CN203519128U - 一种采用pvdf的高速公路压电动态称重传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了属于传感器技术领域的一种基于PVDF的高速公路压电动态称重传感器。该压电动态称重传感器包括上盖、底座、铜箔电极、硬质塑料层和两片PVDF压电薄膜，所述的上壳和底座用16个M3的螺钉连接，用来给两片PVDF压电薄膜的预紧力，PVDF压电薄膜表面粘贴铜箔作为电极并用导线引出，正极与两片PVDF压电薄膜中间电极连接，负极与传感器的上壳和底座相连作为接地线。本实用新型是利用压电材料的正压电效应，实现高速公路车辆的动态称重。本实用新型刚度大、结构扁平，因此仅需放置在道路表面，不用破坏路基结构，具有结构简单、组装方便、易于安装和维护、称重准确度高等优点。
Description
技术领域
本实用新型属于传感器技术领域，特别涉及一种采用PVDF的高速公路压电动态称重传感器。
背景技术
随着交通量的增长，人工收费站经常会出现因交费而产生的堵车现象，早期的计重收费系统均采用称台式称重系统，这种方式的缺点是：
要求车辆绝对低速通行，容易造成排队堵车现象；施工复杂，需要处理大量地基工程做排水系统，施工周期长，难度大；框架结构，维护量大，使用寿命短，传感器精度衰减严重且受车速影响大等。
近年来，以弯板为代表的低速动态称重系统正逐步取代称台式称重系统，成为计重收费系统的主流技术。不足之处是通行速度需要限制在15km/h之内，而且称重精度易受其它横切力、车悬架动能、加减速、电磁波和温差变化等干扰，并且也不能做到免维护。
自1969年日本的Kawai发现PVDF压电薄膜具有较强的压电性以后，几十年来，人们对PVDF压电薄膜的研究一直没有中断。PVDF压电薄膜的主要优点有：
1、压电常数d比石英晶体高十多倍，作为传感材料更重要的一个特征参数g的值比压电陶瓷高20倍左右。
2、柔性和加工性能好，不易破碎，可制成5μm到1mm厚度不等、形状不同的大面积的薄膜，因此适于做大面积的传感阵列器件。
3、声阻抗低，仅为压电陶瓷的1/10，它的声阻抗与水和人体肌肉的声阻抗很接近，并且柔顺性好，与人体接触安全舒适，因此用作水听器和医用仪器的传感元件时，可不用阻抗变换器。
4、机械品质因数低，阻尼小，密度低，由于PVDF压电薄膜的柔韧性及其厚度方向伸缩振动的谐振频率很高，使得在很宽的频率范围内有平坦的频率响应（室温下在10-5-109Hz范围内响应平坦），能满足车辆信号的频率特性。
5、由于PVDF的分子结构链中有氟原子，这使得它的化学稳定性和耐疲劳性高，吸湿性低，并有良好的热稳定性，耐潮湿，耐多数化学品、氧化剂、强紫外线和核辐射。
6、高介电强度，可耐受强电场作用(75V/μm)，而此时大部分压电陶瓷已退极化。
7、质量轻，它的密度只是压电陶瓷的1/4，做成传感器对被测量的结构影响小。
8、容易加工和安装，可以根据实际需要来制定形状。
我国早在60年代中期就开始了对PVDF压电材料的研究。1977年，中国科学院上海化学研究所开始研制PVDF及其共聚物后，它的应用日趋广泛，几乎涉及到所有领域：结合利用PVDF传感器补偿性的红外检测器，可以用来建立入侵警报、交通灯切换和自动电梯等系统；在美国，联邦交通管理局已考虑将PVDF用来记录路面振动情况，以便了解公路交通状况；一种可以用来检测石墨-环氧树脂复合结构缺陷的“便携式自动远程检查系统”，关键元件是含1024个换能器的PVDF压电薄膜；在建筑方面，PVDF压电薄膜被用在如桥梁、大坝、房屋等大型建筑的测振减震上；在医学上，目前至少有三家公司正在生产一种能够用来防止婴儿猝死的呼吸检测器。
PVDF压电薄膜电作为新兴的压电材料，具有诸多优点，包括工艺性好、机械性能强、工作温度范围宽、介电常数高等，这些优点使它成为一种理想的换能器材料。用PVDF压电薄膜制作的传感器由于结构简单、制作方便、成本低等因素，被广泛应用于各个领域。
实用新型内容
本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种采用PVDF的高速公路压电动态称重传感器，其特征在于，其结构包括上壳1，底座2，铜箔电极4，硬质塑料层5和两片PVDF压电薄膜3；所述上壳1和底座2由16个M3的螺钉10连接，用来给两片PVDF压电薄膜3提供预紧力，上壳1底部凸起8，底座2表面内凹9，形成一个腔体用以放置两片PVDF压电薄膜3，上壳1上留有上沟槽6和底座2上留有下沟槽7作为正、负极导线的输出端口；所述压电动态称重传感器内部采用PVDF压电薄膜3作为车辆动态称重的敏感材料，压电动态称重传感器结构外形超薄，可埋设在驼峰式橡胶减速带里，直接铺设在道路表面使用，无需破坏道路结构。
所述两片PVDF压电薄膜3以并联的方式放置在上壳1和底座2组成的腔体内，两片PVDF压电薄膜3表面粘贴铜箔4作为电极并用导线引出，两片PVDF压电薄膜3的正极面由PVDF压电薄膜之间的铜箔连接在一起，作为压电动态称重传感器的正电极11，两片PVDF压电薄膜3的负极面通过铜箔4与上壳1和底座2相连，作为压电动态称重传感器的负电极并接地线。
所述在两片PVDF压电薄膜3与上壳1和底座2之间分别加上一层硬质塑料层5，为两片PVDF压电薄膜3提供预紧力，同时起到保护两片PVDF压电薄膜3的作用。
所述的车辆动态称重的敏感材料还可以选用压电陶瓷薄膜、压电聚合物材料、PVDF共聚物或压电石英材料。
本实用新型的有益效果是本发明的压电动态称重传感器具有足够高的结构刚度，且自身厚度1cm远小于驼峰式橡胶减速带的厚度，可以安装在减速带内部，安装简单，后期维护方便，且减速带对所述传感器也有一定的保护作用。实际应用中，为提高测量精度和获得更多的车辆行驶信息，一般会沿着车辆行驶方向固定间隔，交错平行铺设3～4条驼峰式橡胶减速带。安装施工时不需要破坏道路路基结构，由于所述压电动态称重传感器缺点是所述的压电动态称重传感器后端信号采集受到环境干扰要大些，驼峰式橡胶减速带由于车轮颠簸引起的干扰白噪音要较传统安装方法明显，不过该问题可以通过压电动态称重传感器后端带通滤波等信号处理技术来解决。
附图说明
图1为压电动态称重传感器结构示意图。
图2为PVDF压电薄膜布置示意图。
图3为本发明应用在道路表面铺设示意图。
具体实施方式
本实用新型提供了一种采用PVDF的高速公路压电动态称重传感器，下面结合附图说明和实施例对本实用新型做进一步说明。
如图1所示，其结构包括上壳1，底座2，铜箔电极4，硬质塑料层5和两片PVDF压电薄膜3；所述上壳1和底座2由16个M3的螺钉10连接，用来给两片PVDF压电薄膜3提供预紧力，上壳1底部凸起8，底座2表面内凹9，形成一个腔体用以放置两片PVDF压电薄膜3，上壳1上留有上沟槽6和底座2上留有下沟槽7作为正、负极导线的输出端口；所述在两片PVDF压电薄膜3与上壳1和底座2之间分别加上一层硬质塑料层5，为两片PVDF压电薄膜3提供预紧力，同时起到保护两片PVDF压电薄膜3的作用，该结构设计简单，有利于传感器竖向受力均衡，且上壳1端部凸起，有利于减少侧边分力。
所述压电动态称重传感器内部采用PVDF压电薄膜3作为车辆动态称重的敏感材料，所述敏感材料还可以选用压电陶瓷薄膜、压电聚合物材料、PVDF共聚物或压电石英材料。压电动态称重传感器结构外形超薄，可埋设在驼峰式橡胶减速带里，直接铺设在道路表面使用，无需破坏道路结构（如图3所示）。
如图2所示，所述两片PVDF压电薄膜3以并联的方式放置在上壳1和底座2组成的腔体内，两片PVDF压电薄膜3表面粘贴铜箔4作为电极并用导线引出，两片PVDF压电薄膜3的正极面由PVDF压电薄膜之间的铜箔连接在一起，作为压电动态称重传感器的正电极11，两片PVDF压电薄膜3的负极面通过铜箔4与上壳1和底座2相连，作为压电动态称重传感器的负电极并接地线。
安装方法一：在垂直于公路的方向上，挖出大小合适的沟槽，然后，将传感器底座朝下，固定在所述沟槽内。为尽量消除或减少水平力的影响，以获得高质量的信号脉冲形状和可重复的测量结果，在将所述传感器埋入地面时，采用窄条柔软泡沫围绕上部整个周边，将称重传感器与水平力隔离。利用称重传感器内部的沟槽从中间引出低噪声的同轴电缆，接入与其配套的动态称重电路就可实现公路车辆动态称重。此安装方法的优点是道路路基对所埋入的传感器起到一定的保护作用，减缓了车辆反复碾压造成的物理性破坏，延缓了传感器的使用寿命。缺点是安装施工量大，不便于后期维护，对路基有局部破坏作用。
安装方法二：本实用新型所述传感器的外形尺寸通常小于10cm×6cm×1cm，将所述的传感器根据车道宽度，4以上的偶数个一组串联埋设到车道表面铺设的8～15cm高度的驼峰式橡胶减速带里（如图3所示的本实用新型应用实施例在道路表面铺设示意图。实际应用中，为提高测量精度和获得更多的车辆行驶信息，一般会沿着车辆行驶方向固定间隔，交错平行铺设3～4条驼峰式橡胶减速带。不需要破坏道路路基结构，由于所述传感器具有足够高的结构刚度，且自身厚度1cm远小于驼峰式橡胶减速带的厚度，可以安装在减速带内部，安装简单，后期维护方便，且减速带对所述传感器也有一定的保护作用。缺点是所述的传感器后端信号采集受到环境干扰要大些，驼峰式橡胶减速带由于车轮颠簸引起的干扰白噪音要较传统安装方法1明显，不过该问题可以通过所述传感器后端带通滤波等信号处理技术来解决，可提高动态称重的准确度。
所述正压电效应，是指压电材料受到外力作用发生形变时，会引起晶体内部正负电荷中心相对转移而产生电极化，从而导致其两个相对表面（极化面）上出现符号相反且与外力成比例的束缚电荷；外力去掉后，又恢复到不带电的状态；当作用力的方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量的多少与外力的大小成正比。
Claims (4)
1.一种采用PVDF的高速公路压电动态称重传感器，其特征在于，其结构包括上壳（1），底座（2），铜箔电极（4），硬质塑料层（5）和两片PVDF压电薄膜（3）；所述上壳（1）和底座（2）由16个M3的螺钉（10）连接，上壳（1）底部凸起（8），底座（2）表面内凹（9），形成一个腔体用以放置两片PVDF压电薄膜（3），上壳（1）上留有上沟槽（6）和底座（2）上留有下沟槽（7）作为正、负极导线的输出端口；所述压电动态称重传感器内部采用PVDF压电薄膜（3）作为车辆动态称重的敏感材料，压电动态称重传感器结构外形超薄，可埋设在驼峰式橡胶减速带里，直接铺设在道路表面使用，无需破坏道路结构。
2.根据权利要求1所述的一种采用PVDF的高速公路压电动态称重传感器，其特征在于，所述两片PVDF压电薄膜（3）以并联的方式放置在上壳（1）和底座（2）组成的腔体内，两片PVDF压电薄膜（3）表面粘贴铜箔（4）作为电极并用导线引出，两片PVDF压电薄膜（3）的正极面由PVDF压电薄膜之间的铜箔连接在一起，作为压电动态称重传感器的正电极（11），两片PVDF压电薄膜（3）的负极面通过铜箔（4）与上壳（1）和底座（2）相连，作为压电动态称重传感器的负电极并接地线。
3.根据权利要求1或2所述的一种采用PVDF的高速公路压电动态称重传感器，其特征在于，在两片PVDF压电薄膜（3）与上壳（1）和底座（2）之间分别加上一层硬质塑料层（5），为两片PVDF压电薄膜（3）提供预紧力，同时起到保护两片PVDF压电薄膜（3）的作用。
4.根据权利要求1所述的一种采用PVDF的高速公路压电动态称重传感器，其特征在于，所述的车辆动态称重的敏感材料还可以选用压电陶瓷薄膜、压电聚合物材料、PVDF共聚物或压电石英材料。
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