CN113375774A - 用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器 - Google Patents

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杨海露
刘越
逯平
赵昕
董昭
杨月
赵千
陈永华
何志辉
时增宇
王硕鑫
马跃东
李振坤
王晔
汪林兵
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Abstract

本发明提供一种用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，属于传感器技术领域。该传感器包括接头、接线槽、导线、封装槽、压电陶瓷片、不锈钢垫片和压电槽，接头设在传感器端部，接头后部设置接线槽，导线置于封装槽内，传感器内部两侧设置封装槽，传感器内等间距设置压电陶瓷片，压电陶瓷片通过不锈钢垫片固定在压电槽内。该传感器寿命长、防尘防水、结构简单、施工便捷、成本低廉、性能稳定，可以用于交通测速、动态称重、偏载测量，也可以粗略判定荷载作用位置，进行路面轮迹横向分布系数监测，为路面长期服役性能提供数据支撑。本发明能够在车辆交通动态称重***和道路长期服役性能监测中广泛推广。

Description

用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是指一种用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器。
背景技术
随着社会经济的不断发展，高速公路的货车变多，道路增加的同时车流量也不断增加，由于交通量大、严重超载等问题的存在，全国公路每年由于车辆超载所造成的损失超过300亿元,给国家财产造成了巨大损失。如何使用准确的、实用的和完备的车辆动态称重传感器，测量行驶中车辆的各种参数，以准确衡量车辆的真实轴重，以满***通管理者的实际需要，防止车辆超载以减少交通事故，促进我国公路管理的发展，已成为一个重要问题。
动态称重设备用于在车辆驶过测量站点时捕获并记录轴重和车辆总重。与静态称重不同,动态称重***能够测量以降低的或正常的交通速度行驶的车辆,不需要车辆停车。极大的提高了车辆通行效率,同时也提升了道路基础设施的治理水平。国内使用的高速公路计重收费***中使用的称重传感器主要有弯板式称重传感器和整车式称重传感器，这两种车辆称重***由于造价高对路面破坏严重、后期维护难等缺点，限制了其广泛使用。压电石英动态称重***虽然可用于高速动态称重，但其对路面要求高，需要对整段路面进行改造，此外现有的动态称重***，不能实现轴载作用位置的定位功能，限制了道路精细化管理、智能感知与交互场景下的应用，较难用于进一步的科学研究。因此，本文目的在于研究一种成本低廉施工便捷，结构简单对路面破坏较小、动态响应快，能适应各类车型，并且可以定位荷载作用位置的动态称重***。
大多数动态称重***由传感器、电荷放大器、A/D转换回路、数据存储和处理***组成。在众多的传感器中,压电传感器以其动态响应速度快,信噪比高和自供能等优点,已经广泛用于动态称重设备和其他基础设施健康监测领域。压电传感器是基于压电材料的压电效应工作的传感器。以锆钛酸铅(PZT)为代表的压电陶瓷传感器，虽未推出成熟的应用***，但在近年的研究中已逐渐显示出其在动态称重***中的潜力。它具有结构简单，成本低，快速响应，高可靠性和良好的结构兼容性的优点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，该压电陶瓷传感器由玻纤增强型尼龙封装材料、双组份环氧树脂灌缝材料、压电压电陶瓷片、导线、接头、不锈钢垫片组成。本发明的突出优点在于结构简单、强度高、适用性强、施工便捷、性能稳定、灵敏度高，可以用于交通测速、动态称重，也可以粗略判定荷载作用位置，在车辆交通动态称重***中具有广泛的应用前景。
具体的，该传感器包括接头、接线槽、导线、封装槽、压电陶瓷片、不锈钢垫片和压电槽，接头设在传感器端部，接头后部设置接线槽，导线置于封装槽内，传感器内部两侧设置封装槽，传感器内等间距设置压电陶瓷片，压电陶瓷片下设不锈钢垫片固定在压电槽内。
其中，压电陶瓷片设置4-8组，压电陶瓷片选用锆钛酸铅PZT-5陶瓷片，压电陶瓷片通过高性能胶水置于不锈钢垫片上。
封装槽采用玻纤尼龙复合材料制成，其中，玻璃纤维含量30％，尼龙含量70％。
不锈钢垫片直径为压电陶瓷片的1.5倍，不锈钢垫片和压电陶瓷片的厚度均为2mm。
导线通过焊接的方式与压电陶瓷片正负极连接，并通过高性能胶水将导线贴附于封装槽壁上，最后所有的导线汇聚于接线槽内。
接头通过钢板固定在封装槽一端，利用点焊的方式将导线与接头连接。
该传感器采用双组份环氧树脂灌封胶进行灌浆封装，灌封胶固化后绝缘强度大于15kV/mm。
该传感器整体长550-1200mm，宽45mm，厚度28mm。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，传感器成本低廉施工便捷，结构简单、强度高、施工便捷、响应快、灵敏度高、同时可用于荷载位置定位，且能适应各类路面。具体的优点如下：
1)可实现荷载定位
本发明在称重的同时能实现荷载的定位，道路交通作为渠化交通，但是不同车型的轮距、轮组、轮胎类型不同，车轮荷载作用位置在横断面上存在一定的非均匀横向分布，研究准确的荷载作用位置，用于分析路面服役性能具有重大意义。本发明在单根传感器上植入阵列式压电单元，根据每个单元信号大小、相对位置以及信号幅值关系，可以对荷载作用位置进行粗略区分。实现对轮胎荷载监测和初步定位。
2)高灵敏度
本发明采用锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷片作为感知单元，相较于石英、压电薄膜等材料具有高灵敏度，高稳定，高强度，高线性度的特点。通过室内加载试验表明，压电传感器在5-25kN的竖向压力下能保持良好的结构稳定性和良好的信号输出。压电***总输出随着正弦载荷的幅值增加线性增加，说明该***对荷载大小具有良好的线性响应；当加载频率在5Hz-15Hz之间时,***总峰值输出对加载频率具有良好的频率独立性；根据各压电单元输出峰值关系，可粗略实现荷载作用位置定位功能。
3)高强度
本发明采用了玻纤增强型尼龙材料作为防护性封装，并用环氧树脂灌浆密封的方式，极大的提高了传感器的整体强度和防水性能，其抗压抗弯强度与水泥路面相匹配。本发明的传感器用于连续布筋水泥混凝土路面，在具备感知功能的同时起到增强路面性能的作用。
本发明提出的压电传感器封装材料采用工程塑料-玻纤尼龙，除了能实现抗压、防水、防尘、防腐蚀等要求，可满足道路交通恶劣的工况环境，还由于价格比较优惠而被采用。
4)对路面破坏较小
本发明提出的一种适用于水泥路面玻纤增强新型压电陶瓷传感器为带式称重***，其体积细长窄小，安装过程简单，对路面干扰较小。相较于弯板式称重传感器和整车式称重传感器，其不需在路面结构上开挖混凝土基坑，也不需要在基坑的表面设置与原始路面表面水平的称重台面，从而安装便捷、耗时较短，投入也较小。
附图说明
图1为本发明的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器封装结构示意图；
图2本发明的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器整体装配图；
图3本发明的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器埋设方式流程图；
图4本发明的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器工作流程图。
其中：1-接头；2-接线槽；3-导线；4-封装槽；5-压电陶瓷片；6-不锈钢垫片；7-压电槽。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明提供一种用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器。
如图1和图2所示，该传感器包括接头1、接线槽2、导线3、封装槽4、压电陶瓷片5、不锈钢垫片6和压电槽7，接头1设在传感器端部，接头1后部设置接线槽2，导线3置于封装槽4内，传感器内部两侧设置封装槽4，传感器内等间距设置压电陶瓷片5，压电陶瓷片5下设不锈钢垫片6固定在压电槽7内。
其中，压电陶瓷片5设置4-8组，压电陶瓷片5选用PZT-5陶瓷片，压电陶瓷片5通过高性能胶水置于不锈钢垫片6上。PZT-5压电系数220pC/N，居里温度210℃。
封装槽4采用玻纤尼龙复合材料制成，其中，玻璃纤维含量30％，尼龙含量70％。玻纤尼龙复合材料，除了能实现抗压、防水、防尘、防腐蚀等要求，可满足道路交通恶劣的工况环境，还由于价格比较优惠而被采用。
不锈钢垫片6直径为压电陶瓷片5的1.5倍，不锈钢垫片6和压电陶瓷片5的厚度均为2mm。不锈钢垫片的端面为光滑表面。
导线3通过焊接的方式与压电陶瓷片5正负极连接，并通过高性能胶水将导线3贴附于封装槽4槽壁上，最后所有的导线3汇聚于接线槽2内。
接头1通过钢板固定在封装槽4一端，利用点焊的方式将导线3与接头1连接。
该传感器采用双组份环氧树脂灌封胶进行灌浆封装，灌封胶固化后绝缘强度大于15kV/mm。
该传感器整体长550-1200mm，宽45mm，厚度28mm。
该传感器在称重的同时，根据各压电单元输出峰值关系，可粗略实现荷载作用位置定位功能。
具体的，对本发明传感器相关材料进行说明。
(1)封装材料
压电单元的封装采用带形封装结构，封装材料采用玻纤尼龙复合材料，作为一种抗拉强度高，轻质高强、无磁性、抗疲劳的新型增韧、阻裂增强材料，玻纤尼龙复合材料具有很高的工程应用价值。采用玻纤尼龙复合材料作为封装结构不仅具有低重量、高刚度的优点还降低了成本，使玻纤尼龙复合材料在更多方面代替了金属。玻纤尼龙复合材料玻璃纤维含量30％，根据不同的化学组成,可将玻璃纤维分为无碱E型、低碱S型和含碱C型，碱成分容易破坏玻璃纤维中的硅酸组织,造成玻璃纤维的风蚀,易引起玻璃纤维表面破坏。本发明掺加玻璃纤维类型为无碱E型，几乎不存在碱成分。尼龙(Polyamide，PA)含量70％，采用尼龙66(PA66)具有优异的力学性能和较高的热稳定性，是一种最常用的工程塑料，其作为玻璃纤维增强尼龙复合材料的基体在汽车外壳和航空航天的领域有着广泛的用途。材料特点如表1所示。
表1
Figure BDA0003087767550000051
Figure BDA0003087767550000061
(2)压电传感材料
压电传感材料是压电传感器的核心部件，其性能和功能的选择都尤为关键，因此选择性能稳定、灵敏度高、机械性能好的压电传感材料十分关键。压电式传感器的敏感材料主要有压电石英、压电陶瓷以及压电复合材料(PVDF)，压电石英由于其为天然晶体造价比较贵，压电复合材料(PVDF)使用温度较低应用上受到一定的限制。压电陶瓷(PZT)因具有较高的压电系数和居里温度，各项性能受外界影响变化不大等优点脱颖而出被大批量用于土木工程结构检测领域。PZT-5有着较高的压电常数，具有良好的温度稳定性，退极化温度临界值大于200℃，因此，PZT-5可选作本***压电陶瓷传感器的压电材料。PZT-5压电参数如表2所示。
表2
Figure BDA0003087767550000062
(3)灌浆封装材料
灌浆封装材料采用双组份环氧树脂灌封胶，常温可固化，固化后收缩率低，固化物表面不开裂具有防潮、绝缘的特点，通常用于电子元器件和线路板封闭。环氧树脂灌封胶常规性能、使用工艺及固化后的性能如表3、表4和表5所示。
表3双组分环氧树脂灌封胶常规性能
测试项目 测试方法或条件 细分A 细分B
外观 目测 黑色粘稠液体 褐色流体
密度 25℃，g/cm<sup>3</sup> 1.45-1.80 1.08-1.15
粘度 25℃，cps 3000-4000 100-250
表4双组分环氧树脂灌封胶使用工艺
项目 单位或条件 A/B
混合比例 重量比 5∶1
初固时间 25℃，分钟 90
固化条件 ℃/小时 25/24或60/2-3
表5双组分环氧树脂灌封胶固化后性能
项目 单位或条件 A/B
硬度 Shore-D ≥80
体积电阻率 25℃，Ω.cm ≥10<sup>15</sup>
绝缘强度 25℃，kv/mm ≥15
剪切强度 MPa ≥10
介电常数 25℃，1MHZ 3.0±0.1
(4)组装方式
本发明通过对适用于水泥路面玻纤增强新型压电陶瓷传感器结构设计及封装材料进行研究，以保证其良好的传感性能和服役寿命。具体组装方式如下：
首先对压电陶瓷传感单元进行封装，压电片的尺寸为φ20×2mm，在压电片下方增加不锈钢垫片，尺寸为φ30×2mm，其直径为压电片的1.5倍，其作用是可以保证压电片沿极化方向的均匀受力。将多组压电单元全部封装完毕后，用导线将所有压电片的负极连接在一起，正极通过独立的导线各自引出，并通过高性能胶水黏贴在槽壁上，多根导线汇聚在预留好的接线槽内。将多芯接线端子通过钢板固定在压电槽一端，利用点焊的方式将多根导线焊接在接线端子上，以此将导线引出。导线连接好压电单元后，将按比例混合后的双组分环氧树脂倒入组装好的压电槽内，静置24小时待双组分环氧树脂硬化后完成灌浆封装。
在具体实施过程中，压电材料选择性能稳定、灵敏度高、机械性能好的PZT-5陶瓷片，压电片的尺寸为φ20×2mm，考虑到压电单元在路面结构中的受力状态，在压电片下增加不锈钢垫片，尺寸为φ30×2mm其直径为压电片的1.5倍，一方面可以保证压电片沿极化方向的均匀受力，另一方面保护压电片的防潮防腐。
在压电封装结构方面不同于以往研究的小微型压电陶瓷传感器开发，本研究为了保证封装强度、防止压电单元的过早失效，同时解决传感器***受轮胎作用面积小而产生的准确度受限等问题提出了带形封装结构如图1所示，整体尺寸550mm×45mm×28mm(L*W*H)。本发明设计的压电陶瓷传感器包括4组压电单元及其导线组成，各压电单元水平间距为250mm，整体装配图如图2所示。其中，压电单元及其导线之间通过高性能胶固定粘接，导线最终通过半圆形接线槽引出，最后用双组分环氧树脂灌封胶进行灌浆处理，静置24小时后灌封胶硬化成型，得到灌封成型好的玻纤增强新型压电陶瓷传感器。
将硬化成型后的玻纤增强新型压电陶瓷传感器埋入车辆行驶的沿途或各类收费站口的路面面层形成压电智能路面。确定好埋设位置，进行定位标记，根据定位记号，采用路面切缝机进行切缝；切缝完成后，将槽内部的碎石、废渣清理干净，保证坑穴内没有泥浆以保证回填质量；随后进行坑槽的回填压实及找平；最后对坑槽进行灌缝封边。玻纤增强新型压电陶瓷传感器埋设方式如图3所示。
当车辆以一定速度行驶经过传感器时，轮胎挤压传感器敏感元件产生电荷输出，输出的电荷信号送至放大电路，电信号经过放大后送至A/D转换电路，最后由数据采集***采集存储，实现车辆称重。本发明结构设计合理，能适应路面的各类冲击磨损，能长时间承受路面积水、长期稳定性好、施工方便对路面破坏较小、动态响应快，能适应各类车型的精确称重。玻纤增强新型压电陶瓷传感器工作流程如图4所示。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：包括接头(1)、接线槽(2)、导线(3)、封装槽(4)、压电陶瓷片(5)、不锈钢垫片(6)和压电槽(7)，接头(1)设在传感器端部，接头(1)后部设置接线槽(2)，导线(3)置于封装槽(4)内，传感器内部两侧设置封装槽(4)，传感器内等间距设置压电陶瓷片(5)，压电陶瓷片(5)下设不锈钢垫片(6)固定在压电槽(7)内。
2.根据权利要求1所述的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述压电陶瓷片(5)设置4-8组，压电陶瓷片(5)选用PZT-5陶瓷片，压电陶瓷片(5)通过高性能胶水置于不锈钢垫片(6)上。
3.根据权利要求1所述的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述封装槽(4)采用玻纤尼龙复合材料制成，其中，玻璃纤维含量30％，尼龙含量70％。
4.根据权利要求1所述的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述不锈钢垫片(6)直径为压电陶瓷片(5)的1.5倍，不锈钢垫片(6)和压电陶瓷片(5)的厚度均为2mm。
5.根据权利要求1所述的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述导线(3)通过焊接的方式与压电陶瓷片(5)正负极连接，并通过高性能胶水将导线(3)贴附于封装槽(4)槽壁上，最后所有的导线(3)汇聚于接线槽(2)内。
6.根据权利要求1所述的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：所述接头(1)通过钢板固定在接线槽(2)一端，利用点焊的方式将导线(3)与接头(1)连接。
7.根据权利要求1所述的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：该传感器采用双组份环氧树脂灌封胶进行灌浆封装，灌封胶固化后绝缘强度大于15kV/mm。
8.根据权利要求1所述的用于水泥路面车辆动态称重及荷载定位的压电陶瓷传感器，其特征在于：该传感器整体长550-1200mm，宽45mm，厚度28mm。
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Application publication date: 20210910

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