CN1935734A - 交通车辆速度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维混凝土材料及其制作工艺和一种基于这种碳纤维混凝土的压敏特性的道路交通车辆速度监测系统。该系统包括两个由所述碳纤维混凝土材料制成的混凝土构件，平行放置在车辆行进方向相距约10－15米的路面上，其中上下两侧设置专用电极；和信号采集系统，用于采集构件受到压力所产生的电阻变化的信号；和信号分析判断系统，对采集到的信号进行分析判断，计算车速并且当所得车速超过预定的限速值时，向报警装置发出超速报警信号。此外，还可附带统计道路车流量。这一监测系统成本低廉、制作方便，可按需要在道路上大量设置，从而有效地监测车速。并不受天气变化的影响，可昼夜工作，适用范围较广。

Description

交通车辆速度监测系统

技术领域

本发明涉及一种道路交通监测系统，具体涉及一种利用交通车辆对路面的压力的感应来对交通车辆进行速度监测的系统。

背景技术

现有技术中，对车辆进行测速主要采取雷达测速或激光测速的方式。对于雷达测速，俗称电子眼，是根据接收到的反射波频移量的计算而得出被测物体的运动速度。对应于雷达测速的原理，出现了反测速雷达设备，可以在一定距离内检测到周围是否有雷达测速仪。在汽车行使过程中，当汽车靠近雷达测速仪时则会发出声音作为提示，司机可以降低车速。反测速雷达设备的出现大大降低了速度检测的实际效果。

现有的激光测速仪是采用激光测距的原理。激光测距(即光波，其速度为30万公里/秒)，是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。鉴于激光测速的原理，激光光束必须要瞄准垂直与激光光束的平面反射点，又由于被测车辆距离太远、且处于移动状态，或者车体平面不大，而导致激光测速成功率低、难度大，特别是执勤警员的工作强度很大、很易疲劳。并且设备价格昂贵。

本发明利用一种新型的路面结构材料——碳纤维混凝土其又是一种本征机敏材料，设计了一种全新的交通测速系统。系统成本低廉、制作方便，可按需要在道路上大量设置，从而有效地监测车速。此外，还可附带统计道路车流量。

发明内容

基于现有的道路交通监测系统所具有的缺陷，本发明的目的在于提供一种成本较低，应用范围广泛，不易受天气和环境影响的交通监测系统。

本发明提供一种碳纤维混凝土材料及这种混凝土的生产工艺和方法。所述混凝土其成份包括水泥硅粉、砂子、水、石子、硅粉和碳纤维。

其中水泥硅粉、砂子、水、石子、硅粉和碳纤维的比例关系为1∶1.51∶0.452∶2.56∶0.15∶0.007-0.008。

另外还包括分散剂和减水剂，其与水泥硅粉的重量比例关系为1∶0.005∶0.02。其中所述的分散剂为甲基纤维素。

混凝土中所述石子的最大粒径15mm。

一种如权利要求1所述的混凝土的制造方法，其特征在于包括：将称量好的碳纤维加入溶有分散剂甲基纤维素的一定量的水中，用砂浆搅拌机分散均匀的步骤；接着将水泥、硅粉、减水剂、砂以及分散好的碳纤维溶液倒入混凝土搅拌机搅拌的步骤；然后，加入花岗岩连续级配碎石搅拌的步骤；最后，将混合物装入试件模型并在震动台上进行高频振动，制成碳纤维混凝土构件的步骤。

所述混凝土试件静置1天后脱模，放入标准养护箱中养护至28天。

另外添加磷酸三丁酯作为消泡剂，消除甲基纤维素分散碳纤维后引入的气泡。

一种车辆测速系统，特征在于包括：两个由碳纤维混凝土制成的构件，相距嵌入在车辆行进方向的路面上；信号采集系统，用于采集该混凝土构件受到车辆的压力而引起的电阻变化信号；信号分析判断系统，用于判断信号是否为同一辆车，并计算车辆的行驶速度；其中，混凝土构件受到车辆的压力后产生的电阻变化的信号，经信号采集系统采集后，进入信号分析判断系统。

所述的信号采集系统包括电极、稳压电源和高速信号采集装置，其中所述电极放置在该混凝土构件的两个上下表面上。

所述的两个混凝土构件为条形，两者沿行车方向距离10-15米。

所述的电极为不锈钢电极或碳布电极。

所述的不锈钢电极由电极片组成，该同层电极片之间距不超过50毫米，并且同层电极片串联一起，并且电极片一一对应。

本发明的测速系统可适用于高速路、国道等各级公路的车辆检测，并可在道路建设的同时或建成后设置。系统制作简便，成本低廉，并具有满意的工程精度和可靠性，可根据需要在道路上大量设置，从而有效地监测车速。

附图说明

图1-a为本发明的碳纤维混凝土的各成分比例图；

图1-b为碳纤维混凝土与普通混凝土的力学性能对比图；

图2为不同比例的碳纤维对混凝土的特性影响的曲线图；

图3为碳纤维混凝土试件(碳纤维与水泥硅粉的比例含量0.007时)在静载压力下的压敏性试验曲线；

图4为脉冲载荷下本发明的碳纤维混凝土(碳纤维与水泥硅粉的比例含量0.007时)的压敏特性曲线；

图5为本发明的道路交通车辆监测系统示意图；

图6为混凝土构件不锈钢电极的电极片分布图；

图7为混凝土构件碳布电极分布图；

图8为碳纤维混凝土构件与稳压电源够策划能够的回路的等效电路示意图；

图9为对混凝土构件施加的脉冲压缩载荷曲线；

图10为构件的电阻变化率^Δρ/ρ0与时间的曲线；

图11-a为对混凝土构件施加的载荷作用力曲线；

图11-b为普通混凝土构件对载荷作用的反应曲线；

图11-c为碳纤维混凝土构件对载荷作用的反应曲线；

图12-a为车速方向上前一个混凝土构件感应的信号曲线；

图12-b为车速方向上后一个混凝土构件感应的信号曲线；

图13为本发明的测速系统对信号进行分析判断的流程示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的实施方式进一步的说明。

经试验研究证明，普通混凝土中加入一定比例的碳纤维可以大大改变混凝土的材料特性。经过对配方进行了大面积搜索，逐次优化；强调了多批次、大批量，保证材料的稳定性和可重复性；并考察长龄期、大试块甚至构件的性能。通过制作了多批100×100×100(mm)及100×100×300(mm)达数百个的混凝土试块，以及梁、柱构件。通过调整分散剂含量、水灰比，纤维掺量、及改善制作工艺，得到了导电性能、力学性能均较满意的碳纤维混凝土。

经优化选择的碳纤维混凝土材料的基本配方如图1所示，即：设水泥+硅粉的重量单位为1，其它材料的相应的重量分别为砂子1.51，水0.452，碳纤维0.007-0.008，石子2.56，分散剂0.005，高效减水剂0.02，硅粉0.15。

其中混凝土中碳纤维的比例不同，混凝土的特性也随之变化。图2所示，K＝相对电阻变化率/压应力(Mpa)可见，碳纤维比例越高则k值越大，即碳纤维灵敏度越高。从0-0.01的比例范围内，k值有个峰点，即当碳纤维的比例0.008的时候，k值有个最高点即为1。从0.001-0.002的比例范围，k值随碳纤维的比例增加而增加，碳纤维比例0.02时k值最大。从经济角度考虑，优选的碳纤维比例在0.007-0.008的比例为最宜。

碳纤维混凝土材料的制作工艺为：首先，将称量好的碳纤维加入溶有分散剂甲基纤维素的一定量的水中，用砂浆搅拌机分散均匀；接着将水泥、硅粉、减水剂、砂以及分散好的碳纤维溶液倒入混凝土搅拌机搅拌；然后，加入花岗岩连续级配碎石搅拌；最后，将混合物装入试件模型并在震动台上进行高频振动，制成碳纤维混凝土构件。

试件静置1天后脱模，放入标准养护箱中养护至28天。其中碳纤维的分散是材料配制的关键，为了保证碳纤维在混凝土中的均匀分散，以甲基纤维素为分散剂，同时添加消泡剂-磷酸三丁酯，消除甲基纤维素分散碳纤维后引入的泡沫。

由此得到的碳纤维混凝土，具有优良的力学性能和机敏特性能。参见图1b所示，和同标号的普通混凝土相比较，本发明的碳纤维混凝土分别比普通混凝土的劈拉强度提高了53％，抗压强度提高了15.2％。

图3所示为碳纤维混凝土试件(碳纤维的比例含量0.007)在静载压力下的压敏性试验曲线，其中横轴为压应力σ，纵轴为相对电阻变化率^Δρ/ρ0。由图可见，随压应力的增加，碳纤维混凝土的电阻不断减小，相对电阻变化率^Δρ/ρ0为负值。根据^Δρ/ρ0的变化可反向判断出混凝土内部应力、应变的情况。

图4为脉动载荷下本发明的碳纤维混凝土(碳纤维比例含量0.007)的压敏特性曲线。可见在脉动载荷作用下，相对电阻变化率^Δρ/ρ0随时间有着相似的变化关系。加载时，随压应力的增加，^Δρ/ρ0不断减小；卸载时，随压应力的减小，^Δρ/ρ0不断增加。这种变化关系在各个循环中具有一定的重复性和稳定性。碳纤维混凝土在弹性范围内循环荷载作用下，试件内部不会出现破坏现象导致电阻率发生不可逆变化。

当车辆经过混凝土材料路面时，混凝土材料的电阻率变化信号是否反映路面载荷的变化，是道路交通监测系统能够识别出车辆的关键，也是对车速、车流量进行检测的基础。通过对碳纤维混凝土构件的压力-电阻对应关系的试验，可以发现，在对构件施加如图11a所示的加载曲线时，对于不同的构件及对构件不同部位施加作用，相应的电阻变化曲线与加载曲线的对应关系有明显的不同。由如图11b所示的普通混凝土构件的对应电阻变化曲线和图11c所示的碳纤维混凝土构件的对应电阻变化曲线，其中实线表示s＝0时的曲线，虚线表示s＝100mm时的曲线，s为作用点与电极片的距离。可以得出：(1).当s＝0时，混凝土构件在循环载荷压力下，电极间混凝土的电阻变化率与荷载时间曲线的形状相似。电阻变化率的变化能够反映负载的变化。而当s＝100mm时，循环载荷压力下，混凝土构件对应电极的电阻率随载荷的变化幅度很小，变化不明显；(2).普通混凝土构件的电阻率随载荷的变化也会产生相应的微弱变化，但其电阻变化率随载荷的变化幅度不如碳纤维混凝土构件，相对电阻变化率为0.67％，约为碳纤维混凝土的1/5-1/10左右。因此，普通混凝土电阻率随载荷变化的灵敏度低，不能用于道路交通监测。

根据碳纤维混凝土所具有的特性制成具有传感功能的路面压力检测系统，并根据其原理进一步设计出道路交通车辆监测系统，如图5所示，其包括以下部分：

(1)碳纤维混凝土构件，由上面所述的混凝土材料和制作工艺制成，根据需要制成不同的参数尺寸。两个如是所述的碳纤维混凝土构件嵌入放置在路面上，之间的间距可以选择为约10-15米。根据建设部颁发的《城市道路设计规范》，各类车辆的最大轴距为6.7m，因此可设车辆的轴距L1＜10m。

(2)电信号采集系统，包括：电极、稳压电源和高速电信号采集装置。其中，稳压电源两极与混凝土构件的两侧的电极相连，这样形成了一个电流回路，电极片之间的混凝土构件等效成压敏电阻；所述高速电信号采集装置，用来采集回路中混凝土构件部分的电流或电压信号，并将采集到的信号输入到下述的信号分析判断系统。

其中该电极，可以选择不锈钢电极片或碳布式电极，平行放置在上述构件的上下两个相对的平行侧面上。如果是碳布电极其分布在构件的侧面上如图7所示。如果是不锈钢电极板，其均匀分布在构件的平面上，其间距为50mm，如图6所示，并且同一平面上的电极板用金属线串连在一起形成一个等电位的电极板。

(3)信号分析判断系统，对输入的信号根据一定的预先设置的参数和算法进行分析判断，根据信号值计算出路面行进中的车辆的速度，并判断先后的脉冲信号是否由同一辆车引起的，并其当超出规定的速度值时向报警装置发出报警信号。

(4)报警装置，向监察路面交通的中央控制室或类似机构发出超速报警信号。

根据碳纤维混凝土的特性设计的道路交通监测系统，工作原理为：车辆轧过碳纤维混凝土构件时，车轮会对构件产生脉冲压力。由于碳纤维混凝土的电阻具有压敏性，车重载荷引起的构件电阻率的变化可以通过信号采集和转换系统转换成脉冲电压信号或脉冲电流信号，该脉冲电压或电流信号输入信号分析系统，由信号分析系统根据信号计算出车速并判断是否为同一辆车。将该车速与预先设定的参考车速相比较，如果该车速大于参考车速则发出报警信号。另外还可以，如果判断脉冲信号为同一车辆还可以向计算装置发出加数信号，计算一定时间内的通过车辆数。

本发明的测速系统的可行性已通过了严格的实验室模拟实验所证实。本实验采用的CFRC条形试件如图6所示。交通车辆对条形试件的脉动压力作用采用MTS伺服液压系统来模拟。例如图9所示的脉动压缩载荷施加于构件上。所产生的脉冲信号两峰值之间的时间差ΔT即代表车轮先后通过条形试件的时间差，为预先设定的已知值。当该脉动压缩载荷作用到试件上时，由于试件具有压敏性，本系统就可采集到试件的电阻变化率^Δρ/ρ0与时间的关系，如图10所示。可见图9和图10有很好的对应关系。由图10可测出两相邻^Δρ/ρ0峰值之间的时间差Δt。而Δt与ΔT的差值即表示系统的测试误差。经过多个试件和不同工况的大量测试，系统的相对测试误差(Δt-ΔT)/ΔT约为3％～10％。设车辆的真实速度为V0＝S/ΔT，本系统测得的速度为V＝S/Δt，则系统的测速误差为(V-V0)/V0＝(S/Δt-S/ΔT)/(S/ΔT)＝ΔT/Δt-1＝1/(Δt/ΔT)-1，约为-2.9％～-9.1％。

实施例1

本发明的车辆测速系统的其他部分如前所述，本实施例根据所检测的信号进行速度计算的和判断是否为同一车辆的方法进行描述。速度计算及是否同一辆车的过程如图13所示包括步骤：

1.设有一N轴车辆通过路面的混凝土构件，系统检测到相应的脉冲信号，其中，

从构件1获得的脉冲信号如图12a所示，时间点分别为T11、T12、...T1n，

从构件2获得的脉冲信号如图12b所示，时间点分别为T21、T22、...T2n。

2.可见第一个轴通过构件1和构件2的时间分别是T11和T21，则车辆速度可以得到：V＝S/(T21-T11)。

比较测得的车速V与限速值V0，如果V≥V0，则向报警装置。

3.根据测得的车速，可以得出该车辆的各轴之间的距离：

L1＝V×(T12-T11)

L2＝V×(T13-T12)

Ln＝V×(T1n-T1n-1)

4.判断：如果Ln≥10米，则可以得出信号不是同一辆车产生的，车轴n属另一后车。可向计数装置发出加法运算命令，同时将T1n和T2n替换原T11和T21，并回到步骤1；

设定脉冲信号寄存器在接收到最后一个脉冲信号后，如在一定时间(如5秒)内未收到信号则寄存器自动清零。

另外本发明还可以在车速行进方向，距构件一定距离上方或侧面，加设照相装置，当判断出车辆超速时，向照相装置发出拍照指令，将超速车辆的车牌信息录入到检测系统。

本发明的测速系统，利用了混凝土作为道路建设的基本材料，分布广成本较低，用于各类道路的特点，加入碳纤维后所具有的特性，设计的测速系统可广泛用于位于远离城市的高速公路的道路交通监测中，适用于各种天气状况，无论是白天或夜晚。

Claims (17)

1.一种混凝土，其成份包括水泥硅粉、砂子、水、石子和硅粉，其特征在于：

还包括碳纤维。

2.如权利要求1所述的混凝土，其特征是所述碳纤维与水泥硅粉的重量比为1∶0.007-0.008。

3.如权利要求1所述的混凝土，其特征是水泥硅粉、砂子、水、石子和硅粉的比例关系为1∶1.51∶0.452∶2.56∶0.15。

4.如权利要求1所述的混凝土，其特征是还包括分散剂和减水剂，其与水泥硅粉的重量比例关系为1∶0.005∶0.02。

5.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于所述的分散剂为甲基纤维素。

6.如权利要求1所述的混凝土，其特征在于石子的最大粒径15mm。

7.一种如权利要求1所述的混凝土的制造方法，其特征在于包括：

首先将称量好的碳纤维加入溶有分散剂甲基纤维素的一定量的水中，用砂浆搅拌机分散均匀的步骤；

接着将水泥、硅粉、减水剂、砂以及分散好的碳纤维溶液倒入混凝土搅拌机搅拌的步骤；

然后加入花岗岩连续级配碎石搅拌的步骤；

最后将混合物装入试件模型并在震动台上进行高频振动，制成碳纤维混凝土构件的步骤。

8.如权利要求7所述的混凝土的制造方法，其特征在于

所述混凝凝土构件静置1天后脱模，放入标准养护箱中养护至28天。

9.如权利要求7所述的混凝土的制造方法，其特征在于

添加磷酸三丁酯作为消泡剂，消除甲基纤维素分散碳纤维后引入的泡沫。

10.一种车辆测速系统，特征在于包括：

两个由碳纤维混凝土制成的构件，相距嵌入放置在车辆行进方向上的路面；

信号采集系统，用于采集该混凝土构件受到车辆的压力而引起的电阻变化信号；

信号分析判断系统，用于计算车辆的行驶速度及判断信号是否为同一辆车；

其中，碳纤维混凝土构件受到车辆的压力后产生的电阻变化的信号，经信号采集系统采集后，进入信号分析判断系统。

11.如权利要求10所述的车辆测速系统，特征在于所述的信号采集系统包括电极、稳压电源和高速信号采集装置，其中所述电极放置在该混凝土构件的上、下两个平行的侧面上。

12.如权利要求10所述的车辆测速系统，特征在于所述的两个混凝土构件为条形，两者沿车速方向距离10-15米。

13.如权利要求11所述的车辆测速系统，特征在于所述的电极为碳布电极。

14.如权利要求11所述的车辆测速系统，特征在于所述的电极为不锈钢电极。

15.如权利要求14所述的车辆测速系统，特征在于所述的不锈钢电极由电极板组成，该同层电极板之间距不超过50毫米，并且同层电极板串联一起。

16.如权利要求14或15所述的车辆测速系统，特征在于碳纤维混凝土构件上、下两侧的电极片一一对应。

17.如权利要求10到15中任一所述的车辆测速系统，特征在于具有摄像或拍照装置，设置于车速方向，距离混凝土构件一定长度的位置，用于在收到分析判断系统发出的超速报警信号时将超速车辆的车牌信息拍录并存储下来。

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