一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法技术

本发明专利技术公开了一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，两列压电阵列中设有数量相同的压电骨料单元，两列压电阵列中压电骨料单元之间均匀间隔布置且具有相同的间隔距离，所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统；处理系统根据时间参数获得车辆的行驶车速；根据车辆驶过压电阵列上方产生的电压大小，获得车辆的载重。本发明专利技术用于监测车辆对路面的压应力和车辆车速。相比现有压电传感器，传感性能更加灵敏和稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法
本专利技术涉及智能交通系统监测
，尤其涉及一种压电阵列监测车辆车速和载重的装置和方法。
技术介绍
随着我国汽车保有量的快速持续增长，对道路交通管理提出了更高的要求，智能交通公路应运而生。车辆超速是造成交通事故重要原因，而车辆超载往往会对公路造成严重损坏，因而车速、车辆载重的实时监测是交通系统中的最为重要内容。目前，国内外常用的车速检测技术有雷达、激光、红外、超声波等，车辆动态称重系统包括应变式、电容式等。上述技术设备价格昂贵，且车速和车辆载重不能同时测量。2008年，休斯顿大学宋钢兵教授系统总结了压电骨料单元在混凝土健康监测领域的成功应用。压电材料可以将受到的应力以电压的形式输出信号，且电压大小正比于所受应力。论文总结了压电骨料单元可以成功监测混凝土内部应力应变、裂纹损伤、早期强度等方面。骨料封装材料与混凝土性能高度匹配，因而埋置入混凝土内部不会导致任何损伤。同时指出埋置在混凝土内部的压电骨料单元电压输出，正比于该点处所受应力。(SongG,GuH,MoYL.TOPICALREVIEW:Smartaggregates:multi-functionalsensorsforconcretestructures—atutorialandareview[J].SmartMaterials&Structures,2008,17(3):033001.)目前应用在压电骨料单元中的压电材料主要为PZT陶瓷材料和PVDF压电薄膜。PZT压电陶瓷压电性能优异，但含铅、质地易碎限制了其在智能骨料中的应用。PVDF压电薄膜巨大的压电电压常数g33使得PVDF压电薄膜在压电骨料单元中成功应用，但是PVDF压电薄膜存在压电常数d33较小的缺点，仅有25pC/N，远小于压电陶瓷450pC/N,综合压电性能不佳。作为压电薄膜家族另一重要材料复合压电薄膜在混凝土的健康监测领域还没有被提到，且压电薄膜的型号极多，性能不断提高甚至优于PVDF薄膜。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供了一种压电骨料单元压电阵列监测车辆车速和载重的方法，一并提出一种性能优异的锆钛酸铅/碳纳米管/聚二甲基硅氧烷压电复合薄膜，用于监测车辆对路面的压应力和车辆车速。相比现有压电传感器，传感性能更加灵敏和稳定。为实现上述技术目的，本专利技术采用的技术方案为：一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，两列压电阵列中设有数量相同的压电骨料单元，两列压电阵列中压电骨料单元之间均匀间隔布置且具有相同的间隔距离，包括前置压电阵列和后置压电阵列，其中，前置压电阵列中包括Q1、……、Qi、……、QNN个压电骨料单元；后置压电阵列中包括H1、……、Hj、……、HNN个压电骨料单元，其中，1≤i≤N、1≤j≤N，i、j、N均为正整数，序列号Qi的前置压电骨料单元与序列号为Hi的后置压电骨料单元之间连线与公路汽车行驶方向平行；所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统；处理系统根据时间参数获得车辆的行驶车速，具体是：若车辆通过前置压电阵列的时间点为T1，通过后置压电阵列的时间点为T2，并且判定车辆沿直线行驶；则车辆的行驶速度为v＝S/Δt，其中，S为两列压电骨料的间隔距离，Δt＝T1-T2；处理系统根据车辆驶过压电阵列上方产生的电压大小，获得车辆的载重。判断车辆是否沿直线行驶具体是：若车辆通过压电骨料单元Qi时间点为T1，通过压电骨料单元Hj时间点为T2，满足|i-j|<K，其中，K为小于等于3的正整数，则判定车辆沿直线行驶。前置压电阵列和后置压电阵列之间的间隔距离S为2～3m。压电阵列中每两个压电骨料单元之间的间隔距离是5～8cm。每个所述压电骨料单元均由柔性压电薄膜通过环氧树脂/水泥复合物封装后制得。所述柔性压电薄膜为锆钛酸铅纳米纤维、导电相以及聚二甲基硅氧烷按质量比10：0.5：100～10：2：100均匀混合，在ITO薄膜基底上制备的复合压电材料，其中锆钛酸铅纳米纤维是通过配置溶胶凝胶，静电纺丝制备纤维、热处理之后得到。每个柔性压电薄膜的尺寸为1cm*1cm*0.1cm；通过环氧树脂/水泥复合物封装后制得的每个所述压电骨料单元均是尺寸为长1.6cm、宽1.6cm、厚0.6cm的长方体结构，压电骨料单元封装材料为环氧树脂、水泥、固化剂按质量比1：2：1～1：3：1制得。在路面切割出两列压电骨料单元放置孔，每个压电骨料放置孔内埋置一个压电骨料单元，每个压电骨料单元的信号输出端口连接有引出线，引出线延伸至道路外与信号采集系统并联连接，且露出的引出线为具有防水防腐蚀保护层的同轴线缆，随后用混凝土掩盖进行养护。每个所述压电骨料单元的尺寸均为长1.6cm、宽1.6cm、厚0.6cm，每两个压电骨料放置孔之间的孔间距不小于5cm，在公路上的埋置深度为2～3cm。有益效果：第一、本专利技术提供的一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，埋置深度为2～3cm，每列阵列中包括数量相同的多个压电骨料单元，同一列中每两个压电骨料单元间隔距离相同，由于每一列中包含若干个压电骨料单元，因此汽车经过时必然会有1到2个压电骨料单元受到一定的正应力，大大提高了采集可靠性。第二、每个压电骨料单元都有编号且为并联关系，可以用以确定汽车驶过的点位置并确定汽车是否直线行驶。第三、本专利技术所提出的压电骨料单元是由柔性压电薄膜封装后制得。复合压电薄膜压电电压常数g33为75mVm/N,高于PZT压电陶瓷的26mVm/N，在外应力作用下输出电压更高。压电纤维(PZT)和多壁碳纳米管(MWCNT)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)按固定质量比复合成压电薄膜。压电纤维是由静电纺丝方法制备。静电纺丝法作为一种新兴技术，配置的溶胶凝胶作为可溶性盐使得锆钛酸铅成分实现分子级的融合，其压电钙钛矿相成分更为均匀，压电性能优异。碳纳米管作为压电相中的导电相提高极化效率的同时，与PZT纳米纤维产生力学耦合作用，使得在相同的应变下具有更大的压电输出信号。相比于水热法制备PZT单晶易于折损，静电纺丝法制备的柔性纳米压电纤维具有优异的柔韧性，在长时间的应变过程中保持其原有结构，可承受大形变、大冲击。压电薄膜优秀的性能，使得压电骨料单元在监测车辆的车速及载重表现更为优异。第四、封装材料采用环氧树脂/水泥/固化剂的复合材料，具有很强的韧性和强度，封装后的压电骨料单元抗压强度高达49MPa，远高于混凝土材料40MPa，并且与混凝土材料具有高度的匹配性，在道路铺设过程中嵌入混凝土内部，可以做到完全不损伤结构本身，既保护压电薄膜又避免损伤混凝土路面。第五、压电骨料单元尺寸为1.6cm*1.6cm*0.6cm，极小的体积使得其对混凝土道路内部造成的损伤减小到最低。附图说明图1是本专利技术压电阵列监测车辆车速和载重装置的结构示意图；其中，1为公路；2为前置压电阵列；3为后置压电阵列；4为压电骨料单元；5为电阻；X为汽车行驶方向；图2是本专利技术的压电骨料单元结构示意图；其中，6为封装材料；7为柔性压电薄膜；图3是本专利技术压电骨料单元尺寸与抗压强度关系图；图4是本专利技术压电骨本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，两列压电阵列中设有数量相同的压电骨料单元，两列压电阵列中压电骨料单元之间均匀间隔布置且具有相同的间隔距离，包括前置压电阵列和后置压电阵列，其中，前置压电阵列中包括Q1、……、Qi、……、QN N个压电骨料单元；后置压电阵列中包括H1、……、Hj、……、HNN个压电骨料单元，其中，1≤i≤N、1≤j≤N，i、j、N均为正整数，序列号Qi的前置压电骨料单元与序列号为Hi的后置压电骨料单元之间连线与公路汽车行驶方向平行；所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统；处理系统根据时间参数获得车辆的行驶车速，具体是：若车辆通过前置压电阵列的时间点为T1，通过后置压电阵列的时间点为T2，并且判定车辆沿直线行驶；则车辆的行驶速度为v＝S/Δt，其中，S为两列压电骨料的间隔距离，Δt＝T1‑T2；处理系统根据车辆驶过压电阵列上方产生的电压大小，获得车辆的载重。

【技术特征摘要】
1.一种压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：在公路路面沿汽车行驶方向间隔埋置两列平行的压电阵列，两列压电阵列中设有数量相同的压电骨料单元，两列压电阵列中压电骨料单元之间均匀间隔布置且具有相同的间隔距离，包括前置压电阵列和后置压电阵列，其中，前置压电阵列中包括Q1、……、Qi、……、QNN个压电骨料单元；后置压电阵列中包括H1、……、Hj、……、HNN个压电骨料单元，其中，1≤i≤N、1≤j≤N，i、j、N均为正整数，序列号Qi的前置压电骨料单元与序列号为Hi的后置压电骨料单元之间连线与公路汽车行驶方向平行；所述压电阵列中所有的压电骨料单元分别与信号采集系统并联连接，信号采集系统通过数据线导入处理系统；处理系统根据时间参数获得车辆的行驶车速，具体是：若车辆通过前置压电阵列的时间点为T1，通过后置压电阵列的时间点为T2，并且判定车辆沿直线行驶；则车辆的行驶速度为v＝S/Δt，其中，S为两列压电骨料的间隔距离，Δt＝T1-T2；处理系统根据车辆驶过压电阵列上方产生的电压大小，获得车辆的载重。2.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：判断车辆是否沿直线行驶具体是：若车辆通过压电骨料单元Qi时间点为T1，通过压电骨料单元Hj时间点为T2，满足|i-j|<K，其中，K为小于等于3的正整数，则判定车辆沿直线行驶。3.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其特征在于：前置压电阵列和后置压电阵列之间的间隔距离S为2～3m。4.根据权利要求1所述的压电阵列监测车辆车速和载重的方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王增梅，徐云华，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32