阅读说明：本技术 自供能的高速公路交通和路基模量监测系统及监测方法 (Self-powered highway traffic and roadbed modulus monitoring system and monitoring method ) 是由 曹志刚 马力 蔡袁强 于 2019-10-14 设计创作，主要内容包括：本发明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。(The invention provides a self-powered monitoring system and a monitoring method for highway traffic and roadbed modulus. The invention buries the piezoelectric sensor and the weighing device in the highway subgrade along the highway, the accessory units are arranged beside the highway, the weighing device is adopted to monitor the weight of the automobile, the piezoelectric sensor is used to monitor the speed of the automobile, and finally the subgrade modulus is inversely calculated through the weight and the speed of the automobile and the voltage peak value of the piezoelectric sensor, thereby realizing the purpose of detecting the subgrade modulus of the highway. The piezoelectric sensor has the characteristic of force-electricity coupling, and can store collected vibration energy into an energy storage capacitor, and the energy storage capacitor can supply power to the weighing device and other components. The invention can monitor the weight, speed and roadbed modulus of the automobile by self-energy supply by utilizing the vibration generated by the automobile on the highway, provides safety early warning for the highway and promotes the construction of the internet of things of the highway.)

自供能的高速公路交通和路基模量监测系统及监测方法

技术领域

本发明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。

背景技术

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，发明专利CN207268904U和发明专利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，发明专利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，本发明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。

发明内容

本发明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。

本发明采用的技术方案是：

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，

R_L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，C_p为压电材料等效电容，ω为频率，D_p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：

本发明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v_m、超载值M_m说明该经过车辆超速、超载。

本发明的有有益效果是：

1.本发明将高速公路测速、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.本发明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.本发明采用自供能传感器，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.本发明结合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：

σ_ij＝λδ_ijθ+μ(u_i,j+u_j,i)-αδ_ijp_f

式中u_i(i＝x、y、z)分别为土骨架沿x、y、z方向的位移；w_i(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、ρ_f分别为土体和液相的密度；m＝ρ_f/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，u_i、w_i上方的点表示对时间t的导数；λ、μ为Láme常数。θ＝u_i,i为土体体应变；σ_ij为土体总应力；p_f为孔隙水压力；δ_ij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σ_z为竖向应力，q为汽车轴载，D_p为沥青路面抗弯刚度，m_b为沥青路面质量，E为路基模量，ω为频率，ξ和η为x、y变换到波数域的参数。

再代入压电传感器的压电方程：

D＝d₃₃σ_z(x,y,z,t)+ε₃₃E_z(x,y,z,t)

其中D为电位移，d₃₃为压电常数，ε₃₃为介电常数，Ez为电场强度。

最终求得压电传感器的输出电压为：

其中V为电压,Ψ为压电片参数，

R_L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，C_p为压电材料等效电容，ω为频率。

经积分可得最终输出电压为：

最后，从电压的最终表达式我们可看到输出电压和路基模量E，汽车重量q和汽车速度v有关，我们可以根据波形计算出汽车移动速度v，可以根据薄膜式土压力片测得汽车重量q，那么我们将压电传感器的电压峰值联立q和v便可反算路基模量E。

图4是正常路基与模量衰减路基输出电信号的波形图，若路基模量衰减，电压峰值增大，说明信号分析单元可以依据电压峰值判断路基模量的衰减情况。

图5是在不同汽车轴载下通过电压峰值来标定不同的路基剪切模量，若电压峰值改变，则代表相应的路基剪切模量开始改变，说明可以以此判断路基情况。

图6是在不同汽车速度下通过电压峰值来标定不同的路基剪切模量，若电压峰值改变，则代表相应的路基剪切模量开始改变，说明可以以此判断路基情况。进一步证明了该原理的可行性。

图1是本发明依照上述原理提供的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；

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，

R_L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，C_p为压电材料等效电容，ω为频率，D_p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。

上述自供能的高速公路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v_m、超载值M_m说明该经过车辆超速、超载。

作为优选方案，该监测系统还包括用于封装压电传感器的弹性橡胶封装外壳。可以保护压电传感器同时很好地接收土中传递的波。所述的压电传感器为堆叠式纳米氧化锌传感器。其结构如图2所示，纳米氧化锌制成的压电传感器具有灵敏度高，反应迅速的优势，五个堆叠式氧化纳米锌可以提高输出电信号，使得监测更加敏感，车辆称重装置为薄膜式土压力片，车辆测速装置可以通过两个固定距离为L的压电传感器根据公式

求得。

另外，对经过车辆的速度和重量的监测，可以在分析单元中设置高速公路超速值v_m和超载值M_m，并将测得的经过车辆的重量、速度经无线传输单元传输至计算机终端，可以实现同时监测经过车辆有无超速、有无超载和路基模量是否变化，该系统可与高速公路监控系统联网，一旦发现超速或超载，立即触发高速公路监控系统拍照，获得超速或超载车辆信息。其工作逻辑原理如图3所示。

其中，如图3所示，分析单元工作逻辑原理为：

(1)设定高速公路超速值v_m和超载值M_m，将车辆经过后车辆称重装置的汽车重量输至分析单元，判断汽车重量是否超过M_m；

(2)然后将压电传感器输出的电信号输至分析单元，分析单元分析得到车速并与v_m比较，判断汽车有无超速；

(3)最后将所测车重M、所测车速v和压电传感器输出的电压峰值V输入至分析单元，分析单元反算得到该处路基模量E，分析单元将E与本地记录的标准模量E_b比较，判断模量有无衰减；

该联合系统将高速公路测速、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。