CN114894355A - 一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备及系统，其中，供电装置对采集组件和控制中心供电，采集组件包括压力传感器、温度传感器、位移传感器和应力传感器，位移传感器和应力传感器均采用光纤光栅传感器。应力传感器所测应力值为测点处的最大主应力，满足道路工程领域对最大主应力监测的需求，应力传感器中设置有补偿光纤光栅并对受力光栅部分封装，可以进行温度补偿，提高测量精度；本申请针对层间滑移病害，通过将位移传感器埋设于分层结构的交界处，测量沥青路面结构层之间的相对滑移值，便于对沥青路面层间滑移病害进行实时监测，并进一步得到路面滑移量的变化规律。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程技术领域，尤其涉及一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备及系统。
背景技术
随着交通运输业的发展，我国交通道路逐年增加，车辆的超载和超限现象给沥青路面带来严峻考验，沥青路面长时间使用下会逐渐产生疲劳、车辙、裂缝、推移、拥包等损坏，当损坏发展到一-定程度，将会严重影响通车效率和行车安全，因此有必要及时掌握道路结构性能状态便于评估。
随着科技的进步，基于光纤光栅技术的传感器逐渐成熟，光纤光栅传感器在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域受到广泛应用。考虑到路面结构的特殊性，难免会使研究人员无法得到期望获取的力学响应值，如最大主应力与层间位移，在路面设计中通常以层底的拉应力小于结构强度作为准则来设计路面厚度，因此，最大应力的监测是十分必要的。目前在道路工程领域主要采用电磁类、电阻应变片和振弦式传感器进行沥青路面的监测，其采集的数据不能满足研究需求。
鉴于上述问题的存在，本设计人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备及系统，使其更具有实用性。
发明内容
本发明提供了一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备及系统，可有效解决背景技术中的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，包括采集组件、供电装置和控制中心，所述采集组件布设在道路层中并与控制中心相连，所述供电装置对所述采集组件和所述控制中心供电；
所述采集组件包括压力传感器、温度传感器、位移传感器和应力传感器，所述位移传感器设置在相邻两路层结构之间，在所述位移传感器的两侧路层结构间均设置有所述压力传感器、所述温度传感器和所述应力传感器，所述位移传感器和所述应力传感器均采用光纤光栅传感器。
进一步的，所述位移传感器包括盖板、底座、悬臂梁和支撑柱，所述支撑柱的一端与所述悬臂梁相连，另一端穿过所述盖板与外界连通；
所述悬臂梁设置在所述底座的滑槽内，并能在所述滑槽内水平滑动，在所述支撑柱上开设有导线孔，光纤光栅穿过所述导向孔与所述悬臂梁相连。
进一步的，所述悬臂梁包括设置在同一平面内且相互垂直的四个等强度梁，在所述悬臂梁的中心开设有限位孔，所述支撑柱通过所述限位孔与所述悬臂梁固定连接；
所述滑槽内凹设置，包括槽底平面和设置在其四周的斜坡，所述斜坡相互垂直设置有四个且分别与所述等强度梁对应设置。
进一步的，所述支撑柱沿其长度方向包括第一部分、第二部分和第三部分，在所述盖板中心开设有第一通孔，在所述底座远离所述滑槽的一侧开设有安装槽用于安装地板和固定盘，所述滑槽通过第二通孔与所述安装槽连通；
在所述固定盘朝向所述盖板的一侧设置有限位块，在所述限位块上对应所述第三部分开设有限位槽，所述第三部分穿过所述限位孔嵌入所述限位槽中并与其固定连接，所述第一部分与所述第一通孔相适应，所述第二通孔内径小于所述固定盘外径。
进一步的，所述盖板、所述底座和所述支撑柱均采用树脂材质通过3D打印一体成型，在所述斜坡表面设置有一层玻璃膜。
进一步的，所述应力传感器包括球形壳体，在所述球形壳体的两端对称设置有开口，在所述开口处设置有弹性膜片并通过压盖压紧固定；
两所述弹性膜片通过受力光栅相连，并分别通过补偿光纤光栅与外界连通，在所述球形壳体内注有液压油。
进一步的，所述弹性膜片设置为环形，且在其中心位置设置有连接钉，在所述连接钉内开设有连线孔，所述受力光栅穿过所述连线孔与所述补偿光纤光栅熔接。
进一步的，所述压盖包括固定盖和顶盖，所述固定盖朝向所述球形壳体的一侧设置为平面并将所述弹性膜片压紧固定在所述球形壳体上，所述固定盖和顶盖通过弧面连接，所述补偿光纤光栅穿过所述顶盖与所述受力光栅相连。
进一步的，所述受力光栅与所述连接钉相连的两端部分封装设置。
一种多传感器集成的道路结构性能微型监测系统，采用如上述多传感器集成的道路结构性能微型监测设备。
本发明的有益效果为：
在本发明中，位移传感器和应力传感器均采用光纤光栅传感器，其中，应力传感器所测应力值为测点处的最大主应力，满足道路工程领域对最大主应力监测的需求，位移传感器埋设于道路结构分层的交界处，测量沥青路面结构层之间的相对滑移值，便于对沥青路面层间滑移病害进行实时监测，并进一步得到路面滑移量的变化规律。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中监测设备在道路结构中的埋设示意图；
图2为本发明实施例中位移传感器的爆炸示意图；
图3为本发明实施例中位移传感器的剖面结构示意图；
图4为本发明实施例中位移传感器的剖面示意图；
图5为本发明实施例中盖板带翼板的结构示意图；
图6为本发明实施例中应力传感器的结构示意图；
图7为本发明实施例中应力传感器的爆炸结构示意图。
附图标记：1、采集组件；2、压力传感器；3、温度传感器；4、位移传感器；41、盖板；411、第一通孔；412、翼板；42、底座；421、滑槽；422、斜坡；423、安装槽；424、第二通孔；43、悬臂梁；431、等强度梁；432、限位孔；44、支撑柱；441、第一部分；442、第二部分；443、第三部分；444、导线孔；45、底板；46、固定盘；461、限位块；462、限位槽；47、橡胶垫；5、应力传感器；51、球形壳体；511、开口；52、弹性膜片；53、压盖；531、固定盖；532、顶盖；54、受力光栅；55、补偿光纤光栅；56、连接钉；561、连线孔；57、堵头；6、供电装置；7、控制中心。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”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”、“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。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
如图1至图7所示的一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，包括采集组件1、供电装置6和控制中心7，采集组件1布设在道路层中并与控制中心7相连，供电装置6对采集组件1和控制中心7供电；采集组件1包括压力传感器2、温度传感器3、位移传感器4和应力传感器5，位移传感器4设置在相邻两路层结构之间，在位移传感器4的两侧路层结构间均设置有压力传感器2、温度传感器3和应力传感器5，位移传感器4和应力传感器5均采用光纤光栅传感器。
随着道路工程的发展以及道路使用年限的增长，光纤光栅类传感器应用于沥青道路结构性能的监测会是未来主流发展趋势之一。在本申请中，应力传感器5所测应力值为测点处的最大主应力，满足道路工程领域对最大主应力监测的需求，应力传感器5中设置有补偿光纤光栅55并对受力光栅54部分封装，可以进行温度补偿，提高测量精度；针对层间滑移病害，本申请设计了一种路用层间位移传感器4，埋设于分层结构的交界处，测量沥青路面结构层之间的相对滑移值，便于对沥青路面层间滑移病害进行实时监测，并进一步得到路面滑移量的变化规律。
在具体实施过程中，首先根据埋设于不同层间的温度传感器3和压力传感器2的采集数据，考虑是否在位移传感器4的盖板41以及底板45外侧设置翼板412，如图5所示，增强与周围道路结构的结合力，同时提高传感器的协同变性能力，还能加强对线缆的保护，减少对光纤的磨损；以及考虑增厚应力传感器5中球形壳体51的厚度，应对不同道路结构深度的不同压力值，或者在球形壳体51外圈增设网状包覆层，提高与周围结构的粘结力。
参见图2至图4所示，作为本申请公开的位移传感器4的优选实施例，具体的，位移传感器4包括盖板41、底座42、悬臂梁43和支撑柱44，支撑柱44的一端与悬臂梁43相连，另一端穿过盖板41与外界连通；悬臂梁43设置在底座42的滑槽421内，并能在滑槽421内水平滑动，在支撑柱44上开设有导线孔444，光纤光栅穿过导向孔与悬臂梁43相连。
在本实施例中，悬臂梁43包括设置在同一平面内且相互垂直的四个等强度梁431，在悬臂梁43的中心开设有限位孔432，支撑柱44通过限位孔432与悬臂梁43固定连接；滑槽421内凹设置，包括槽底平面和设置在其四周的斜坡422，斜坡422相互垂直设置有四个且分别与等强度梁431对应设置。
如图2和3所示，当位移传感器4安装完成后，盖板41、支撑悬臂梁43以及固定盘46之间为固定结构，当盖板41与底座42产生相对位移后，盖板41会连带支撑柱44以及悬臂梁43在底座42的滑槽421内滑动。
悬臂梁43包括四个方向的等强度梁431，其中间的限位孔432配合固定盘46上的限位块461，再通过高强度结构胶实现二者间的固定连接，支撑柱44上的第三部分443嵌入限位块461上的限位槽462再配合高强度结构胶实现固定连接，实现悬臂梁43、支撑柱44以及固定盘46三者间的固定连接，避免三者间相对转动。
进一步的，在固定盘46的外圈设置有橡胶垫47，能够限制底座42与底板45之间的相对转动，同时在盖板41位移产生后能够传感器回复原位，在具体实施过程中，橡胶垫47也可由其他结构进行替代，例如其他材质的软垫，甚至是沿径向分布的若干弹簧，都可以实现类似的效果。
光纤光栅从支撑柱44四周的四个方向导出，分别均匀粘接在四个等强度梁431上，当道路层间结构发生了位移，会造成盖板41与底座42的相对滑动，使固定在盖板41上的等强度梁431在滑槽421上滑动，从而使等强度梁431产生变形，通过粘贴在等强度梁431上光纤光栅的波长改变量，计算出等强度梁431的端部挠度，再通过几何关系得到路面结构沿某一方向的位移量。悬臂梁43中的四个相互垂直的等强度梁431，可以测量四个方向的层间位移量，分别计算出各个方向上的位移后将其进行矢量叠加，就可以确切的测得层间相对位移的大小和方向。
其中，支撑柱44沿其长度方向包括第一部分441、第二部分442和第三部分443，在盖板41中心开设有第一通孔411，在底座42远离滑槽421的一侧开设有安装槽423用于安装地板和固定盘46，滑槽421通过第二通孔424与安装槽423连通；在固定盘46朝向盖板41的一侧设置有限位块461，在限位块461上对应第三部分443开设有限位槽462，第三部分443穿过限位孔432嵌入限位槽462中并与其固定连接，第一部分441与第一通孔411相适应，第二通孔424内径小于固定盘46外径。
在本实施例中，盖板41、底座42和支撑柱44均采用树脂材质通过3D打印一体成型，在斜坡422表面设置有一层玻璃膜。等强度梁431需要长期反复在滑槽421上滑动，在滑槽421上设置更高硬度材料的薄膜避免滑槽421在长期滑动摩擦下产生划痕，造成位移传感器4测试结果失真。
参见图6和图7所示，作为本申请公开的应力传感器5的优选实施例，具体的，应力传感器5包括球形壳体51，在球形壳体51的两端对称设置有开口511，在开口511处设置有弹性膜片52并通过压盖53压紧固定；两弹性膜片52通过受力光栅54相连，并分别通过补偿光纤光栅55与外界连通，在球形壳体51内注有液压油。
当应力传感器5被埋入道路结构内部时，一旦产生应力，球形壳体51受压发生压缩变形，从而使与弹性膜片52相连的受力光栅54的中心波长发生偏移，将偏移量与传感器受力情况进行比对，即可得出道路结构内部的最大主应力值大小。在球形壳体51内部填充液压油，可以稳定受力光栅54周围的温度场，减小温度对传感器测试结果的影响，同时为受力光栅54提供一个相对均质的环境，减小测试结果的噪声。应力传感器5外形设置为球形，并且整个结构几乎呈轴对称分布，将应力传感器5竖直埋设道路结构中，能够使测试结果与受力方向无关。
进一步的，弹性膜片52设置为环形，且在其中心位置设置有连接钉56，在连接钉56内开设有连线孔561，受力光栅54穿过连线孔561与补偿光纤光栅55熔接。受力光栅54或者补偿光纤光栅55中的一个与连接钉56通过结构胶粘接，再将结构胶填满连线孔561。弹性膜片52的中心位于球形壳体51的球心处，在受力光栅54两端施加预应力，使光纤保持竖直，受力光栅54两端与连接钉56固定连接，且受力光栅54位于球心位置，与受力光栅54串联的补偿光纤光栅55位于弹性膜片52的另一侧，并处于不受力的状态。
在完成应力传感器5的装配过程后，便可从球形壳体51一侧的注油孔向内部灌注液压油，灌注完成后，用堵头57封堵注油孔即完成了应力传感器5的制作。在本实施例中，考虑到应力传感器5的灵敏度，采用降低外壳厚度的方法，增强灵敏度。
压盖53包括固定盖531和顶盖532，固定盖531朝向球形壳体51的一侧设置为平面并将弹性膜片52压紧固定在球形壳体51上，固定盖531和顶盖532通过弧面连接，补偿光纤光栅55穿过顶盖532与受力光栅54相连。
受力光栅54与连接钉56相连的两端部分封装设置。由于温度影响的波长偏移主要体现在球形壳体51的热膨胀系数较大，升温会拉伸中心的受力光栅54，因此在裸受力光栅54两侧加设一定长度的封装，如图6中所示，当外界环境温度升高时，两封装柱受热伸长，从而压缩中心光纤光栅，恰好抵消掉外壳受热膨胀造成的光栅拉伸量，从而实现温度补偿。
本发明还申请保护一种多传感器集成的道路结构性能微型监测系统，采用上述多传感器集成的道路结构性能微型监测设备。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，包括：采集组件、供电装置和控制中心，所述采集组件布设在道路层中并与控制中心相连，所述供电装置对所述采集组件和所述控制中心供电；
所述采集组件包括压力传感器、温度传感器、位移传感器和应力传感器，所述位移传感器设置在相邻两路层结构之间，在所述位移传感器的两侧路层结构间均设置有所述压力传感器、所述温度传感器和所述应力传感器，所述位移传感器和所述应力传感器均采用光纤光栅传感器。
2.根据权利要求1所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述位移传感器包括盖板、底座、悬臂梁和支撑柱，所述支撑柱的一端与所述悬臂梁相连，另一端穿过所述盖板与外界连通；
所述悬臂梁设置在所述底座的滑槽内，并能在所述滑槽内水平滑动，在所述支撑柱上开设有导线孔，光纤光栅穿过所述导线孔与所述悬臂梁相连。
3.根据权利要求2所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述悬臂梁包括设置在同一平面内且相互垂直的四个等强度梁，在所述悬臂梁的中心开设有限位孔，所述支撑柱通过所述限位孔与所述悬臂梁固定连接；
所述滑槽内凹设置，包括槽底平面和设置在其四周的斜坡，所述斜坡相互垂直设置有四个且分别与所述等强度梁对应设置。
4.根据权利要求3所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述支撑柱沿其长度方向包括第一部分、第二部分和第三部分，在所述盖板中心开设有第一通孔，在所述底座远离所述滑槽的一侧开设有安装槽用于安装底板和固定盘，所述滑槽通过第二通孔与所述安装槽连通；
在所述固定盘朝向所述盖板的一侧设置有限位块，在所述限位块上对应所述第三部分开设有限位槽，所述第三部分穿过所述限位孔嵌入所述限位槽中并与其固定连接，所述第一部分与所述第一通孔相适应，所述第二通孔内径小于所述固定盘外径。
5.根据权利要求4所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述盖板、所述底座和所述支撑柱均采用树脂材质通过3D打印一体成型，在所述斜坡表面设置有一层玻璃膜。
6.根据权利要求1所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述应力传感器包括球形壳体，在所述球形壳体的两端对称设置有开口，在所述开口处设置有弹性膜片并通过压盖压紧固定；
两所述弹性膜片通过受力光栅相连，并分别通过补偿光纤光栅与外界连通，在所述球形壳体内注有液压油。
7.根据权利要求6所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述弹性膜片设置为环形，且在其中心位置设置有连接钉，在所述连接钉内开设有连线孔，所述受力光栅穿过所述连线孔与所述补偿光纤光栅熔接。
8.根据权利要求7所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述压盖包括固定盖和顶盖，所述固定盖朝向所述球形壳体的一侧设置为平面并将所述弹性膜片压紧固定在所述球形壳体上，所述固定盖和顶盖通过弧面连接，所述补偿光纤光栅穿过所述顶盖与所述受力光栅相连。
9.根据权利要求8所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备，其特征在于，所述受力光栅与所述连接钉相连的两端部分封装设置。
10.一种多传感器集成的道路结构性能微型监测系统，其特征在于，采用如上述权利要求1~9任一项所述的多传感器集成的道路结构性能微型监测设备。
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210494838.5A Pending CN114894355A (zh) | 2022-05-07 | 2022-05-07 | 一种多传感器集成的道路结构性能微型监测设备及系统 |
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|---|---|
| CN (1) | CN114894355A (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007024527A (ja) * | 2005-07-12 | 2007-02-01 | Fiberlabs Inc | 光ファイバセンサ及びセンサシステム |
| CN101592474A (zh) * | 2009-06-26 | 2009-12-02 | 哈尔滨工业大学 | 沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法 |
| CN106382999A (zh) * | 2016-09-06 | 2017-02-08 | 哈尔滨工业大学 | 路用光纤光栅最大主应力传感器 |
| CN107014299A (zh) * | 2017-06-01 | 2017-08-04 | 哈尔滨工业大学 | 路用光纤光栅层间相对水平位移传感器 |
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| CN113804242A (zh) * | 2020-06-16 | 2021-12-17 | 中移(上海)信息通信科技有限公司 | 路面监测系统、传感器布设位置的确定方法以及装置 |
-
2022
- 2022-05-07 CN CN202210494838.5A patent/CN114894355A/zh active Pending
Patent Citations (8)
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