CN213985999U - 一种埋地道路结构变化监测装置 - Google Patents

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鲁静
陈静云
孙依人
宫明阳
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Abstract

本实用新型属于道路路面结构监测技术领域,涉及一种埋地道路结构变化监测装置。本实用新型包括主机身、盖子、传感器设备和供电设备,主机身为顶端开口的筒体结构,盖子的底端设有密封圈c,盖子安装在主机身的顶部,盖子和主机身之间通过螺母和螺丝b固定为一体,传感器设备包括PCB板、天线、压力传感器、温度传感器和两个湿度传感器,供电设备电池和太阳能板。本实用新型实现了设备及零件安装、快捷、可不破坏原有路面结构,不影响道路车辆通行。

Description

一种埋地道路结构变化监测装置
技术领域
本实用新型属于道路路面结构监测技术领域,具体为远程连续智能监控使用年限内路面结构在温度、湿度的交替变化及荷载作用下,道路结构的变化的监测装置,特别涉及一种埋地道路结构变化的监测装置。
背景技术
道路在建设完成并投入使用后,路面结构在长期的荷载作用及温度、湿度的变化下,会随着使用年限的增加,产生裂缝、波浪壅包、剥离等各种路面病害。通过对路面结构的技术状况评定及分析,其大部分病害的成因,是由于基层、底基层、路床受到静、动荷载后产生了不均匀的沉降,而导致路面的反射裂缝和其他问题。随着我国近年来大规模的透水路面结构,开级配路面结构的应用,使得路面表层透水性能提高后,其路面结构长期处于湿润状态,随着使用年限的增加,其水毁作用,也使得路面结构的整体技术指标下降,产生各种病害,导致路面结构破损。
目前,我国对于道路结构的监测,多数为固定时间的年检。检测设备多为取芯机,及红外路面探伤系统,落锤式弯沉仪等,检测结果大部分为路面弯沉值及模量等数据。
这两种数据,仅提供了第N个监测年路面结构变化的结果,而没有反映出路面结构各层在荷载作用、季节变化干湿交替,等综合因素下的路面结构变化的过程。这种变化过程的体现指标为沉降值,但是其结构在常年荷载作用下发生的受力情况的改变,才是引发沉降的首要因素。路面结构受力引发路面结构沉降值变化,通过分析发现,其并不呈线性变化,而是在达到某一温度、湿度时,在某种荷载作用下产生的非线性变化。
目前,在学术研究中多采用有限元对路面结构进行模拟分析,此方法能够较理想地对路面结构进行行车理想状态下的静、动力分析。但路面结构的变化是综合因素导致的,随着外界环境的变化而变化,所以有限元分析法的分析数据还是较实际有所差距。在实验室中因受到路面结构选用类型、荷载加载条件、温度湿度模拟变化单一等客观及主观因素的限制,也难以实现对我国不同区域、不同路面结构进行模拟试验分析的目的。
实用新型内容
针对上述路面结构变化监测方法及测试装置存在的问题,本实用新型提出了一种埋地道路结构受力变化的监测装置及测试方法。
该监测装置可用于不同地区及不同路面结构,监测道路投入使用后路面结构的受力变化情况,实现测试零件安装便捷、不破坏原路面结构、不需要人工维护、不需要单独引电即插即用、及时获取路面结构的变化数据的功能。同一条道路的多点连续监测,使得测试结果更加准确、计算系统稳定,消除了人工操作数据不准确及其他因素的影响。该监测装置解决了受到地域、温度、气候等因素无法持续监测路面结构、监测过程干扰车辆通行、人工投入大、经济成本高、无法实现每条路常年连续监测等问题。
本实用新型可以实现对于不同地域,不同路面结构变化的长期监测;对于路面结构在不同外界环境下的受力变化分析、数据收集,优化城市路面结构组合设计、提升城市道路养护效率、实施智慧道路具有重要的意义。
为了达到上述目的,本实用新型的技术方案为:
一种埋地道路结构变化监测装置,包括主机身1、盖子16、传感器设备和供电设备;
所述的主机身1为顶端开口的筒体结构,主机身1的顶端设有密封圈b12,盖子16的底端设有密封圈c15,盖子16安装在主机身1的顶部,盖子16和主机身1之间通过螺母13和螺丝b14固定为一体,并通过密封圈b12和密封圈c15实现两道密封;盖子16的顶端设有通孔,用于走线;盖子16的上表面设有提拉环21,方便安装;
所述的传感器设备包括PCB板11、天线18、压力传感器4、温度传感器6和两个湿度传感器7;PCB板11通过螺丝a9固定在主机身1内的支架上,位于主机身1内的中部;传感器支架8固定在PCB板11上表面,主机身1的壁体上设有三个通孔,温度传感器6和两个湿度传感器7固定在传感器支架8上,且探头位于主机身1壁体上的通孔内,且通孔内设有密封圈a3;压力传感器4通过铆钉5固定在传感器支架8上,且压力传感器4与主机身1内壁之间设有弹簧2实现缓冲的作用;所述的PCB板11与压力传感器4、温度传感器6和两个湿度传感器7连接,实现数据采集;天线18与PCB板11连接,从盖子16顶端的通孔中伸出,用于信号传输,通孔中设有密封圈d17实现密封;
所述的供电设备包括电池10和太阳能板20;电池10位于主机身1内的下部,与PCB板11连接,为PCB板11供电;太阳能板20通过太阳能支架19安装在盖子16的上表面,太阳能板20与电池10连接,为电池10供电。
所述的主机身1和盖子16的材质为铸铁,所述的提拉环21的材质为不锈钢。所述的电池10为锂电池。
采用上述装置进行道路结构受力变化监测,具体如下:道路建设完成后,在需要监测位置按照设备尺寸取芯;取出芯体后,将本装置嵌于路面结构内,同时两边锚固,然后通过传感器进行压力、温度和湿度测量,对地面结构下的变化情况进行监测,并通过PCB板采集,然后通过天线传输。此方法可实现新、旧路面结构的快捷安装,铸铁外壁可有效绝缘,避免土壤内的电荷影响,同时外表刷防腐漆,也可实现长久防腐。
考虑到监测位置的电源受限,本实用新型采用太阳能板对设备内蓄电池蓄电的原理,为设备提供持续电源,盖顶设置天线,用于传输信号。同时以供盖内设置子盖防水密封圈,可有效防止地表水的浸入而损坏内部设备。
在设备侧壁设置温度传感器、湿度传感器及压力传感器,对地面结构下的变化情况进行监测;传感器监测的数据,可时时通过PCB板中的SIM卡将信号发射出去;最终实现数据的采集,通过计算机系统进行数据转换及数据分析。
本实用新型的有益效果:
本实用新型实现了设备及零件安装、快捷、可不破坏原有路面结构,不影响道路车辆通行。设备维护及零件更换简单、测试数据连续且稳定。本实用新型解决了目前无法实现连续对路面使用情况的监测,测试方法复杂及测试结果不连续等问题。同时采用多种传感器进行变形监测,不需要固定电源接线,可实现山区等地形条件复杂,监测难度高路段的长期监测。同时,监测数据可通过信号形式实现远程时时传输,减少数据采集及记录误差,降低人工及设备的经济成本。
附图说明
图1是本实用新型的埋地道路结构受力变化监测装置整体示意图;
图2是本实用新型的埋地道路结构受力变化监测装置右视图;
图3是本实用新型的埋地道路结构受力变化监测装置左视图;
图4是本实用新型的埋地道路结构受力变化监测装置顶视图。
图中:1、主机身;2、弹簧;3、密封圈a;4、压力传感器;5、铆钉;6、温度传感器;7、湿度传感器;8、传感器支架;9、螺丝a;10、锂电池;11、PCB板;12、密封圈b;13、螺母;14、螺丝b;15、密封圈c;16、盖子;17、密封圈d;18、天线;19、太阳能支架;20、太阳能板;21、提拉环;22螺丝c。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案;进一步说明本实用新型的具体实施方式。
如图1-4所示,本实用新型的一种埋地道路结构受力变化测试装置,其整体结构共分为4大部分:主机身1、盖子16、传感器设备(PCB板11、天线18、压力传感器4、温度传感器6和两个湿度传感器7)、供电设备(电池10和太阳能板20),具体如下:
主机身1位于整个设备下部,盖子16与主机身1通过螺母13和螺丝b14连接,主机身1的顶端设有密封圈b12,盖子16的底端设有密封圈c15,实现两道密封;PCB板11和电池10位于主机身1内,PCB板11通过螺丝a9固定在主机身1内置支架上,电池10为PCB板11供电;传感器支架8固定在PCB板11上,压力传感器4、温度传感器6和两个湿度传感器7固定在传感器支架8上,且温度传感器6和两个湿度传感器7的探头嵌于主机身1上的通孔内,通孔内设有密封圈a3用于密封;压力传感器4位于主机身1,通过铆钉5固定在传感器支架8上,且压力传感器4与主机身1内壁之间设有弹簧2;压力传感器4、温度传感器6和两个湿度传感器7以及天线18均与PCB板11连接,PCB板11进行数据采集,并通过天线18进行信号传输;天线18从盖子16顶端的通孔中伸出,通孔中设有密封圈d17;太阳能板20通过太阳能支架19安装在盖子16的上表面,太阳能板20与电池10连接,为电池10供电;盖子16的上表面设有拉环21,方便设备安装和拆卸;通过螺丝c22将盖子16顶端与地面固定,从而将整个装置固定在地面的探测孔内。
本实施例中,主机身1为铸铁主机身,根据地质情况判断表面是否需要刷防腐漆,内置浇筑一体支架;传感器支架8的材料为电解贴片;密封圈a3、密封圈b12、密封圈c15和密封圈d17的材质为硅胶;提拉环的材质为不锈钢。
本实用新型装置为智能远程监控道路结构温、湿度侧向受力的多功能为一体的监测设备。在道路建设完成后,在需要连续观测的观测点,利用取芯机取1.0m深,直径为16cm设备孔,将本装置嵌入,通过锚栓与两侧地面锚固即可。
设备无需单独引线,采用太阳能电池板供电,设备外表配置压力传感器检测仪,数据通过SIM卡传输回计算机系统,并可通过手机可实时远程获取数据。
供电及电源装置:
供电装配:设备内两块5V 500MA太阳能电板20串联,在太阳光照充足情况下,可得到最大10V电压给电池10充电。可有效避免附近无电源,导致无法监测情况。
储能电池:电池10为两节3.7V 5000mAH锂电池串联,用于储存太阳能,并且为电路其它部份供电。当电池满电后,在无太阳光照情况下,可实现超长待机,待机时间取决于用户手机端操控获取数据的频率,可实现30天以上超长待机。
传感器:
温度检测:温度传感器6,检测原理为PT100铂电阻,将PT100金属探头置于土壤中,PT100的电阻会随土壤中的温度变化会而变化。集成运放LM258对电阻信号进行放大处理,将放大后的电压信号AD_NTC送入主控芯片MINI58_32PIN进行模拟电压与数字信号转换而计算出对应的温度,监测下表为-50度~80度地温。
湿度检测:湿度传感器7,检测原理为向土壤中插两根金属细棒,电路检测两根金属棒之间的电阻来计算土壤的湿度。一般情况下,两根金属棒之间的电阻约几百欧姆到几千欧姆,视使用环境不同而不同。金属棒之间的电阻变化与贴片电阻进行分压后送入集成运放LM258运放放大后的信号AD_HUMITY送入主控芯片MINI58_32PIN进行模拟电压与数字信号转换而计算出对应的湿度。度-电阻对应表,单位为欧姆。
压力传感器:压力传感器4,采用称重压力传感器,传感器属于压电电阻变化类型,正常在未受力情况下电桥无电压信号输出,当传感器表面受到压力时会破坏原来的电桥平衡而输出不同的电压信号。连接的电路集成运放单元进行信号放大处理,输出AD_HEAVY送入主控芯片进行处理计算。
信号传递与数据采集:
SIM信号发射接收:PCB板11使用GSM模块外转天线SIM800C进行手机信息通迅,在GSM频段850MHZ/900MHZ/1800MHZ/1900MHZ,GSM模块可工作,插入手机SIM卡后通过外置天线与附近手机信号基站发射接受信号。用户可通过手机拨号或短信发送命令给装置上的SIM卡,SIM卡收到命令后将立即采集温度/湿度/压力数据通过SIM模块发送给手机。手机搜集数据后可转存与电脑分析软件中,进行数据储存及分析。
道路结构变形测试原理:
道路结构在荷载作用下的沉降量,可以反映路面结构的承载能力。因此道路建设通车后,通过对路面结构变化情况的长期观测,可以反映路面的结构在外界环境综合因素作用下的变化过程。通过对变化过程分析,可以对不同区域,不同路段、不同地质情况下的路面结构厚度、材料、施工工艺等进行优化设计,也可以通过车辆荷载的通过频率来疏导交通车流。同时,可及时反映出道路的破损情况,需要维修养护的路段。
本装置主要监测数值来源于路面结构在长期静、动态荷载作用下,路面结构层之间产生的相对位移及刚性位移。随着使用年限的增加,路面结构的整体厚度即沉降量就会发生变化,进一步引发路面结构发生变形产生病害。而沉降量与外力F之间的几何方程,是非线性变化过程。
其工作原理是对道路的静、动态荷载作用下的受力F进行分解,分解为垂直力Fv、水平力Fh及侧向力Fy(即动态荷载作用下的斜向力)。随着时间的推移测点在外力荷载作用下,产生了挤压导致路面结构向外侧膨出变形,通过对侧向受力的监测的数据,分析路面结构沉降量变化与温度、湿度荷载之间的关系。
压力传感器4可以读出测点处相应的侧向受力Fy、Fh。装置对路面受力、温度湿度进行同一位置的长久观测测量,在测试过程中,温度传感器6和湿度传感器7自动测量并记录温度t1及湿度ω1。监测设备将三种监测数据通过信号装置进行返回至计算机系统平台,为监测所在地的道路使用情况的数据分析提供依据。根据季节及特殊变化情况进行数据修正。沉降速度a与水平力Fh及侧向力Fy、温度t、湿度ω成正比。
y=aT (1)
t=k1t1±t2 (2)
ω=k2ω1±ω2 (3)
其中
公式一;y为道路路面结构沉降位移;a为沉降速度;T为监测时长;
公式二;t为路基温度;t1为监测路基温度平均值;k1为温度修正系数;t2为季节温度影响系数;
公式三;ω为路基湿度;ω1为监测路基湿度平均值;k2为湿度修正系数;ω2为季节湿度影响系数。

Claims (3)

1.一种埋地道路结构变化监测装置,其特征在于,所述的埋地道路结构变化监测装置包括主机身(1)、盖子(16)、传感器设备和供电设备;
所述的主机身(1)为顶端开口的筒体结构,主机身(1)的顶端设有密封圈b(12),盖子(16)的底端设有密封圈c(15),盖子(16)安装在主机身(1)的顶部,盖子(16)和主机身(1)之间通过螺母(13)和螺丝b(14)固定为一体,并通过密封圈b(12)和密封圈c(15)实现两道密封;盖子(16)的顶端设有通孔,用于走线;盖子(16)的上表面设有提拉环(21),方便安装;
所述的传感器设备包括PCB板(11)、天线(18)、压力传感器(4)、温度传感器(6)和两个湿度传感器(7);PCB板(11)通过螺丝a(9)固定在主机身(1)内的支架上,位于主机身(1)内的中部;传感器支架(8)固定在PCB板(11)上表面,主机身(1)的壁体上设有三个通孔,温度传感器(6)和两个湿度传感器(7)固定在传感器支架(8)上,且探头位于主机身(1)壁体上的通孔内,且通孔内设有密封圈a(3);压力传感器(4)通过铆钉(5)固定在传感器支架(8)上,且压力传感器(4)与主机身(1)内壁之间设有弹簧(2)实现缓冲的作用;所述的PCB板(11)与压力传感器(4)、温度传感器(6)和两个湿度传感器(7)连接,实现数据采集;天线(18)与PCB板(11)连接,从盖子(16)顶端的通孔中伸出,用于信号传输,通孔中设有密封圈d(17)实现密封;
所述的供电设备包括电池(10)和太阳能板(20);电池(10)位于主机身(1)内的下部,与PCB板(11)连接,为PCB板(11)供电;太阳能板(20)通过太阳能支架(19)安装在盖子(16)的上表面,太阳能板(20)与电池(10)连接,为电池(10)供电。
2.根据权利要求1所述的一种埋地道路结构变化监测装置,其特征在于,所述的主机身(1)和盖子(16)的材质为铸铁,所述的提拉环(21)的材质为不锈钢。
3.根据权利要求1或2所述的一种埋地道路结构变化监测装置,其特征在于,所述的电池(10)为锂电池。
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