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自供能的高速公路交通和路基模量监测系统及监测方法技术方案

技术编号:23188505 阅读:45 留言:0更新日期:2020-01-24 15:24
本发明专利技术提供一种自供能的高速公路交通和路基模量监测系统及监测方法,该系统包括压电传感器、称重装置、附属单元及计算机终端。本发明专利技术将压电传感器和称重装置沿高速公路埋设在高速公路路基中,附属单元布置在高速公路旁,采用称重装置监测汽车重量,压电传感器监测汽车速度,最后通过汽车重量、速度和压电传感器的电压峰值反算路基模量,实现检测高速公路路基模量的目的。压电传感器具有力电耦合特性,可以同时把收集到的振动能量存入储能电容,该储能电容可以为称重装置以及其他部件供电。本发明专利技术利用高速公路上汽车产生的振动,可以同时自供能监测汽车重量、速度和路基模量,为高速公路提供安全预警,推进高速公路物联网建设。

Self powered highway traffic and subgrade modulus monitoring system and monitoring method

【技术实现步骤摘要】
自供能的高速公路交通和路基模量监测系统及监测方法
本专利技术涉及高速公路交通和路基模量监测领域,特别地,涉及一种利用压电技术进行高速公路车速、车重和路基模量监测的自供能传感器。
技术介绍
在车辆循环荷载作用下,路基模量可能发生细小的衰减。路基模量是体现路基是否处于健康稳定状态的重要指标,因此对高速公路上路基模量进行实时监测具有重要意义。传统的路基模量检测方法需要破坏路基主体,无法做到对路基进行实时监测。其次,利用压电材料制作传感器由来已久,专利技术专利CN207268904U和专利技术专利CN107742424A都利用压电材料制作传感器来监测交通,但是压电传感器不仅可以用来监测交通流量,也可以用来监测周围环境指标,比如能反映路基状态的路基模量。同时,专利技术专利CN201710444838公开了一种高速公路路基监测器,通过将路基监测探头埋入高速公路路基中,监测路基内压力的变化,以此判断路基是否塌陷。但该装置需要电源设备,而且高速公路荷载较为复杂,有很多因素可以引起路基内压力的变化,因此通过监测路基内压力的变化来判断路基是否塌陷并不精确。因此,本专利技术将压电材料和薄膜式土压力片同时埋入高速公路下,基于压电材料的力电耦合特性,将汽车经过后在路基中产生的振动转换为电信号,通过薄膜式土压力片得到汽车重量,通过对压电信号分析可得到汽车速度,最后,联立压电信号的电压峰值和汽车速度、重量,可以反算路基的模量,达到实时监测路基模量的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决上述问题,提出了一种自供能的高速公路交通和路基模量监测系统及监测方法,该系统通过测量汽车速度和重量,然后联立压电单元的电压峰值反算路基模量,实现路基模量的实时监测。同时,汽车运行产生的振动可由压电传感器转化为电能,通过储能电容储存后为其他部件供电,实现了本系统的自供能监测。本专利技术采用的技术方案是:一种自供能的高速公路交通和路基模量监测系统,包括压电传感器、用于测量经过车辆重量的车辆称重装置、用于测量经过车辆速度的车辆测速装置、附属单元和计算机终端;所述压电传感器沿高速公路布置在路面层下方路基中,用于获取车辆经过时路基的振动并产生电信号;所述附属单元布置于高速公路一侧,具体包括储能单元、分析单元、GPS定位系统和无线传输单元。储能单元,用于存储富余电能并为附属单元内其他部件供能;采用储能电容包括超级电容组和双向DC/DC变换器以及相应的控制电路。储能电容可储存由压电传感器产生的电信号,并产生稳定的电压电流为其余部件供能;所述分析单元,实时获取车辆称重装置、车辆测速装置得到的经过车辆的速度和重量,并联立压电传感器的输出电压峰值反算获得实时路基模量E,其反算公式如下:上式中,V为压电传感器的输出电压峰值,q为车辆轴载,v是车辆速度,E为路基模量,Ψ为压电传感器内压电材料的参数,RL为外接电阻,d33为压电材料的压电常数,i为虚数单位,S为压电材料面积,Cp为压电材料等效电容,ω为频率,Dp为路面抗弯刚度,ξ和η为x和y经傅里叶变换后的参量。最后将获得的实时路基模量E、经过车辆的速度和重量通过无线传输单元传输至公路管理部门的计算机终端实现实时监测。所述GPS定位系统用于定位当前路基模量监测系统的位置。进一步地,还包括用于封装压电传感器的弹性橡胶封装外壳,弹性橡胶封装外壳与土接触良好。进一步地,所述的压电传感器为堆叠式纳米氧化锌压电传感器。进一步地,车辆称重装置为薄膜式土压力片。进一步地,车辆测速装置直接由两个沿公路方向布置的压电传感器构成,其原理是:如图7所示的距离为L的两个压电传感器在同一车辆经过时的波形图,峰值的时间间隔为(t2-t1)。可以看到两个波形峰值电压对应时间分别为t1和t2,相对应的时间为汽车到达两个相距L的压电传感器的时刻,因此汽车速度v可根据下式求得:本专利技术还提供了上述自供能的高速交通和路基模量监测系统的监测方法,包括如下步骤:(1)沿高速公路布置监测系统,其中压电传感器布置在路基中,深度约20cm,车辆称重装置、车辆测速装置依照测试原理布置在压电传感器附近;附属单元布置于高速公路旁。(2)车辆经过监测系统时,在路基中产生振动,压电传感器收集振动能量并输出电信号至分析单元,剩余能量存储至储能单元为其他部件供能。同时,车辆称重装置、车辆测速装置分别获得经过车辆的重量和速度并传输至分析单元;(3)分析单元通过获得的经过车辆的重量、速度、压电传感器电信号的电压峰值反算路基模量并将获得的实时路基模量E、经过车辆的速度和重量通过无线传输单元传输至计算机终端实现实时监测。(4)当监测的路基模量E衰减超过30%时,工作人员可前往GPS定位系统所定位的位置进行路基维护。当监测的设定车辆的速度、重量超过高速公路超速值vm、超载值Mm说明该经过车辆超速、超载。本专利技术的有有益效果是:1.本专利技术将高速公路测速、测重和监测路基模量集为一体,使得高速公路检测系统更加全面,更加便捷。2.本专利技术的监测系统能够长期稳定监测高速公路路基模量,无需钻孔破坏。本监测系统可以为高速公路路基监测提供预警,加速交通物联网建设。3.本专利技术采用自供能传感器,解决了电缆线长距离输送问题,也解决了排线复杂的问题。4.本专利技术结合GPS定位系统,可定位路基模量衰减区域并进行维护。附图说明:图1高速公路交通和路基模量监测系统结构示意图,其中,a为监测系统竖向剖面图b为监测系统俯视图;图2压电传感器结构示意图;图3分析单元逻辑原理示意图;图4不同路基模量下压电传感器信号输出;图5峰值电压标定路基模量曲线(不同轴载);图6峰值电压标定路基模量曲线(不同速度);图7距离为L的两个压电传感器的波形图;图中,1:沥青路面;2:薄膜式土压力片;3:压电传感器;4:路基;5:汽车;6:压电传感器和薄膜式土压力片(俯视);7:堆叠纳米氧化锌(5个);8:导线;9:高弹性橡胶封装外壳。具体实施方式为解释本监测系统的合理性,下面进行相应的理论验证:理论验证建立在Biot波动理论基础上:σij=λδijθ+μ(ui,j+uj,i)-αδijpf式中ui(i=x、y、z)分别为土骨架沿x、y、z方向的位移;wi(i=x、y、z)液相相对于土骨架沿x、y、z方向的位移;α、M为表示土颗粒和孔隙流体压缩性的饱和土体参数;ρ、ρf分别为土体和液相的密度;m=ρf/n为反映土体孔隙率的参数;n为土体的孔隙率;b为反映流固相对位移时内摩擦力的物理量,ui、wi上方的点表示对时间t的导数;λ、μ为Láme常数。θ=ui,i为土体体应变;σij为土体总应力;pf为孔隙水压力;δij为DiracDelta函数。上述公式联立移动的汽车重量q,可求出地基中应力为:式中σz为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自供能的高速公路交通和路基模量监测系统,其特征在于,包括压电传感器、用于测量经过车辆重量的车辆称重装置、用于测量经过车辆速度的车辆测速装置、附属单元和计算机终端;/n所述压电传感器沿高速公路布置在路面层下方路基中,用于获取车辆经过时路基的振动并产生电信号;/n所述附属单元布置于高速公路一侧,具体包括储能单元、分析单元、GPS定位系统和无线传输单元。/n储能单元,用于存储富余电能并为附属单元内其他部件供能;/n所述分析单元,实时获取车辆称重装置、车辆测速装置得到的经过车辆的速度和重量,并联立压电传感器的输出电压峰值反算获得实时路基模量E,其反算公式如下:/n

【技术特征摘要】
1.一种自供能的高速公路交通和路基模量监测系统,其特征在于,包括压电传感器、用于测量经过车辆重量的车辆称重装置、用于测量经过车辆速度的车辆测速装置、附属单元和计算机终端;
所述压电传感器沿高速公路布置在路面层下方路基中,用于获取车辆经过时路基的振动并产生电信号;
所述附属单元布置于高速公路一侧,具体包括储能单元、分析单元、GPS定位系统和无线传输单元。
储能单元,用于存储富余电能并为附属单元内其他部件供能;
所述分析单元,实时获取车辆称重装置、车辆测速装置得到的经过车辆的速度和重量,并联立压电传感器的输出电压峰值反算获得实时路基模量E,其反算公式如下:



上式中,V为压电传感器的输出电压峰值,q为车辆轴载,v是车辆速度,E为路基模量,Ψ为压电传感器内压电材料的参数,RL为外接电阻,d33为压电材料的压电常数,i为虚数单位,S为压电材料面积,Cp为压电材料等效电容,ω为频率,Dp为路面抗弯刚度,ξ和η为x和y经傅里叶变换后的参量。
最后将获得的实时路基模量E、经过车辆的速度和重量通过无线传输单元传输至公路管理部门的计算机终端实现实时监测。
所述GPS定位系统用于定位当前路基模量监测系统的位置。


2.根据权利要求1所述的监测系统,其特征在于,还包括用于封装压电传感器的弹性橡胶封装外壳。


3.根据权利要求1所述的监测系统,其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员:曹志刚马力蔡袁强
申请(专利权)人:浙江大学
类型:发明
国别省市:浙江;33

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