CN114199118A - 层间应变传感器、层间应变监测装置以及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种层间应变传感器，所述层间应变传感器包括安装基座和多个应变检测元件，所述安装基座开设有贯通孔，所述安装基座具有第一方向，所述第一方向垂直于所述贯通孔的中心轴线，多个所述应变检测元件安装在所述安装基座的基座外壁和/或所述贯通孔的通孔内壁，且多个所述应变检测元件的应变检测方向均为所述第一方向。上述层间应变传感器、层间应变监测装置以及层间应变监测系统，在进行沥青混凝土的层间应变检测时，基于层间应变传感器的特殊结构设计，可以仅检测第一方向的应变量，避免其他方向应变的干涉和影响，提高检测的精准性、提高检测的灵敏度。

Description

层间应变传感器、层间应变监测装置以及监测系统

技术领域

本发明涉及位移检测技术领域，特别是涉及一种层间应变传感器、层间应变监测装置以及层间应变监测系统。

背景技术

沥青路面层间应变反映着路面的安全行驶性能，影响着道路的使用寿命，目前，对于路面层间应变的监测，通常采用传感器和弹性杆结合的方式，弹性杆一般为细长杆，传感器安装在弹性杆上，弹性杆的两端被固定后，将携带有传感器的弹性杆一并内置于路面层间内，这是目前进行路面层间应变监测的有效手段，但是，在实际的监测过程中发现，传感器除了可以监测到轴向应变外，也存在其他方向应变的干扰，无法获得精准的监测数据，对于路面层间应变的监测灵敏度较低。

发明内容

基于此，有必要针对路面层间应变的监测灵敏度低的问题，提供一种层间应变传感器、层间应变监测装置以及层间应变监测系统。

本发明提供了一种层间应变传感器，所述层间应变传感器包括：

安装基座，所述安装基座开设有贯通孔，所述安装基座具有第一方向，所述第一方向垂直于所述贯通孔的中心轴线；

多个应变检测元件，多个所述应变检测元件安装在所述安装基座的基座外壁和/或所述贯通孔的通孔内壁，且多个所述应变检测元件的应变检测方向均为所述第一方向。

在其中一个实施例中，所述应变检测元件为片状件，多个所述应变检测元件之间相互平行。

在其中一个实施例中，所述安装基座具有第二方向，所述第一方向和所述第二方向相互垂直，所述第二方向垂直于所述贯通孔的中心轴线，其中，多个所述应变检测元件沿着所述第二方向直线排列，且多个所述应变检测元件均垂直于所述第二方向。

在其中一个实施例中，所述应变检测元件的数量为2n个，n为整数，n个所述应变检测元件安装在所述安装基座的基座外壁，另外n个所述应变检测元件安装在所述贯通孔的通孔内壁。

在其中一个实施例中，所述应变检测元件的数量为4个，2个所述应变检测元件安装在所述安装基座的基座外壁，另外2个所述应变检测元件安装在所述贯通孔的通孔内壁，4个所述应变检测元件连接构成惠斯通电桥电路。

在其中一个实施例中，所述安装基座为八棱柱体，所述贯通孔为圆柱形孔，且所述安装基座的中心轴线和所述贯通孔的中心轴线重合，其中，所述八棱柱体中包含两个相互平行且均垂直于所述第一方向的第一组棱面，所述第一组棱面被配置为用于连接弹性杆，所述八棱柱体中包含两个相互平行且均垂直于所述第二方向的第二组棱面，所述第二组棱面被配置为用于安装所述应变检测元件。

在其中一个实施例中，所述安装基座的最小壁厚为t，所述贯通孔的半径为r，4＞r/t＞0.2。

本发明还提供了一种层间应变监测装置，包括：

保护外壳，所述保护外壳具有安装内腔以及连通所述安装内腔的外接孔；

所述层间应变传感器，设置在所述安装内腔中，且所述层间应变传感器与所述安装内腔之间具有间隙；

弹性杆，所述弹性杆穿过所述外接孔与设置在所述安装内腔中的所述层间应变传感器连接，所述弹性杆平行于所述第一方向。

在其中一个实施例中，所述层间应变监测装置包括：

固定机构，所述固定机构安装在所述弹性杆上。

本发明还提供了一种层间应变监测系统，包括所述层间应变监测装置。

上述层间应变传感器、层间应变监测装置以及层间应变监测系统，在进行沥青混凝土的层间应变检测时，基于层间应变传感器的特殊结构设计，可以仅检测第一方向的应变量，避免其他方向应变的干涉和影响，提高检测的精准性、提高检测的灵敏度，层间应变传感器可以根据需求调整在沥青混凝土内部掩埋的方向，比如在路面铺设中相互垂直的两个方向，如将不同层间应变传感器的第一方向分别设置在路面上平行于车辆行驶的方向上，以及路面上垂直于车辆行驶的方向上，检测该两个方向上的两个应变，即沥青混凝土的横向应变与纵向应变。

附图说明

图1为本发明一个实施例中提供的层间应变传感器的结构示意图；

图2为本发明一个实施例中提供的层间应变传感器与保护外壳的装配结构示意图；

图3为如图2所示的层间应变传感器与保护外壳的装配结构的A-A截面示意图；

图4为本发明一个实施例中提供的惠斯通电桥电路的电路图；

图5为本发明一个实施例中提供的层间应变传感器的尺寸图；

图6为本发明一个实施例中提供的层间应变传感器的对比例的尺寸图；

图7为本发明一个实施例中提供的保护外壳的内部结构示意图；

图8为本发明一个实施例中提供的保护外壳与弹性杆的装配结构示意图；

图9为本发明一个实施例中提供的层间应变监测装置的结构示意图1；

图10为本发明一个实施例中提供的层间应变监测装置的结构示意图2。

附图标号：

100、安装基座；200、应变检测元件；300、保护外壳；400、弹性杆；500、固定机构；

110、贯通孔；120、第一方向；130、第二方向；140、基座外壁；

111、通孔内壁；141、第一组棱面；142、第二组棱面；

210、惠斯通电桥电路；

310、安装内腔；320、外接孔；

510、固定杆；520、法兰。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1至图10所示，本发明一实施例提供了一种层间应变传感器，所述层间应变传感器包括安装基座100和多个应变检测元件200，所述安装基座100开设有贯通孔110，所述安装基座100具有第一方向120，所述第一方向120垂直于所述贯通孔110的中心轴线，多个所述应变检测元件200安装在所述安装基座100的基座外壁140和/或所述贯通孔110的通孔内壁111，且多个所述应变检测元件200的应变检测方向均为所述第一方向120。

该层间应变传感器中的安装基座100可以作为应变检测元件200的安装基础，其中，安装基座100上具有贯通孔110，因此应变检测元件200可以根据检测需求安装在安装基座100的基座外壁140或贯通孔110的通孔内壁111上，或者当应变检测元件200为多个时，可以在安装基座100的基座外壁140和贯通孔110的通孔内壁111上均安装有应变检测元件200，以使多个应变检测元件200之间能够形成协同检测，在安装基座100的基座外壁140和贯通孔110的通孔内壁111上均布局有检测位置，以对多种检测位置形成综合检测。

安装基座100除了提供安装基础以外，还限定了垂直于贯通孔110中心轴线的第一方向120，该第一方向120可以作为应变检测元件200安装方向的基准，将多个应变检测元件200安装在安装基座100的基座外壁140或贯通孔110的通孔内壁111上时，均需要保证应变检测元件200的应变检测方向为该第一方向120，无论应变检测元件200的数量为多少，均保持所有应变检测元件200的应变检测方向是一致的。

应变检测元件200的具体结构形式可以为多种，例如应变检测元件200可以为柱状、片状、块状等，在其中一个实施例中，所述应变检测元件200为片状件，应变检测元件200可以通过MEMS(微电子)等技术制作，此时片状件的应变检测方向为平行于其本身片状结构的平面的方向，所以可以保持多个所述应变检测元件200之间相互平行，这样就可以保证所有应变检测元件200的应变检测方向是一致的。

在对多个应变检测元件200进行安装时，可以按照规则的排列结构布置多个应变检测元件200，在其中一个实施例中，为了规定多个应变检测元件200的排列结构，可以限定所述安装基座100具有第二方向130，所述第一方向120和所述第二方向130相互垂直，所述第二方向130垂直于所述贯通孔110的中心轴线，其中，可以控制多个所述应变检测元件200沿着所述第二方向130直线排列，且多个所述应变检测元件200均垂直于所述第二方向130。

例如，在该第一方向120上可以形成第一基准直线，该第一基准直线既垂直于所述贯通孔110的中心轴线，又与所述贯通孔110的中心轴线相交，同样在该第二方向130上可以形成第二基准直线，该第二基准直线既垂直于所述贯通孔110的中心轴线，又与所述贯通孔110的中心轴线相交，此时多个应变检测元件200沿着第二方向130直线排列时即可以是沿着第二基准直线进行排列，同时还可以保证每个应变检测元件200均关于该第二基准直线对称，使应变检测元件200的安装完全沿着第二基准直线布置，除此之外，还可以使多个应变检测元件200也相对于第一基准直线对称，此时多个应变检测元件200在安装基座100上的布置便在第一方向120和第二方向130上标准且均匀，多个应变检测元件200进行层间应力检测时也能够获得精准的数据。

安装基座100的本身结构形状可以根据装配和检测需求设置，例如安装基座100可以为柱状、块状等，在其中一个实施例中，所述安装基座100为八棱柱体，所述贯通孔110为圆柱形孔，且所述安装基座100的中心轴线和所述贯通孔110的中心轴线重合，因此，该安装基座100垂直于轴向的截面可以为环形，而且该环形的内圈为圆形，外圈为八棱形，当安装基座100的轴向长度较长时，安装基座100为八棱柱体，当安装基座100的轴向长度较短时，安装基座100也可以被看作为环形体，且大致为八角环形体或八棱环形体。

其中，所述八棱柱体中包含两个相互平行且均垂直于所述第一方向120的第一组棱面141，所述第一组棱面141被配置为用于连接弹性杆400，所述八棱柱体中包含两个相互平行且均垂直于所述第二方向130的第二组棱面142，所述第二组棱面142被配置为用于安装所述应变检测元件200，弹性杆400可以垂直于第一组棱面141进行连接，以使弹性杆400在长度方向承受的应力可以沿着第一方向120施加到安装基座100上，被应变检测元件200获取到。

对于安装基座100的具体尺寸可以根据需求设置，在其中一个实施例中，参阅图5所示，可以设安装基座100的高度为b，安装基座100的最小壁厚为t，贯通孔110的半径为r，应变为ε₁，参阅图6所示，用来与该安装基座100形成对比例的方板的宽度b，长度2(r+t)，应变ε₀。

结合图5和图6所示，α为同样大小作用力F的情况下，安装基座100与方板在安装有应变检测元件200位置处的应变值，根据如下公式：

令α＝1，此时r/t＝0.2，若大于r/t>0.2即可增加灵敏度，t/R＞0.25时，八角环与圆环位移偏差小于10％。因此，可以设定4＞r/t＞0.2，将安装基座100的尺寸控制在合理区域。

应变检测元件200的数量可以为单数或双数，为了获得精准的数据，在其中一个实施例中，所述应变检测元件200的数量可以为2n个，n为整数，n个所述应变检测元件200安装在所述安装基座100的基座外壁140，另外n个所述应变检测元件200安装在所述贯通孔110的通孔内壁111，使多个应变检测元件200能够在所述安装基座100的基座外壁140以及所述贯通孔110的通孔内壁111获取均匀的、精准的数据。例如，所述应变检测元件200的数量为4个，2个所述应变检测元件200安装在所述安装基座100的基座外壁140，另外2个所述应变检测元件200安装在所述贯通孔110的通孔内壁111，此时4个所述应变检测元件200可以连接构成惠斯通电桥电路210，惠斯通电桥电路210的输出端信号由导线引出后，可以依次连接信号功率放大器、滤波器等实现应力监测功能。

假设4个应变检测元件200分别为R1、R2、R3、R4，R1、R2位于安装基座100的基座外壁140，R3、R4位于贯通孔110的通孔内壁111，R1的应力为ε₁、R2的应力为ε₂、R3的应力为ε₃、R4的应力为ε₄，此时R1和R2应力ε₁和ε₂，与R3和R4的应力ε₃和ε₄刚好相反，即ε₁＝ε₂＝-ε₃＝-ε₄＝ε，如下：

组成的半桥模式能够自动补偿温度，解决因热胀冷缩带来的温度误差影响，这样可以完美的测量由弹性杆400的轴向应变造成的应变检测元件200的电阻变化，进而得到弹性杆400的轴向应变。

进行层间应力检测时，可以将连接有弹性杆400的层间应变传感器一并埋入沥青混凝土中，弹性杆400与层间应变传感器的连接需要限定为弹性杆400沿着第一方向120与层间应变传感器连接，即弹性杆400的长度方向(或称为弹性杆400的轴向)与第一方向120平行，而且应变检测元件200安装在安装基座100上时的应变检测方向也为第一方向120，这能够保证弹性杆400的应变方向与应变检测元件200的应变检测方向形成一致的匹配效果。

因为弹性杆400只沿着第一方向120与层间应变传感器，所以弹性杆400只能发生朝向第一方向120的应变(轴向应变)，将沥青混凝土的应变传送至应变检测元件200，在弹性杆400受到第二方向130的外力时，由于安装基座100在第二方向130上并没有与弹性杆400连接，因此安装基座100在第二方向130是自由的，这会使安装基座100内部并不会产生第二方向130的应变。尤其是在弹性杆400和层间应变传感器埋入沥青混凝土中时就严格按照第一方向120布置时，层间应变传感器的方式是绝对固定的，应变方向只能在第一方向120上，使得安装基座100只发生第一方向120的应变，其他方向的应变均为0，即便是弹性杆400发生扭转时，安装基座100在扭转方向也是自由的，因此安装基座100在除了第一方向120上以外仍然不会发生形变，这样的结构设计可以使得安装基座100只能产生来自于第一方向120的应变，不会产生其他的影响因素，有效地提高了检测数据的精准性。

由此可知，在利用上述层间应变传感器配合弹性杆400进行层间应变检测时，基于层间应变传感器的特殊结构设计，可以仅检测第一方向120的应变量，避免其他方向应变的干涉和影响，提高检测的精准性，提高检测的灵敏度，层间应变传感器可以根据需求调整在沥青混凝土内部掩埋的方向，比如在路面铺设中相互垂直的两个方向，如将不同层间应变传感器的第一方向120分别设置在路面上平行于车辆行驶的方向上，以及路面上垂直于车辆行驶的方向上，检测该两个方向上的两个应变，即沥青混凝土的横向应变与纵向应变，而且，层间应变传感器中应变检测元件200的布置及电桥连接，使得层间应变传感器具备温度补偿效果，无需额外温度补偿。

本发明还提供了一种层间应变监测装置，包括保护外壳300、所述层间应变传感器和弹性杆400，所述保护外壳300具有安装内腔310以及连通所述安装内腔310的外接孔320，所述层间应变传感器，设置在所述安装内腔310中，且所述层间应变传感器与所述安装内腔310之间具有间隙，所述弹性杆400穿过所述外接孔320与设置在所述安装内腔310中的所述层间应变传感器连接，所述弹性杆400平行于所述第一方向120。

保护外壳300可以起到保护层间应变传感器的作用，使层间应变传感器避免受到沥青混凝土的碾压后发生破坏，避免外界对层间应变传感器的损伤，如摩擦、酸碱腐蚀等，在振动、高温、高压的路工况下，保护外壳300可以保证层间应变传感器正常运转，提高层间应变传感器埋设的存活率。保护外壳300可以采用任意结构形式，只要满足层间应变传感器的安装以及弹性杆400的连接即可，例如保护外壳300的外形可以为方形，并可以包括能够相互拼接的第一外壳和第二外壳，第一外壳和第二外壳内具有凹槽结构，第一外壳和第二外壳相互拼接后可以通过两个凹槽结构构成安装内腔310，其中，第一外壳和第二外壳上均设置有螺纹孔，第一外壳和第二外壳可以通过螺钉连接固定在一起。

第一外壳和第二外壳中的凹槽结构可以略大于安装基座100，使安装基座100安装在安装内腔310后可以与安装内腔310之间形成间隙，这为安装基座100提供了一定的可形变空间。第一外壳和第二外壳上均设置有缺口，第一外壳和第二外壳相互拼接后可以通过其上的缺口构成外接孔320，用来穿设弹性杆400，弹性杆400可以为圆杆，因此可以设置外接孔320的直径与弹性杆400的直径相同。

弹性杆400的材料可以为耐高温尼龙，保护外壳300的材料可以是金属或合金等具有一定刚度的硬质材料。

层间应变传感器和弹性杆400埋入沥青混凝土内时，需要保证埋入的方向，即层间应变传感器中第一方向120为希望检测的方向，在其中一个实施例中，所述层间应变监测装置包括固定机构500，该固定机构500可以在层间应变传感器和弹性杆400埋入沥青混凝土内后维持层间应变传感器和弹性杆400的埋入方向，所述固定机构500安装在所述弹性杆400上，固定机构500可以由固定杆510和法兰520构成，例如固定杆510可以为两根，两根固定杆510相互垂直呈十字形，通过法兰520固定连接在一起，并一同与弹性杆400形成连接，起到对弹性杆400固定的效果。

本发明还提供了一种层间应变监测系统，包括所述层间应变监测装置。由于所述层间应变传感器和所述层间应变监测装置的具体结构、功能原理以及技术效果均在前文详述，在此便不再赘述，任何有关于所述层间应变传感器和所述层间应变监测装置的技术内容，均可参考前文的记载。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种层间应变传感器，其特征在于，所述层间应变传感器包括：

安装基座，所述安装基座开设有贯通孔，所述安装基座具有第一方向，所述第一方向垂直于所述贯通孔的中心轴线；

多个应变检测元件，多个所述应变检测元件安装在所述安装基座的基座外壁和/或所述贯通孔的通孔内壁，且多个所述应变检测元件的应变检测方向均为所述第一方向。

2.根据权利要求1所述的层间应变传感器，其特征在于，所述应变检测元件为片状件，多个所述应变检测元件之间相互平行。

3.根据权利要求2所述的层间应变传感器，其特征在于，所述安装基座具有第二方向，所述第一方向和所述第二方向相互垂直，所述第二方向垂直于所述贯通孔的中心轴线，其中，多个所述应变检测元件沿着所述第二方向直线排列，且多个所述应变检测元件均垂直于所述第二方向。

4.根据权利要求1所述的层间应变传感器，其特征在于，所述应变检测元件的数量为2n个，n为整数，n个所述应变检测元件安装在所述安装基座的基座外壁，另外n个所述应变检测元件安装在所述贯通孔的通孔内壁。

5.根据权利要求4所述的层间应变传感器，其特征在于，所述应变检测元件的数量为4个，2个所述应变检测元件安装在所述安装基座的基座外壁，另外2个所述应变检测元件安装在所述贯通孔的通孔内壁，4个所述应变检测元件连接构成惠斯通电桥电路。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的层间应变传感器，其特征在于，所述安装基座为八棱柱体，所述贯通孔为圆柱形孔，且所述安装基座的中心轴线和所述贯通孔的中心轴线重合，其中，所述八棱柱体中包含两个相互平行且均垂直于所述第一方向的第一组棱面，所述第一组棱面被配置为用于连接弹性杆，所述八棱柱体中包含两个相互平行且均垂直于所述第二方向的第二组棱面，所述第二组棱面被配置为用于安装所述应变检测元件。

7.根据权利要求6所述的层间应变传感器，其特征在于，所述安装基座的最小壁厚为t，所述贯通孔的半径为r，4＞r/t＞0.2。

8.一种层间应变监测装置，其特征在于，包括：

保护外壳，所述保护外壳具有安装内腔以及连通所述安装内腔的外接孔；

如权利要求1-7中任一项所述的层间应变传感器，设置在所述安装内腔中，且所述层间应变传感器与所述安装内腔之间具有间隙；

弹性杆，所述弹性杆穿过所述外接孔与设置在所述安装内腔中的所述层间应变传感器连接，所述弹性杆平行于所述第一方向。

9.根据权利要求8所述的层间应变监测装置，其特征在于，所述层间应变监测装置包括：

固定机构，所述固定机构安装在所述弹性杆上。

10.一种层间应变监测系统，其特征在于，包括如权利要求8或9所述的层间应变监测装置。

Images