一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统的制作方法

本实用新型涉及高速公路路基应力动态监测领域，特指一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统。

背景技术：

路基内动应力由道路上移动车辆产生，其大小和变化趋势可以反映道路安全状态，因此对高速公路内路基动应力进行实时监测可以反映出路基的安全状况。

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。但该装置不能同时监测多个方向的路基应力，且需要外部电源设备，其灵敏度也不够高。

因此，本发明人对此做进一步研究，研发出一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，本案由此产生。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，在实时监测路基动应力的同时，还能保证系统的自我供能。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：

一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，包括环形压电传感器、附属单元和计算机终端；环形压电传感器沿高速公路水平布置在路面层下方路基中，用于获取汽车经过时路基的振动并产生电信号；附属单元布置于高速公路一侧，附属单元包括数据分析单元、gps定位单元、无线传输单元和储能单元；其中数据分析单元将压电电压标定出应力，并对比分析阈值和应力，将超过阈值的信号传输至gps定位单元，gps定位单元用于定位当前路基内应力异常的位置，无线传输单元用于将路基应力异常数据及gps定位坐标传输至计算机终端；储能单元用于存储环形压电传感器产生的电能并为附属单元供能。

车辆经过时，产生的振动使水平方向的地基动应力使压电材料径向受压，在内环和外环产生电荷形成电压；竖直方向的地基动应力使压电材料沿轴向方向受压，在上下表面产生电荷形成电压；因此内外环的电压差可以计算水平动应力，上下表面电压差可以计算竖向动应力，且电压和应力的关系通过试验测得，最终可以精准的分析出异常路段并将其准确定位，且同时能实现自我供能。

进一步，环形压电传感器包括外层的环形橡胶封装、中部的环形压电材料层和内部的橡胶圆柱。

可以同时检测环形压电传感器在径向和轴向上的电压，从而使监测更为准确。

进一步，环形压电材料层为压电陶瓷。

进一步，若干环形压电传感器布置在路基中的深度为20-80cm。

环形压电传感器布置太深，传感器输出电压过低造成监测敏感性降低，若埋置过浅则传感器易受损坏。

采用上述方案后，本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

1.本实用新型可以同时监测高速公路路基中水平和竖向动应力，保证路基安全；

2.本实用新型可以长期实时监测路基动应力，无需钻孔破坏；

3.本实用新型采用自供能传感器，解决了其他传感器排线复杂的问题；

4.本实用新型结合了gps定位单元和无线传输单元，可以便捷快速地定位路基动应力异常区域并进行维护。

附图说明

图1是本实用新型的示意图；

图2是压电传感器示意图；

图3是环形压电传感器应力信号输出示意图；

图4数据分析单元逻辑原理示意图；

标号说明

环形压电传感器1，环形橡胶封装11，环形压电材料层12，橡胶圆柱13，数据分析单元2，gps定位单元3，无线传输单元4，储能单元5，计算机终端6。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图所示，一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，包括环形压电传感器1、附属单元和计算机终端6；环形压电传感器1沿高速公路水平布置在路面层下方路基中，用于获取汽车经过时路基的振动并产生电信号；附属单元布置于高速公路一侧，附属单元包括数据分析单元2、gps定位单元3、无线传输单元4和储能单元5；其中数据分析单元2将压电电压标定出应力，并对比分析阈值和应力，将超过阈值的信号传输至gps定位单元3，gps定位单元3用于定位当前路基内应力异常的位置，无线传输单元4用于将路基应力异常数据及gps定位坐标传输至计算机终端6；储能单元5用于存储环形压电传感器1产生的电能并为附属单元供能。

环形压电传感器1包括外层的环形橡胶封装11、中部的环形压电材料层12和内部的橡胶圆柱13，环形压电材料层12为压电陶瓷，环形压电传感器1在路基中的布置深度为50cm，车辆经过时，产生的振动使水平方向的地基动应力使压电材料径向受压，在内环和外环产生电荷形成电压；竖直方向的地基动应力使压电材料沿轴向方向受压，在上下表面产生电荷形成电压；因此内外环的电压差可以计算水平动应力，上下表面电压差可以计算竖向动应力，且电压和应力的关系通过试验测得，最终可以精准的分析出异常路段并将其准确定位，且同时能实现自我供能。

该系统工作步骤如下：

(1)沿高速公路布置监测系统，其中环形压电传感器1布置在路基中，深度为50cm，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，环形压电传感器1收集振动能量并输出电信号至数据分析单元2，剩余能量存储至储能单元5为其他部件供能。

(3)分析单元通过电信号的电压可以标定出此时的动应力并与所设阈值对比。

(4)当监测的路基动应力出现异常(即超过阈值)，即可通过无线传输单元4传输至计算机终端6实现实时监测。

数据分析单元2工作逻辑原-理如图所示：

(1)内外环电压差和上下面电压差传入数据分析单元2，数据分析单元2通过室内试验获得的电压-应力标定曲线将电压转换为应力。

(2)应力与所设置的应力阈值对比；

(3)若应力在阈值以外，则出发gps定位单元3对路基异常区域定位并通过无线传输单元4传输至计算机终端6；若应力在阈值以内，则不触发传输。

图3是不同的路基竖向动应力时程曲线，若路基出现破坏，其应力的传递会受影响，从而在车辆经过时，无法从曲线中看出瞬间应力的拨动。

上述仅为本实用新型的具体实施例，同时凡本实用新型中所涉及的如“上、下、左、右、中间”等词，仅作参考用，并非绝对限定，凡利用本实用新型进行非实质性的改动，均应属于侵犯本实用新型保护范围的行为。

技术特征：

1.一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，其特征在于：包括环形压电传感器、附属单元和计算机终端；环形压电传感器沿高速公路水平布置在路面层下方路基中，用于获取汽车经过时路基的振动并产生电信号；附属单元布置于高速公路一侧，附属单元包括数据分析单元、gps定位单元、无线传输单元和储能单元；其中数据分析单元将压电电压标定出应力，并对比分析阈值和应力，将超过阈值的信号传输至gps定位单元，gps定位单元用于定位当前路基内应力异常的位置，无线传输单元用于将路基应力异常数据及gps定位坐标传输至计算机终端；储能单元用于存储环形压电传感器产生的电能并为附属单元供能。

2.根据权利要求1所述的一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，其特征在于：环形压电传感器包括外层的环形橡胶封装、中部的环形压电材料层和内部的橡胶圆柱。

3.根据权利要求2所述的一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，其特征在于：环形压电材料层为压电陶瓷。

4.根据权利要求1所述的一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，其特征在于：若干环形压电传感器布置在路基中的深度为20-80cm。

技术总结
本实用新型涉及高速公路路基应力动态监测领域，特指一种自供能的高速公路路基应力动态监测系统，包括环形压电传感器、附属单元和计算机终端；环形压电传感器沿高速公路水平布置在路面层下方路基中，用于获取汽车经过时路基的振动并产生电信号；附属单元布置于高速公路一侧，附属单元包括数据分析单元、GPS定位单元、无线传输单元和储能单元；其中数据分析单元将压电电压标定出应力，并对比分析阈值和应力，将超过阈值的信号传输至GPS定位单元，GPS定位单元用于定位当前路基内应力异常的位置，无线传输单元用于将路基应力异常数据及GPS定位坐标传输至计算机终端；储能单元用于供能。在实时监测路基动应力的同时，还能保证系统的自我供能。

技术研发人员：李富有;方信贤;单明军;张军平;曹志刚;马力
受保护的技术使用者：浙江华恒交通建设监理有限公司
技术研发日：2020.08.21
技术公布日：2021.08.17