一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器

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1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器。

背景技术：

2.在交通荷载反复作用下，沥青路面逐渐出现疲劳损伤、反射裂缝、车辙等多种病害形式，归根结底是路面结构应力应变累积造成材料性能衰退，因此获取沥青路面服役过程中实际行车荷载作用下结构层应力应变响应，能够指导路面结构设计、解释路面力学破坏机理、制定路面养护决策，是建立长寿命路面结构设计体系重要组成部分，埋入式应变传感器已经成为路面结构健康监测的主要观测手段。
3.而现阶段沥青路面采用的埋入式应变传感器，为了防止施工阶段压路机钢轮振动碾压及服役阶段重载交通作用导致传感器内部敏感元件破坏，通常采用模量较大的钢材作为传感器封装外壳，使得传感器在路面结构中存在加筋作用，约束了传感器周围沥青混合料变形，测量输出结果与实际路面结构状态不一致，影响对路面结构真实状态认识。
4.同时由于传感器约束作用，在传感器与周围路面材料的界面处产生应力集中现象，在反复行车荷载作用下，容易造成传感器与周围路面材料分离。
5.在公开号为cn101592474a的中国发明专利中，提出了一种沥青路面材料与光纤光栅传感器协同变形的评价方法，该方法基于小变形纯弹性梁的假设，根据理论计算应变修正应变传感器的输出结果，但是要求埋入式应变传感器必须要先植入四点弯曲梁进行二次标定，才能进行实际路面结构监测应用，其操作流程繁琐复杂，难以推广。
6.因此亟待出现一种能够对路面结构状态认知真实的，计算流程简单且易于推广的应变传感器。

技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其为了解决现有的沥青路面用应变传感器不能与路面材料协调变形导致测量结果与路面实际状态存在差异，进而提出一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，确保传感器的输出真实反映路面结构的实际状态，达到准确测量路面应变的目的。
8.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
9.一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，包括：
10.弹性敏感元件，设于应变传感器内，整体为扁平长方体片状结构，用于感受沥青路面形状变化并与其同步发生形变；
11.电阻应变片，贴合固定在弹性敏感元件中间位置，用于收集并传递弹性敏感元件产生的形变数据；
12.端部法兰，呈长方体结构，于弹性敏感元件的两端对称设有两个；
13.封装外壳，呈扁平长方体形状，于弹性敏感元件的扁平两侧面对称设有两个，用于
配合端部法兰完成弹性敏感元件及电阻应变片的固定封装；
14.柔性层，嵌套于封装外壳表面，用于保护应变传感器内部。
15.进一步设置：封装外壳贴合弹性敏感元件的一侧面开设有沿弹性敏感元件长度方向延伸的矩形凹槽，两个封装外壳上的矩形凹槽相互配合以容纳弹性敏感元件。
16.进一步设置：封装外壳上开设有位于矩形凹槽两侧并与矩形凹槽平行的横向半圆凹槽，横向半圆凹槽关于弹性敏感元件的中线对称设有两组；端部法兰对应横向半圆凹槽位置设有凸圆柱体，凸圆柱体的形状和数量均与横向半圆凹槽相互适配，以完成二者的嵌合连接。
17.进一步设置：封装外壳侧面形成有垂直于敏感元件长度方向设置的纵向半圆凹槽，电阻应变片上连接有导线，导线经过纵向半圆凹槽引出并延伸至外界。
18.进一步设置：封装外壳的高度hf≤10mm，封装外壳的宽度wf按照弹性敏感元件在长度方向与应变传感器占据的路面材料具有相同抗拉刚度为原则进行计算，具体计算公式为：
[0019][0020]
其中，wb为弹性敏感元件的宽度，hb为弹性敏感元件的厚度，hf为封装外壳的高度，tb为柔性层厚度，ea为路面材料的弹性模量，eb为弹性敏感元件的弹性模量
[0021]
进一步设置：封装外壳上设有若干个贯穿封装外壳的螺孔，两个封装外壳上的螺孔位于对应位置，并通过螺栓相互连接。
[0022]
作为优选，柔性层由顺丁橡胶材料制成。
[0023]
综上所述，本发明具有以下有益效果：
[0024]
1、本发明封装外壳与端部法兰采用组装式连接方式，使封装外壳与端部法兰在测量方向可以自由滑动，在垂直测量方向相互约束，且封装外壳采用柔性层包裹，消除了封装外壳的加筋作用，封装外壳的尺寸按照弹性敏感元件与应变传感器占据的路面材料具有相同抗拉刚度原则进行确定，保证了弹性敏感元件与路面材料变形一致，弥补了传统应变传感器与路面材料难以协调变形的局限性，测量结果能够直接真实反映路面结构实际状态，不需要对传感器进行二次标定；
[0025]
2、本发明设计的应变传感器采用扁平形状，降低了传感器垂直方向的高度，减小路面不同层位应变响应对传感器测量输出结果的影响，进一步保证传感器测量输出与实际路面层位结构状态一致性；
[0026]
3、本发明设计的传感器能够与路面材料协调变形，设计的传感器与路面材料界面处应力集中相较于传统传感器更小，长期路面结构动力响应监测过程中与路面材料粘结失效寿命更长。
附图说明
[0027]
下面结合附图对本发明进一步说明。
[0028]
图1是本发明的三维结构总体示意图；
[0029]
图2是本发明中每个元件的三维示意图；
[0030]
图3是本发明中实施例1、2和对比例1、2四点弯曲加载试验示意图。
[0031]
图中，1、弹性敏感元件；2、电阻应变片；3、端部法兰；4、封装外壳；5、柔性层；6、凸圆柱体；7、矩形凹槽；8、横向半圆凹槽；9、纵向半圆凹槽；10、螺孔；11、螺栓；12、导线；13、弯曲实验传感器；14、弯曲实验应变片；15、弯曲实验压头；16、弯曲实验沥青混合料试件；17、支座。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
[0033]
本发明所采用的技术方案是：
[0034]
一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，具体包括：弹性敏感元件1、电阻应变片2、端部法兰3、封装外壳4和柔性层5。
[0035]
在进行与沥青路面材料协同变形的应变传感器设计时，需要考虑的要点包括：
[0036]
a.沥青路面材料是一种复合材料，内部应变场分布不均匀，应变传感器测量的是路面材料的平均应变，要求应变传感器采用两个端部法兰3随路面材料变形产生位移，因此设置两个端部法兰3通过弹性敏感元件1连接，弹性敏感元件1上贴电阻应变片2，弹性敏感元件1的应变量即为应变传感器测量输出结果；
[0037]
b.弹性敏感元件1与电阻应变片2直接暴露在路面材料中容易被破坏，需封装外壳4保护，因此设置封装外壳4；
[0038]
c.封装外壳4的模量远高于路面材料，约束周围路面材料的变形，从而束缚两个端部法兰3移动，会导致弹性敏感元件1的变形小于实际路面材料的变形，因此采用柔性材料包裹在封装外壳4表面，消去封装外壳4对周围路面材料的加筋作用；
[0039]
d.端部法兰3由弹性敏感元件1连接，在消除封装外壳4对周围路面材料及端部法兰 3的加筋作用之后，为了保证弹性敏感元件1的变形与实际路面材料一致，弹性敏感元件 1在测量方向的抗拉刚度与应变传感器所占据空间的路面材料的抗拉刚度一致；
[0040]
e.路面不同深度的应变响应存在差异，应变传感器垂直高度应尽可能小，以降低路面结构不同深度的应变响应对传感器测量结果的影响。
[0041]
如图1-2所示，本发明中，弹性敏感元件1设于应变传感器内，整体为扁平长方体片状结构，用于感受沥青路面形状变化并与其同步发生形变；
[0042]
电阻应变片2贴合固定在弹性敏感元件1中间位置，用于收集并传递弹性敏感元件1 产生的形变数据；
[0043]
端部法兰3呈长方体结构，于弹性敏感元件1的两端对称设有两个；
[0044]
封装外壳4呈扁平长方体形状，于弹性敏感元件1的扁平两侧面对称设有两个，用于配合端部法兰3完成弹性敏感元件1及电阻应变片2的固定封装；封装外壳4贴合弹性敏感元件1的一侧面开设有沿弹性敏感元件1长度方向延伸的矩形凹槽7，两个封装外壳4上的矩形凹槽7相互配合以容纳弹性敏感元件1。
[0045]
封装外壳4上开设有位于矩形凹槽7两侧并与矩形凹槽7平行的横向半圆凹槽8，横向半圆凹槽8关于弹性敏感元件1的中线对称设有两组；端部法兰3对应横向半圆凹槽8 位置设有凸圆柱体6，凸圆柱体6的形状和数量均与横向半圆凹槽8相互适配，以完成二者的嵌合连接。
[0046]
封装外壳4侧面形成有垂直于敏感元件长度方向设置的纵向半圆凹槽9，电阻应变
片 2上连接有导线12，导线12经过纵向半圆凹槽9引出并延伸至外界。封装外壳4上还设有若干个贯穿封装外壳4的螺孔10，两个封装外壳4上的螺孔10位于对应位置，并通过螺栓11相互连接。
[0047]
上、下两个封装外壳4安装时，弹性敏感元件1和电阻应变片2置于封装外壳4的矩形凹槽7内，电阻应变片2的导线12从封装外壳4侧面中心垂直测量方向的半圆凹槽引出，端部法兰3的凸圆柱体6嵌入于封装外壳4的端部半圆凹槽内，以使封装外壳4与端部法兰3在测量方向可以自由滑动，在垂直测量方向相互约束；
[0048]
柔性层5则嵌套于封装外壳4表面，用于保护应变传感器内部，柔性层5由顺丁橡胶材料制成，以消除封装外壳4对路面材料的加筋作用。
[0049]
封装外壳4的高度hf不应超过10mm，以降低路面结构不同深度的应变响应对传感器测量结果的影响；封装外壳4的宽度wf按照弹性敏感元件1在测量方向与应变传感器占据的路面材料具有相同抗拉刚度为原则进行计算，计算封装外壳4的宽度。具体计算公式为：
[0050]ab
eb＝aseaꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0051]
其中，ab为弹性敏感元件中间扁平长方体片垂直测量方向的横截面积，eb为弹性敏感元件的弹性模量，as为应变传感器垂直测量方向占据的路面材料的横截面面接，ea为路面材料的弹性模量。
[0052]
将公式(1)进一步展开得到：
[0053]
wb×
hb×
eb＝(wf+2
×
tb)
×
(2
×
(hf+tb))
×
eaꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0054]
其中，wb为弹性敏感元件中间扁平长方体片宽度，hb为弹性敏感元件中间扁平长方体片厚度，hf为封装外壳的高度，tb为柔性层厚度。
[0055]
将公式(2)进一步变换，得到封装外壳的宽度wf具体公式为：
[0056][0057]
其中，wb为弹性敏感元件的宽度，hb为弹性敏感元件的厚度，hf为封装外壳的高度，tb为柔性层厚度，ea为路面材料的弹性模量，eb为弹性敏感元件的弹性模量。
[0058]
在本发明中，设置了两组实施例和两组对比例，以比较本发明与其他实施方式测量的不同之处。
[0059]
实施例1
[0060]
该实施例中，弹性敏感元件材料为铝合金，弹性模量eb为72gpa，弹性敏感元件扁平长方体片厚度hb为1mm，宽度wb为5mm，长度为80mm。电阻应变片贴于弹性敏感元件中间的扁平长方体片中间位置。
[0061]
端部法兰采用长方体形状，材料为不锈钢，沿测量方向厚度为7mm，高度为11mm，宽度等于wf+2xtb，左右分别设置两个凸圆柱体，凸圆柱体直径为3mm，长度为5mm。封装外壳包含上、下两个，均为扁平长方体形状，材料为不锈钢，高度hf为4.5mm，长度为80mm。
[0062]
封装外壳沿测量方向中间位置设置凹槽，用于放置弹性敏感元件和电阻应变片，凹槽宽度为7mm，深度为2.5mm，侧面中心设有半圆形孔，引出电阻应变片导线，两端设置半圆柱体凹槽，半圆柱体凹槽直径为3.5mm，深度为5.5mm，通过螺丝连接两个封装外壳的螺孔，在两个封装外壳连接时，端部法兰的凸圆柱体能嵌入，封装外壳与端部法兰在测量方向可以自由滑动，在垂直测量方向相互约束。
[0063]
柔性层嵌套在封装外壳表面，以消除封装外壳的加筋作用，材料为顺丁橡胶，弹性模量为0.0061gpa，具有良好耐磨性能，厚度tb为1mm。常温20℃下，测得ac25级配沥青混合料的弹性模量ea为2.1gpa，按照弹性敏感元件中间扁平长方体片抗拉刚度与应变传感器封装外壳占据的路面材料相等为原则，计算封装外壳的宽度wf为13.58mm，端部法兰宽度为15.58mm。
[0064]
实施例2
[0065]
在本实施例中，与实施例1的不同之处在于，弹性敏感元件材料选择弹性模量大小 103.2gpa的铸铝青铜，因此除弹性敏感元件材料、封装外壳的宽度、端部法兰宽度与实施例1不同之外，其他传感器各个元件材料和尺寸均与实施例1一致。实施例2中封装外壳宽度通过计算为20.34mm，端部法兰宽度为22.34mm。
[0066]
对比例1
[0067]
该对比例中，与实施例1的不同之处在于，封装外壳的宽度wf为18mm，端部法兰宽度为20mm，传感器其余各个元件的尺寸和材料均匀实施例1相同。
[0068]
对比例2
[0069]
该对比例中，与实施例1的不同之处在于，不具备柔性层。传感器其余各个元件的尺寸和材料均匀实施例1相同。
[0070]
设置实施例1、实施例2及对比例1、对比例2后，对上述实施例和对比例的实际使用效果进行测试。
[0071]
如图3所示，分别制备实施例1、2和对比例1、2要求的应变传感器，采用ac25 沥青混合料制备四个长、宽、高分别为40cm，10cm，10cm的长方体小梁，在小梁成型过程中，在四个小梁跨中距离梁底面2cm位置分别植入上述四种弯曲实验传感器13，制得弯曲实验沥青混合料试件16。
[0072]
将所有小梁在恒温箱中保温24小时，控制温度为20℃，在小梁侧面与传感器距离梁底相同位置处外贴弯曲实验应变片14，进行四点弯曲加载试验，在四点弯曲试验中，小梁底面有两个支座支撑，底部支座距离为30cm，梁顶面有两个弯曲实验压头15，顶面两个压头的距离为10cm，采用逐级加载方式对顶面两个压头进行加载。所得的传感器输出结果和应变片输出结果如表1所示。
[0073]
表1实施例1、2及对比例1、2中传感器输出结果及对应应变片输出结果表
[0074][0075]
对比表1结果可知，实施例1、2为按照本发明制备的应变传感器，最大相对测量误
差分别为3.1％和3.7％，输出结果与对应的应变片输出结果基本一致，说明按照本发明制备的传感器能够真实反映路面材料实际变形情况。
[0076]
对比例1中传感器相较于实施例1中的传感器，增加了封装结构宽度，应变片抗拉刚度低于传感器所占沥青混合料的抗拉刚度，对比例1中的传感器测量值高于应变片输出结果，并且随着荷载增加两者差异逐渐增大。
[0077]
对比例2中传感器相较于实施例1中传感器，去掉了柔性层，导致了传感器输出小于应变片的输出值，并且随着荷载增加两者差异逐渐增大，对比例1、2最大相对测量误差分别为19.1％和28.1％。
[0078]
可以看出其测量误差较大，说明应变传感器的抗拉刚度能否与实际混合料刚度相等，以及封装外壳的加筋作用能否被消除是准确测量沥青混合料应变的关键。
[0079]
以上是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于发明技术方案的范围内。

技术特征：

1.一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其特征在于，包括：弹性敏感元件(1)，设于应变传感器内，整体为扁平长方体片状结构，用于感受沥青路面形状变化并与其同步发生形变；电阻应变片(2)，贴合固定在所述弹性敏感元件(1)中间位置，用于收集并传递所述弹性敏感元件(1)产生的形变数据；端部法兰(3)，呈长方体结构，于所述弹性敏感元件(1)的两端对称设有两个；封装外壳(4)，呈扁平长方体形状，于所述弹性敏感元件(1)的扁平两侧面对称设有两个，用于配合所述端部法兰(3)完成所述弹性敏感元件(1)及所述电阻应变片(2)的固定封装；柔性层(5)，嵌套于封装外壳(4)表面，用于保护应变传感器内部。2.根据权利要求1所述的一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其特征在于所述封装外壳(4)贴合所述弹性敏感元件(1)的一侧面开设有沿所述弹性敏感元件(1)长度方向延伸的矩形凹槽(7)，两个所述封装外壳(4)上的矩形凹槽(7)相互配合以容纳所述弹性敏感元件(1)。3.根据权利要求2所述的一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其特征在于：所述封装外壳(4)上开设有位于所述矩形凹槽(7)两侧并与所述矩形凹槽(7)平行的横向半圆凹槽(8)，横向半圆凹槽(8)关于所述弹性敏感元件(1)的中线对称设有两组；所述端部法兰(3)对应所述横向半圆凹槽(8)位置设有凸圆柱体(6)，凸圆柱体(6)的形状和数量均与所述横向半圆凹槽(8)相互适配，以完成二者的嵌合连接。4.根据权利要求3所述的一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其特征在于：所述封装外壳(4)侧面形成有垂直于所述敏感元件长度方向设置的纵向半圆凹槽(9)，所述电阻应变片(2)上连接有导线(12)，导线(12)经过纵向半圆凹槽(9)引出并延伸至外界。5.根据权利要求1所述的一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其特征在于：所述封装外壳的高度h
f
≤10mm，封装外壳的宽度w
f
按照所述弹性敏感元件在长度方向与应变传感器占据的路面材料具有相同抗拉刚度为原则进行计算，具体计算公式为：其中，w
b
为所述弹性敏感元件的宽度，h
b
为所述弹性敏感元件的厚度，h
f
为所述封装外壳的高度，t
b
为所述柔性层厚度，e
a
为路面材料的弹性模量，e
b
为所述弹性敏感元件的弹性模量。6.根据权利要求1所述的一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其特征在于：所述封装外壳(4)上设有若干个贯穿所述封装外壳(4)的螺孔(10)，两个所述封装外壳(4)上的螺孔(10)位于对应位置，并通过螺栓(11)相互连接。7.根据权利要求1所述的一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，其特征在于：所述柔性层(5)由顺丁橡胶材料制成。

技术总结

本发明公开了一种与沥青路面材料协同变形的应变传感器，涉及传感器技术领域，其技术方案要点是包括弹性敏感元件、电阻应变片、端部法兰、封装外壳、柔性层。封装外壳采用柔性层包裹，封装外壳与端部法兰采用组装式连接方式，封装外壳与端部法兰在测量方向可以自由滑动，在垂直测量方向相互约束，消除了封装外壳的加筋作用，封装外壳的尺寸按照弹性敏感元件与应变传感器占据的路面材料具有相同抗拉刚度原则进行确定，保证了弹性敏感元件与路面材料变形一致，弥补了传统应变传感器与路面材料难以协调变形的局限性，测量结果能够直接真实反映路面结构实际状态，不需要对传感器进行二次标定。次标定。次标定。