不同物体在相同应力下产生的应变才能保持相同，即当沥青路面发生应变时，承载底板3也会产生同样的应变，这样应力应变敏感元件1测量的承载底板3的应变就是沥青路面的真实应变，以此保证测量的准确性。并且在实际施工中，沥青会掺杂沙石从而导致实际模量与理论值具有一定的差距，且沥青模量也容易受温度影响，纤维增强树脂基复合材料通过对纤维和树脂材料种类和含量的设计，很容易实现与沥青路面模量的契合。
如图1和图2所示，所述承载底板3为“L”形的平板结构，由两个垂直的承载臂组成，分别为X承载臂和Y承载臂，两承载臂的结合处的中心有一通孔3-3，孔直径为N(5mm-14mm，优选9mm)，用于固定承载立柱4；承载底板3由边长为L(100mm-200mm，优选150mm)、厚度为H(5mm-15mm，优选10mm)的正方形的复合材料平板铣削而成，承载臂的臂长与正方形母板的边长L相同，承载臂的宽度为S(20mm-60mm，优选40mm)，相同承载臂的厚度与母板的厚度H相同；承载臂外端各有两个带螺纹盲孔，用于螺栓固定受力把手5，其孔直径为R(0.4H-0.8H，优选0.6H)，孔径与紧固螺栓匹配，盲孔位于承载臂外端宽度方向1/4和3/4位置；承载底板3水平放置，承载底板3的X承载臂的长度方向为X方向，承载底板3的Y承载臂的长度方向为Y方向，承载底板3的厚度方向为Z方向。
承载臂为中间窄、两端宽的哑铃形的平板结构，总长度为L，承载臂中间窄部为形变平台3-1，两端宽部为紧固平台3-2；形变平台3-1长度为0.2L-0.5L，宽度为0.5S-0.9S，厚度为0.8H-0.9H，略小于承载底板3的厚度，形变平台3-1经打磨处理后，对应力应变的敏感度提升，用于粘接应力应变敏感元件1，用于检测应力和应变；紧固平台3-2的长度为0.25L-0.4L，宽度为承载臂的宽度S，其值从形变平台3-1到承载臂端部逐步扩大，端部宽度最大，紧固平台3-2用于传递受力把手5的应力。
所述承载立柱4的制造材料与承载底板3相同，均为与沥青路面杨氏模量相近的纤维增强树脂基复合材料，优选碳纤维增强热塑性材料，例如碳纤维增强PA、碳纤维增强POM；通过调节增强纤维和树脂的含量或种类，可实现承载立柱4与沥青路面的杨氏模量精确匹配，保证测量的精度；
如图1和图3所示，所述承载立柱4为中间细、两端粗的哑铃形的立柱结构，承载立柱4由长度为B(60mm-140mm，优选100mm)、直径为D(10mm-30mm，优选20mm)复合材料圆柱棒材加工而成。承载立柱4中间细部为方形截面的形变棱柱4-1，正方形截面边长为0.4D-0.7D，长度为0.4B-0.6B，四个柱面经打磨抛光处理，用于粘贴应力应变敏感元件1；两端粗部为圆形截面的紧固圆柱4-2，长度均为0.2B-0.3B，直径为D，上下紧固圆柱4-2外端各有一个螺纹盲孔，孔径与紧固螺栓和垫片7匹配，孔径为M(4mm-12mm，优选8mm)，上紧固圆柱用于固定受力把手5，下紧固圆柱4-2用于连接承载立柱4和承载底板3，承载立柱4通过紧固螺栓和垫片竖直固定与承载底板3的两承载臂的结合处，承载立柱4的轴向为Z方向，承载立柱4用来测量沥青路面厚度方向(Z方向)的应力应变。
所述应力应变敏感元件1粘贴于承载底板3和承载立柱4的形变敏感区域，其中：
应力应变敏感元件X1和X2分别粘贴在承载底板3的X承载臂中部形变平台3-1的上下表面，X1和X2的主方向(应变敏感方向)与X承载臂的长度的方向相同，且X1和X2对边接入半桥电路，X1和X2组合在一起，测量承载底板3水平面X方向(X承载臂长度方向)的拉伸和压缩应变，即测量沥青路面X方向的应力应变，并能排除弯曲应变对测量结果的干扰；
应力应变敏感元件Y1和Y2分别粘贴在承载底板3的Y承载臂中部形变平台3-1的上下表面，Y1和Y2的主方向(应变敏感方向)与Y承载臂的长度的方向相同，且Y1和Y2对边接入半桥电路，Y1和Y2组合在一起，测量承载底板3水平面Y方向(Y承载臂长度方向)的拉伸和压缩应变，即测量沥青路面Y方向的应力应变，并能排除弯曲应变对测量结果的干扰；
应力应变敏感元件Z1和Z2分别粘贴在承载立柱4中部形变棱柱4-1的两对称柱面，Z1和Z2的主方向(应变敏感方向)与形变棱柱4-1的长度的方向相同，且Z1和Z2对边接入半桥电路，Z1和Z2组合在一起，测量承载立柱4的Z方向的应变Z方向(承载立柱4的竖直方向)的拉伸和压缩应变，即测量沥青路面Z方向(厚度方向)的应力应变，并能排除弯曲应变对测量结果的干扰。
所述应力应变敏感元件1采用室温固化胶粘剂粘接，优选氰酸酯类胶粘剂，粘接方法为：首先将承载臂中部形变平台3-1和承载立柱4中部形变棱柱4-1的表面进行打磨、水中超声清洗、乙醇或丙酮清洗并烘干；然后在应力应变敏感元件1粘贴处附近喷涂偶联剂并晾干；其次在合适的位置涂抹胶粘剂，贴上应力应变敏感元件1，并用特氟龙薄膜覆盖应力应变敏感元件1并挤压出过多的胶粘剂及可能的气泡，然后用橡皮筋捆扎特氟龙薄膜加压固定应力应变敏感元件1；最后胶粘剂固化粘牢后去除橡皮筋和特氟龙薄膜。
所述受力把手5材质为碳纤维复合材料，碳纤维复合材料具有高强度、高刚度、低密度、低热膨胀系数，耐腐蚀，受到外力变形性小的特点，优选采用高模量碳纤维以提高受力把手5的刚度，使受力把手5受力时形变最小，从而最大限度地减少受力把手5将应力传递给承载臂的损耗，保证测量精度；受力把手5为平板结构，中间有两通孔，孔径略大于承载臂外端盲孔直径R，便于紧固螺栓通过，两通孔间距与承载臂外端两盲孔间距相同，分别位于中心长度方向1/4和3/4位置；受力把手5长度与承载臂外端紧最大宽度相同，即S，受力把手5宽度是承载底板3的厚度的3-5倍，即3H-5H，受力把手5的厚度为3mm-5mm，优选4mm；受力把手5一式四份，通过紧固螺栓和垫片7安装在承载臂的两端，两件受力把手5及其中间的承载臂组成传感器的“工”字形受力结构。
受力把手5的作用是将沥青路面承受的应力和应变全部传递给承载臂，其工作机制为：沥青路面变形时，沥青推拉受力把手5，受力把手5带动承载臂，承载臂中间的应变平台产生和沥青路面相同的应变，被粘贴其上的应力应变敏感元件1检测到。
所述受力盖板6的材料与受力把手5相同，为碳纤维复合材料，优选采用高模量碳纤维以提高受力把手5的刚度，使受力把手5受力时形变最小，从而最大限度地减少受力把手5将应力传递给承载立柱4的损耗，保证测量精度；受力盖板6为边长为C(20mm-40mm，优选35mm)的方形平板结构，边长C为大于承载立柱4两端紧固圆柱4-2直径D且小于受力把手长度S，受力盖板6厚度为3mm-5mm，优选4mm；受力盖板6中心有一通孔，孔径略大于承载立柱4盲孔M，便于紧固螺栓通过；受力盖板6通过紧固螺栓和垫片7安装在承载立柱4的上端；受力盖板6的作用是将沥青路面承受的压应变全部传递给承载立柱4，其工作机制为：沥青路面受压变形时，沥青压迫受力盖板6，受力盖板6压缩承载立柱4，承载立柱4中间的应变棱柱产生和沥青路面相同的应变，被粘贴其上的应力应变敏感元件1检测到。
所述RTV硅橡胶密封层8材质为室温硫化(RTV)硅橡胶，液态RTV硅橡胶均匀涂抹覆盖在承载臂中部形变平台3-1和承载立柱4中部形变棱柱4-1的表面，密封上面的应力应变敏感元件1、接线端子2和部分导线11，硅橡胶硫化交联后形成RTV硅橡胶密封层8，用于封装和保护应力应变敏感元件1、接线端子2和部分导线，具有密封、防潮、防氧化、防剐蹭的作用，同时也起到固定上述结构的作用，为本实施例的第一保护层。
所述丁基橡胶保护层9采用丁基橡胶密封胶条，均匀缠绕包裹承载臂中部形变平台3-1和承载立柱4中部形变棱柱4-1表面的RTV硅橡胶密封层8，用于进一步保护应力应变敏感元件1、接线端子2和部分导线，起到防机械损伤的作用；丁基橡胶保护层9包裹于RTV硅橡胶密封层8外，属于本实施例的第二保护层。
所述沥青防护层10采用高速公路施工沥青(无砂石)，喷涂本实施例所述传感器外表面，一方面起到保护本发明使传感器不被外界空气、水和机械力的影响，提高传感器的成活率；另一方面该传感器喷涂上沥青后能够与高速公路路面沥青融合，实现传感器与沥青路面之间的无缝结合，提高测量精度，所述沥青防护层10属于本实施例的第三保护层，保护整个传感器。
本实施例所述的应力应变传感器使用方法，包括以下过程：
S1：制作多个传感器，预埋于沥青路面，并与动态应变仪连接，组建传感器网络阵列。
S2：动态应变仪与计算机连接，计算安装应变应力算法模块、有限元分析模块，风险评估和预警模块，计算机通过网络与高速公路控制中心连接。
S3：沥青路面的应力应变发生变化，传感器上的应力应变敏感元件1的电信号同步发生变化，动态应变仪将变化的电信号传递给计算机。
S4：计算机分析路面传感器阵列测量的应变和应力，根据传感器所在的空间位置关系，进行建模、有限元计算、仿真得到路面的受载信息和安全系数，进而评估高速公路沥青路面的安全状态。
实施例2：
本公开实施例2提供了一种沥青路面在线安全监测三维传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤(1)：选择用于加工纤维增强树脂基复合材料承载底板3和承载立柱4所需的纤维和树脂的种类和含量，使其杨氏模量与沥青路面相同或相近，制作边长L(100mm-200mm，优选140mm)、厚度为H(5mm-15mm，优选10mm)的正方形复合材料平板和长度为B(60mm-140mm，优选100mm)直径为D(10mm-30mm，优选20mm)的圆柱棒材；
步骤(2)：将上述正方形纤维增强树脂基复合材料平板加工成边长L、厚度H、臂宽S(20mm-60mm，优选40mm)的“L”型承载底板3，将承载底板3的两臂加工成中间窄(宽度为0.4S-0.9S，长度为0.2L-0.5L，厚度为0.8H-0.9H)、两端宽(最宽度处为S，长度为0.25L-0.4L，厚度为H)的哑铃形结构，承载臂中部窄的部分为形变平台3-1，外端为紧固平台3-2，在承载臂最外端紧固平台侧面0.25S和0.75S位置钻取两盲孔并攻丝，丝直径为R(0.4H-0.8H，优选0.6H)，两承载臂的结合处中心加工出一个通孔3-3，孔直径为N(5mm-14mm，优选9mm)；
步骤(3)：将复合材料圆柱棒材加工成中间细(正四棱柱结构，正方形截面边长为0.4D-0.7D，长度为0.4B-0.6B)和两端粗(圆柱结构，长度均为0.2B-0.3B，直径为D)的“哑铃”形结构的承载立柱4，承载立柱4中部为形变棱柱4-1，两端为紧固圆柱4-2；在两紧固圆柱外端中心各钻取直径为M(4mm-12mm，优选8mm，M＜N)的盲孔并攻丝；
步骤(4)：制作受力把手5，选取厚度3mm-5mm(优选4mm)的碳纤维复合材料片材，切割成长度为S、宽度为3H-5H的条形工件，在长度方向中心线上0.25S和0.75S的位置钻取两通孔，孔径略大于R，便于紧固螺栓通过，受力把手5一式4份；
步骤(5)：制作受力盖板6，选取厚度3mm-5mm(优选4mm)的碳纤维复合材料片材，切割成长度为C(20mm-40mm，优选35mm)的正方形板，在受力盖板6正中加工出通孔，孔径略大于M，便于紧固螺栓通过；
步骤(6)：将承载臂中部形变平台3-1和承载立柱4中部形变棱柱4-1表面进行打磨，打磨方向与其长度方向呈±45°，然后进行轻微抛光处理，并将其放置在水中超声清洗；
步骤(7)：将承载臂中部形变平台3-1和承载立柱4中部形变棱柱4-1表面用乙醇或丙酮清洗，并在60℃，30min的条件下烘干，然后喷涂偶联剂基底改善粘接界面并晾干；
步骤(8)：将承载臂中部形变平台3-1和承载立柱4中部形变棱柱4-1表面粘贴应力应变敏感元件1处涂抹胶粘剂，胶层要求薄而均匀，稍微晾干后用镊子夹取应力应变敏感元件1贴于四个柱面，粘接方式为：应力应变敏感元件X1和X2分别粘贴在承载底板3的X承载臂中部形变平台3-1的上下表面，X1和X2的主方向(应变敏感方向)与X承载臂的长度的方向相同；应力应变敏感元件Y1和Y2分别粘贴在的Y承载臂中部形变平台3-1的上下表面，Y1和Y2的主方向(应变敏感方向)与Y承载臂的长度的方向相同，应力应变敏感元件Z1和Z2分别粘贴在承载立柱4中部形变棱柱4-1的两对称柱面，Z1和Z2的主方向(应变敏感方向)与形变棱柱4-1的长度的方向相同；
步骤(9)：用特氟龙薄膜覆盖上述应力应变敏感元件1，并用手从应力应变敏感元件1一侧开始轻压，挤出过多的胶粘剂及可能的气泡，粘贴完后对应应变计进行检查，如果发现有粘贴位置或方向不正确的应及时调整，如有基底损坏、气泡、凸点等情况应及时剔除并重新粘贴，然后用橡皮筋捆扎特氟龙薄膜加压固定应力应变敏感元件1，胶粘剂固化粘牢应力应变敏感元件1后去除橡皮筋和特氟龙薄膜；
步骤(10)：粘贴接线端子2，将应力应变敏感元件1的导线焊接在接线端子2针脚一头的焊点，然后将动态应变仪外接导线焊接在接线端子2针脚另一头的焊点，并用绝缘胶带捆扎固定接线端子2前后的导线；
步骤(11)：根据应力应变敏感元件1、接线端子2和导线11的对应关系，分别在6条外接导线11(每条外接导线包含正负极导线)线上标记X1、X2、Y1、Y2、Z1和Z2；
步骤(12)：在承载臂中部形变平台3-1和承载立柱4中部形变棱柱4-1表面涂抹液态RTV硅橡胶，硅橡胶要均匀覆盖应力应变敏感元件1、接线端子2、部分导线11和胶带，室温晾置到RTV硅橡胶硫化，形成RTV硅橡胶密封层8，即第一保护层；
步骤(13)：在具有RTV硅橡胶密封层8的承载臂中部的形变平台3-1和承载立柱4中部的形变棱柱4-1上缠绕丁基橡胶胶条，形成丁基橡胶保护层9，即第二保护层；
步骤(14)：选取合适的螺栓和垫片，依次把承载立柱4固定在承载底板3上，把受力把手5固定在承载臂两端，把受力盖板6固定在承载立柱4顶端；
步骤(15)：在上述传感器嵌件表面均匀喷涂高速公路路面沥青，形成沥青防护层10，即第三保护层。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
包括：承载底板、承载立柱和应力应变敏感元件；
承载底板包括相互垂直的第一承载臂和第二承载臂，承载立柱与两承载臂的结合处固定连接，承载立柱垂直于第一承载臂和第二承载臂；
应力应变敏感元件包括三组金属应变片，每两个金属应变片为一组且对边接入半桥电路，第一承载臂、第二承载臂和承载立柱上分别设有一组金属应变片，各组金属应变片的敏感方向相互垂直。
2.如权利要求1所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
第一承载臂和第二承载臂均为中间窄、两端宽的平板结构，承载臂的中间窄部为形变平台，承载臂两端宽部为紧固平台，金属应变片设置在形变平台上。
3.如权利要求2所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
第一承载臂的第一紧固平台的外端与第一受力把手固定连接，第二承载臂的第二紧固平台的外端与第二受力把手固定连接，第一受力把手和第二受力把手均为碳纤维复合材料。
4.如权利要求1所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
承载立柱为中间细、两端粗的立柱结构，中间细部为方形截面的形变棱柱，两端粗部为圆形截面的紧固圆柱，第一紧固圆柱与两承载臂的结合处固定连接。
5.如权利要求4所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
第二紧固圆柱的上端与受力盖板固定连接，受力盖板为碳纤维复合材料。
6.如权利要求1所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
应力应变敏感元件的保护层自内向外依次为RTV硅橡胶密封层、丁基橡胶保护层和沥青防护层；
或者，
半桥电路包括两个应变片和两个定值电阻，定值电阻的阻值和应变片在自然状态下的阻值相等，两个应变片和两个定值电阻构成菱形电桥结构的四个桥臂，两个应变片分别位于菱形电桥的对边桥臂。
7.如权利要求1所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
承载底板和承载立柱为纤维增强树脂基复合材料，且纤维增强树脂基复合材料的杨氏模量与沥青路面的杨氏模量的差值在预设范围内。
8.如权利要求1所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
第一承载臂的长边方向为第一方向，第二承载臂的长边方向为第二方向，承载立柱的轴线方向为第三方向；
第一承载臂上的金属应变片的敏感方向与第一方向相同，第二承载臂上的金属应变片的敏感方向与第二方向相同，承载立柱上的金属应变片的敏感方向与第三方向相同。
9.如权利要求8所述的沥青路面在线安全监测三维传感器，其特征在于：
第一承载臂上的两个金属应变片分别设置在第一承载臂的形变平台上下表面，第二承载臂上的两个金属应变片分别设置在第二承载臂的形变平台上下表面，承载立柱上的两个金属应变片分别设置在形变棱柱相对平行的两个柱面。
10.一种权利要求1-9任一项所述的沥青路面在线安全监测三维传感器的制备方法，其特征在于：包括以下过程：
制作预设厚度和预设边长的正方形纤维增强树脂基复合材料平板以及预设长度和直径的纤维增强树脂基复合材料圆柱棒材；
将正方形复合材料平板加工成L型承载底板，将承载底板的两承载臂加工成中间窄、两端宽的哑铃形结构，承载臂中部窄的部分为形变平台，外端为紧固平台；
将复合材料圆柱棒材加工成中间细、两端粗的哑铃形结构的承载立柱，承载立柱中部为形变棱柱，两端为紧固圆柱；
将碳纤维复合材料的受力把手与承载臂的外端固定连接，将碳纤维复合材料的受力盖板与承载立柱的上紧固圆柱的顶端固定连接；
将承载臂中部形变平台和承载立柱中部形变棱柱的表面涂覆胶水，并放置应力应变敏感元件；
用特氟龙薄膜覆盖应力应变敏感元件，手指轻压用特氟龙薄膜挤出应力应变敏感元件下面多余胶水和有可能的气泡，胶水固化后去除特氟龙薄膜；
在应力应变敏感元件外侧依次覆盖RTV硅橡胶密封层和丁基橡胶保护层；
依次把承载立柱固定在承载底板上，把受力把手固定在承载臂两端，把受力盖板固定在承载立柱顶端；
在传感器表面覆盖沥青防护层。
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