CN218628262U - 一种新型路面弯沉实时监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型路面弯沉实时监测装置，包括传感器、4G网络通讯模块、四通道振动数据采集模块和云平台，传感器包括铝合金外壳，通过环氧树脂灌封胶封装在铝合金外壳内的线圈、永久磁铁、弹簧和轭铁，若干个传感器并联在一起后与四通道振动数据采集模块连接，四通道振动数据采集模块将采集到的传感器的数字信号通过4G网络通讯模块发送到云平台。本实用新型可以对路面内部弯沉进行实时监测，从而可以利用弯沉反算出路面各结构层的模量，通过模量的变化可以在病害前期进行针对性养护，解决了现有技术若想对路面内部各层刚度进行检测需要通过钻芯取样或对路面切割等方式，会对路面造成破坏并且一般不允许进行的问题。

Description

一种新型路面弯沉实时监测装置

技术领域

本实用新型涉及路面弯沉监测领域，具体为一种新型路面弯沉实时监测装置。

背景技术

公路建成通车后，因承受车轮的磨损和冲击，受到暴雨、洪水、风沙、冰雪、日晒、冰融等自然力的侵蚀和风化，以及人为的破坏和修建时遗留的某些缺陷，公路使用质量会逐渐降低。因此，公路建成通车后必须采取养护维修措施，并不断进行更新改善。

弯沉是公路设计和公路工程质量状况评价的重要技术指标之一，它从整体上反映了路面各层次的整体强度。如果弯沉值过大，其变形也就越大，路面各层也就容易破裂。因此，展开对弯沉问题的研究十分必要。

近年来，路面弯沉最常用的方法包括静态测量方法，如Benkelman梁法(贝克曼梁法)；动态测量方法，如FWD(落锤式弯沉仪法)，虽然这些技术被广泛使用，但检测的费用高昂，速度慢，这限制了测量的频率测试(通常每隔一年或两年)，并要求关闭高速公路车道。其次，路面常用的检测响应主要有压应力、压应变等，它们的变异性比较大，可靠性不高，而弯沉监测的是位移，可靠性高一些。

对于长期服役的重要路面结构，如果能够定期对其健康状态做出正确评估，将路面结构的健康状态及时反映给相关部口，达到提前预警，就可充分掌握路面结构的安全性能，确保路面结构安全可靠。

基于检波器测量微小振动原理，我国许多学者已做了许多研究，应用到各个领域，如公开号为CN215170037U的“一种隧道超前预报检波器的管片固定装置”、公开号为CN113341175A的“一种基于单检波器的高铁运行加速度估计方法及系统”、公开号为CN110361564A的“一种三棱柱式光纤光栅加速度检波器”、公开号为CN102628960A的“速度和加速度双参数数字地震检波器”、公开号为CN110220979B的“基于微地震技术的高陡岸坡稳定性监测系统与评价方法”、公开号为CN108845347A的“一种近地表组合式微地震数据监测系统与方法”等，上述专利未见检波器运用到路面监测中，相较于以上专利，本专利设计了一种路面弯沉实时监测系统。将传感器埋入路面结构层中，实时测量车辆荷载作用在路面结构的弯沉变化，通过路面弯沉监测以此对路面结构性能状态识别。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种新型路面弯沉实时监测装置。

为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：

一种新型路面弯沉实时监测装置，包括传感器、4G网络通讯模块、四通道振动数据采集模块和云平台，传感器包括铝合金外壳，通过环氧树脂灌封胶封装在铝合金外壳内的线圈、永久磁铁、弹簧和轭铁，线圈通过弹簧与外壳相连，且位于永久磁铁与外壳间的磁场之中，构成与永久磁铁外壳作相对运动的惯性体，当传感器受振动时，若质量块与被测物体的质量相比很小时，质量块将感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，在力的作用下，将产生电压信号(压电效应)；若干个传感器并联在一起后与四通道振动数据采集模块连接，四通道振动数据采集模块将采集到的传感器的数字信号通过4G网络通讯模块发送到云平台。

进一步地，还包括用于为整个装置供电的电源模块，包括蓄电池、太阳能电池板和用于控制所述蓄电池充电过程的太阳能电源控制器。

进一步地，四通道振动数据采集模块通过电压转换模块、滤波降噪模块及路面弯沉换算模块将各传感器测得的电信号转化进而得到路面弯沉参数。

进一步地，传感器的布设在不同结构层中，所述装置在线运行时，路面结构在行车荷载的作用下，埋设在半刚性基础顶层的采集传感器受到振动作用，四通道振动数据采集模块在不间断采集外部四个通道的传感器的数据。

进一步地，所述4G数据采集模块用于提供4G信号的通讯模块和存储模块，所述通讯模块是SIM卡，所述存储模块是内存卡，数据采集频率为1000次/秒。

本实用新型具有以下有益效果：

1)、可以对路面内部弯沉进行实时监测，从而可以利用弯沉反算出路面各结构层的模量，通过模量的变化可以在病害前期进行针对性养护，解决了现有技术若想对路面内部各层刚度进行检测需要通过钻芯取样或对路面切割等方式，会对路面造成破坏并且一般不允许进行的问题。

2)、可以用于辅助进行病害诊断，通过不同层位变形数据判断各层次刚度的变化，做到只对严重变形层位进行维修处置，节省成本，解决了现有一般路表弯沉检测技术无法精确确认弯沉具体发生在哪一层位的问题。

3)、传感器输出的都是差分信号，一般的ADC芯片不能直接采集，设计使用了四路高精度仪表运放，可以直接处理传感器输出的差分信号，把差分信号转换为ADC能处理的单端信号，ADC将模拟信号转换为数字信号。

4)、4G数据采集模块可以直接将数字信号发送到云平台，使用手机或者电脑可以登录云平台直接查看，不需要到现场检测，十分方便。

5)、为适应路面内部埋设，封装结构使用环氧树脂灌封胶进行灌封，环氧树脂灌封胶有硬度高、表面平整，有固定、绝缘、防水、防油、防尘、防盗密、耐腐蚀、耐老化、耐冷热冲击等特性。

6)、传感器的布设在不同结构层中，从而可以得到车辆荷载作用下，各结构层产生的弯沉。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是路面弯沉实时监测装置示意图；

图2是路面结构中传感器布设位置示意图；

图3是数据采集模块系统框架示意图；

图4是传感器检波器结构示意图示意图；

图5是云平台接收器框架示意图；

图中：1-传感器，2-电源模块，3-四通道振动数据采集模块，4-4G网络通讯模块，5-云平台，6-电压转换模块，7-滤波降噪模块，8-路面弯沉换算模块，12-铝合金外壳，13-弹簧，9-线圈，10-永久磁铁，11-轭铁。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，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”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实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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实用新型的限制。

如图1-图5所示，本实用新型实施例的一种新型路面弯沉实时监测装置，包括传感器1、4G网络通讯模块4、四通道振动数据采集模块3和云平台5，传感器1包括铝合金外壳12，通过环氧树脂灌封胶封装在铝合金外壳12内的线圈9、永久磁铁10、弹簧13和轭铁11，线圈9通过弹簧13与外壳12相连，且位于永久磁铁10与外壳12间的磁场之中，构成与永久磁铁10、外壳(12)作相对运动的惯性体，当传感器受振动时，若质量块与被测物体的质量相比很小时，质量块将感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用，在力的作用下，将产生电压信号压电效应；若干个传感器1布设在不同结构层中，并联在一起后与四通道振动数据采集模块3连接，所述装置在线运行时，路面结构在行车荷载的作用下，埋设在半刚性基础顶层的采集传感器1受到振动作用，四通道振动数据采集模块3在不间断采集外部四个通道的传感器1的数据，四通道振动数据采集模块3将采集到的传感器1的数字信号通过4G网络通讯模块4发送到云平台5，四通道振动数据采集模块通过电压转换模块、滤波降噪模块及路面弯沉换算模块将各传感器测得的电信号转化进而得到路面弯沉参数。用于提供4G信号的通讯模块和存储模块，所述通讯模块是SIM卡，所述存储模块是内存卡，数据采集频率为1000次/秒。

本实施例中，还包括用于为整个装置供电的电源模块2，包括蓄电池、太阳能电池板和用于控制所述蓄电池充电过程的太阳能电源控制器。

本具体实施使用时，包括如下步骤

1、传感器的设置

(1)选用环氧树脂灌封胶对传感器与铝合金进行灌封。

(2)与四通道振动数据采集模块3连接；数据通过4G网络4将数据采集模块传到云平台5。

(3)在使用前连接好系统电路：将传感器单元1、四通道振动数据采集模块通过电缆依次连接。

2、电源模块的设置

太阳能电源控制器的正极与负极分别与太阳能电池板的正极与负极连接，用于为整个系统提供电能，太阳能电源控制器的蓄电池接入端正极与负极分别与蓄电池的正极与负极连接，用于为整个系统存储电能，太阳能电源控制器的供电输出端正极与负极分别与传感器阵列的正极与负极连接，用于为传感器提供稳定电压。

3、数据获取和运算

通过数据卡里面的文件set.txt可以设置系统的自动触发阈值，此值的设置范围为001--999，传感器安装后，当输出信号的波动值超过设置阈值时，系统开始触发采集，数据采集速度为1000次/秒。采集2秒数据后，系统打开4G网络通讯模块，连接服务器并将数据上传。

本实例数据采集模块使用一张16G大容量TF卡记录数据(也可以使用32G卡)，按照每天触发采集100次的频率计算，16G容量的数据卡够系统采集记录一年的数据。可以通过现场读取TF卡里面的数据，也可以通过登录服务器获取现场采集到的数据。数据分析与计算方式如下：实际电压值计算：

V＝(N-J)*0.8485

其中V是实际电压值单位：mV，N是ADC采集得到的值，J是基准值；前三个通道的基准值是2065，第4个的基准值是2066，0.8485是采集转换的计算系数。

通过得到的电压值可以根据传感器自身的灵敏度得到该电压值下的速度，通过积分得到相对应的位移，位移就是车辆荷载作用下路面结构层的弯沉，然后通过弯沉反算即可获取到各结构层的模量。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本实用新型的优选例，并不用来限制本实用新型，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型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实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种新型路面弯沉实时监测装置，其特征在于：包括传感器(1)、4G网络通讯模块(4)、四通道振动数据采集模块(3)和云平台(5)，传感器(1)包括铝合金外壳(12)，通过环氧树脂灌封胶封装在铝合金外壳(12)内的线圈(9)、永久磁铁(10)、弹簧(13)和轭铁(11)，线圈(9)通过弹簧(13)与外壳(12)相连，且位于永久磁铁(10)与外壳(12)间的磁场之中，构成与永久磁铁(10)、外壳(12)作相对运动的惯性体，若干个传感器(1)并联在一起后与四通道振动数据采集模块(3)连接，四通道振动数据采集模块(3)将采集到的传感器(1)的数字信号通过4G网络通讯模块(4)发送到云平台(5)。

2.如权利要求1所述的一种新型路面弯沉实时监测装置，其特征在于：还包括用于为整个装置供电的电源模块(2)，包括蓄电池、太阳能电池板和用于控制所述蓄电池充电过程的太阳能电源控制器。

3.如权利要求1所述的一种新型路面弯沉实时监测装置，其特征在于：四通道振动数据采集模块(3)通过电压转换模块(6)、滤波降噪模块(7)及路面弯沉换算模块(8)将各传感器(1)测得的电信号转化进而得到路面弯沉参数。

4.如权利要求1所述的一种新型路面弯沉实时监测装置，其特征在于：传感器(1)的布设在不同结构层中，所述装置在线运行时，路面结构在行车荷载的作用下，埋设在半刚性基础顶层的采集传感器(1)受到振动作用，四通道振动数据采集模块(3)在不间断采集外部四个通道的传感器(1)的数据。

5.如权利要求1所述的一种新型路面弯沉实时监测装置，其特征在于：所述4G网络通讯模块(4)用于提供4G信号的通讯模块和存储模块，所述通讯模块是SIM卡，所述存储模块是内存卡，数据采集频率为1000次/秒。

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