一种用于智能路面的交通感知装置及其铺装方法 |
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| 申请号 | CN202110243549.3 | 申请日 | 2021-03-05 | 公开(公告)号 | CN113077636B | 公开(公告)日 | 2022-08-26 |
| 申请人 | 长安大学; | 发明人 | 刘状壮; 沙爱民; 郝亚真; 叶铜; 程伟; 张有为; | ||||
| 摘要 | 本 发明 属于智能交通道路技术领域，具体涉及一种用于智能路面的交通 感知 装置及其铺装方法。包括：多个沿智能路面的长度方向埋设的压电陶瓷 水 泥 混凝土 板，每个压电陶瓷 水泥 混凝土板包含上开口的中空长方体 外壳 和顶盖，顶盖的上表面设置有注浆孔；中空长方体外壳内等间距设置有多个由多根横 钢 筋和多根竖 钢筋 形成的 钢筋网 格，钢筋网格上阵列式设置多个压电陶瓷单元，相邻两个压电陶瓷单元之间的行距小于 车轮 作用在地面上的最前端和最后端之间的距离，相邻两个压电陶瓷单元之间的列距小于车 轮作 用在地面上的宽度；中空长方体外壳的内部填充有水泥混凝土浆料。本发明可以全面、精准、快速的感知交通环境和车辆的轴重、 轴距 、行驶速度、 轮距 和轮迹等。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于智能路面的交通感知装置，其特征在于，包括：多个沿智能路面的长度方向埋设的压电陶瓷水泥混凝土板，每个所述压电陶瓷水泥混凝土板的长度与智能路面的宽度相匹配； |
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| 说明书全文 | 一种用于智能路面的交通感知装置及其铺装方法技术领域[0001] 本发明属于智能交通道路技术领域，具体涉及一种用于智能路面的交通感知装置及其铺装方法。 背景技术[0002] 随着我国当前科学技术的不断进步与发展，智能化的服务已经渗透在生活的方方面面，成为未来发展的必然趋势。路面是交通运输系统的重要基础设施之一，因此智能路面技术的研究及应用，将成为实现交通基础设施智能化的重点。但是，目前对于智能路面尚没有一个统一明确的定义和架构。智能路面的定义需要能够整合当前所有可以推动道路创新的要素，因此，智能路面可以定义为由特定的结构材料、感知网络、信息中心、通信网络和能源系统组成，具有主动感知、自动辨析、自主适应、动态交互等多种智能能力，并且能够为人、车、环境提供服务的道路路面。 [0003] 目前的研究可以将智能路面的架构可以划分为四个层次，分别是信息感知获取层、信息集成处理层、综合服务层和能量供给层。其中信息感知获取层主要通过各种智能材料、传感器件、自动化检测设备和人工观测等方式对交通轴载、振动加速度，路面结构内部的温湿度变化、应力‑应变响应，路面二维图像和三维形貌以及地理和环境等多元化数据进行实时采集与获取，详细记录路面结构与材料全寿命周期下各种服役性能的演化信息，并通过有线或无线网络传输到下一层进行综合分析处理。 [0004] 压电陶瓷就是众多智能感知材料中的一种，具有出色的交通感知能力。压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的信息功能陶瓷材料，与石英晶体不同，压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，而石英是单晶体。压电陶瓷在未进行极化处理时，本身并不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。所以目前的研究，有的人将压电陶瓷常用作道路上的收集能量设备，也有的人将压电陶瓷用于智能道路感知，但是无论是哪一种，都需要将压电陶瓷放置于道路之中。然而压电陶瓷本身脆性较大，铺设到路面，在车辆对路面的不断的作用下，很容易与骨料接触，产生应力集中，将陶瓷片压碎。另一方面，直接防止在道路中的压电陶瓷，外界环境会极大的影响其工作性能，路面上下渗的雨水会腐蚀其表面，影响其压电效应。并且现有研究发现，温度的变化也会引起压电陶瓷的测量精度，所以需要更具实时温度来对压电陶瓷进行标定，从而提高其感知的精确度。 发明内容[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下两种技术方案予以实现： [0007] (一)一种用于智能路面的交通感知装置，包括：多个沿智能路面的长度方向埋设的压电陶瓷水泥混凝土板，每个所述压电陶瓷水泥混凝土板的长度与智能路面的宽度相匹配；每个所述压电陶瓷水泥混凝土板包含上开口的中空长方体外壳和设置在所述中空长方体外壳顶部的顶盖，所述顶盖与所述中空长方体外壳相匹配；每个所述中空长方体外壳内等间距设置有多根平行于所述中空长方体外壳的长度方向的横钢筋，所述中空长方体外壳内等间距设置有多根平行于所述中空长方体外壳的宽度方向的竖钢筋，多根所述竖钢筋和多根所述横钢筋形成多个钢筋网格，多个所述钢筋网格上阵列式设置有多个压电陶瓷单元，相邻两个所述压电陶瓷单元之间的行距小于车轮作用在地面上的最前端和最后端之间的距离，相邻两个所述压电陶瓷单元之间的列距小于车轮作用在地面上的宽度；所述顶盖的上表面设置有多个注浆孔，每个所述注浆孔与所述中空长方体外壳的内部相连通，所述中空长方体外壳的内部填充有水泥混凝土浆料。 [0008] 可选的，每个所述压电陶瓷单元包含方形底座和圆环形固定座，所述圆环形固定座设置在所述方形底座的上表面的中心处；所述圆环形固定座的内部从下至上依次设置有第一圆形橡胶垫片、圆形压电陶瓷片、第二圆形橡胶垫片和密封件；所述密封件包含第一圆形垫片和设置在所述第一圆形垫片中部的第二圆形垫片，所述第二圆形垫片的周侧上套设有环形约束圈，所述环形约束圈的内径与所述第二圆形垫片的直径相匹配，所述环形约束圈的内径与所述圆环形固定座的内径相匹配；所述第一圆形橡胶垫的直径、所述圆形压电陶瓷片的直径、所述第二圆形橡胶垫和所述第一圆形垫片的直径分别与所述圆环形固定座的内径相匹配；所述圆形压电陶瓷片的上表面和下表面分别设置有与所述圆形压电陶瓷片相匹配的金属片，每个所述金属片上设置有导线，所述圆环形固定座的外壁上设置有第一圆形通孔，每根所述导线的自由端穿过所述第一圆形通孔连接有示波器。 [0009] 可选的，所述方形底座的前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁上分别开设有钢筋卡槽，四个所述钢筋卡槽分别沿所述方形底座前侧壁的长度方向、后侧壁的长度方向、左侧壁的长度方向和右侧壁的长度方向分布。 [0010] 可选的，每个所述圆形压电陶瓷片上设置有第一编号，分别与设置在所述圆形压电陶瓷片的上表面和下表面的所述金属片相连接的导线上设置有第二编号，每个所述第二编号与每个所述第一编号对应。 [0011] 可选的，所述中空长方体外壳的底部设置有束线管，所述束线管沿所述中空长方体外壳的长度方向分布，所述束线管的一端贯穿所述中空长方体外壳的侧壁；所述束线管用于聚集每条与金属片连接的导线，穿出所述中空长方体外壳的侧壁的导线的一端连接有示波器。 [0012] 可选的，所述环形约束圈、所述第一圆形垫片和所述第二圆形垫片分别由光敏树脂材料制成。 [0013] 可选的，其中一个所述钢筋网格上还设置有温湿度传感器。 [0014] 可选的，所述注浆孔有五个，其中一个所述注浆孔设置在所述顶盖的上表面的中心处，其余四个所述注浆孔分别设置在所述顶盖的上表面的四个角上；每个所述注浆孔的孔径为0.1‑0.15m。 [0015] 可选的，所述顶盖的上表面还设置有多个注浆检测孔；每个所述注浆检测孔的孔径为0.05‑0.075m。 [0016] (二)一种用于智能路面的交通感知装置的铺装方法，包括以下步骤： [0018] 步骤2，在每个所述连续配筋基坑内放入所述中空长方体外壳，沿所述中空长方体外壳底部的长度方向放置束线管，所述束线管的一端穿过所述中空长方体的内侧壁，在所述中空长方体外壳中的所述网格中阵列式排布多个所述压电陶瓷单元，将与压电陶瓷单元连接的导线的自由端依次穿过束线管中并从所述中空长方体外壳的内侧壁穿出连接有示波器，并在所述网格中放置所述温湿度传感器，将顶盖盖在所述中空长方体外壳的顶部，通过所述注浆孔给所述中空长方体外壳内注入水泥混凝土浆料，通过注浆检测孔观察所述中空长方体外壳内的注浆情况； [0019] 步骤3，注浆完成后，取下顶盖制成压电陶瓷水凝混凝土板，将所述压电陶瓷水凝混凝土板固定在连续配筋的水泥混凝土基坑内，再对所述压电陶瓷水凝混凝土板与所述连续配筋基坑的接缝处使用沥青进行填充处理，最后对多个所述压电陶瓷水凝混凝土板拼装成的道路地面进行找平处理。 [0020] 本发明与现有技术相比，其有益效果在于： [0021] (1)本发明提供的用于智能路面的交通感知装置，其中，浇筑完成的带有温湿度传感器和阵列式排布的多个压电陶瓷单元的中空长方体外壳是一种能够感知路域温湿度，同时可以自感知车辆轮距、轮迹的全新的道路感知装置。将该交通感知装置与其他条带式传感器结合使用，可以全面、精准、快速的感知交通环境和车辆的基本信息，具体可以感知到车辆的轴重，轴距，行驶速度，轮距，轮迹等。利用温湿度传感器实时测量路面的温湿度，一方面可以对压电陶瓷单元进行温度补偿计算，更加精确的测量并计算车辆的轴重，另一方面，可以对行车周围的路域环境进行监测，从而保证行车安全。 [0022] (2)本发明提供的用于智能路面的交通感知装置的铺装方法，其结构简单，施工安装方便，浇筑完成的带有温湿度传感器和阵列式排布的多个压电陶瓷单元的中空长方体外壳，可以更加方便的直接铺设到路面结构当中，能够保障压电陶瓷元件的安装精度以及在道路中的使用寿命。 [0024] 图1为本发明提供的中空长方体外壳的内部结构示意图； [0025] 图2为本发明提供的设置有压电陶瓷单元和温湿度传感器的中空长方体外壳的结构示意图； [0026] 图3为本发明提供的顶盖的结构示意图； [0027] 图4为本发明提供的压电陶瓷水泥混凝土板的结构示意图； [0028] 图5为本发明提供的压电陶瓷单元封装前的结构示意图； [0029] 图6为本发明提供的封装好的压电陶瓷单元的结构示意图。 [0030] 其中，100、顶盖；101、注浆孔；102、注浆检测孔；200、中空长方体外壳；201、横钢筋；2011、横钢筋固定孔；202、竖钢筋；2021、竖钢筋固定孔； 203、压电陶瓷单元；2031、方形底座；20311、钢筋卡槽；2032、圆环形固定座；20321、第一圆形通孔；2033：第一圆形橡胶垫片；2034、圆形压电陶瓷片；20341、导线；2035、第二圆形橡胶垫片；2036、密封件；2037、环形约束圈；204、温湿度传感器；205、束线管；206、钢筋网格；207、第二圆形通孔。 具体实施方式[0031] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下列实施例中未注明具体条件的试验方法，通常按照常规条件，或者按照各制造商所建议的条件。 [0032] 本发明实施例的第一个目的是提供一种用于智能路面的交通感知装置，如图1至图6所示，包括：多个沿智能路面的长度方向埋设的压电陶瓷水泥混凝土板，每个所述压电陶瓷水泥混凝土板的长度与智能路面的宽度相匹配；每个压电陶瓷水泥混凝土板包含上开口的中空长方体外壳200和设置在中空长方体外壳200顶部的顶盖100，顶盖100与中空长方体外壳200相匹配； [0033] 其中，每个中空长方体外壳200内等间距设置有多根平行于中空长方体外壳200的长度方向的横钢筋201，具体的，在中空长方体外壳200左、右两内侧壁上等间距开设有多个横钢筋固定孔2011，在多个横钢筋固定孔2011内分别放置横钢筋201，横钢筋固定孔2011与横钢筋201相匹配； [0034] 另外，中空长方体外壳200内等间距设置有多根平行于中空长方体外壳 200的宽度方向的竖钢筋202，具体的，在中空长方体外壳200前、后两内侧壁上等间距开设有多个竖钢筋固定孔2021，在多个竖钢筋固定孔2021内分别放置竖钢筋202，竖钢筋固定孔2021与竖钢筋202相匹配。 [0035] 其中，多根竖钢筋202和多根横钢筋201形成多个钢筋网格206，多个钢筋网格206上阵列式设置有多个压电陶瓷单元203，其中，每一个压电陶瓷单元203的上表面与中空长方体外壳200的上表面保持齐平，确保行车的平整度，提高压电陶瓷单元203对车辆感知的精确度；而多根横钢筋201和多根竖钢筋 202形成的钢筋206网格，可以有效固定压电陶瓷单元203，确保在行车作用下，不随混凝土集料发生移动，偏移。 [0036] 在实际应用过程中，相邻两个压电陶瓷单元203之间的行距小于车轮作用在地面上的最前端和最后端之间的距离，相邻两个压电陶瓷单元203之间的列距小于车轮作用在地面上的宽度，这样可以确保车轮作用面上至少有一个压电陶瓷单元203处于受压状态，从而可以自感知车辆的轮距以及轮迹； [0037] 其中，每个压电陶瓷单元203包含方形底座2031和圆环形固定座2032，圆环形固定座2032设置在方形底座2031的上表面的中心处，圆环形固定座 2032的内部从下至上依次设置有第一圆形橡胶垫片2033、圆形压电陶瓷片 2034、第二圆形橡胶垫片2035和密封件2036，圆形压电陶瓷片2034的型号为 PZT‑52，密封件2036包含第一圆形垫片和设置在第一圆形垫片中部的第二圆形垫片，第二圆形垫片的周侧上套设有环形约束圈2037，环形约束圈2037的内径与第二圆形垫片的直径相匹配，环形约束圈2037的内径与圆环形固定座 2032的内径相匹配；第一圆形橡胶垫2033的直径、圆形压电陶瓷片2034的直径、第二圆形橡胶垫2035和第一圆形垫片的直径分别与圆环形固定座2032的内径相匹配，最后用聚氨酯改性的环氧树脂胶将方形底座2031、圆环形固定座 2032、第一圆形橡胶垫片2033、圆形压电陶瓷片2034、第二圆形橡胶垫片2035、密封件2036和环形约束圈2037之间的缝隙和第一圆形通孔20321进行密封，整个压电陶瓷单元203的整体结构呈现“上圆下方”的形式，“上圆”部分用来放置压电陶瓷片2034，暴漏在路面的“上圆”部分，在车辆荷载作用下，圆形的截面，没有突出的棱角，不容易受到应力集中，保证了路面有更加长久的寿命。但是圆柱结构在车辆荷载不断循环的垂直应力作用下，更容易产生下沉，一方面，“下方”部分的设计避免这种情况的产生，该压电陶瓷单元203采用“下方”设计，并且在方形底座2031的前侧面、后侧面、左侧面和右侧面开设有钢筋卡槽20311，保证结构在垂直方向有足够的承载力，不发生形变；另一方面，设置有钢筋卡槽20311，用来嵌挤在水泥混凝土板的钢筋网里，起到固定压电陶瓷单元203的作用。 [0038] 在实际应用过程中，环形约束圈2037与密封件2036的上表面保持平齐，一方面，可以保证路面的平整度；另一方面，可以防止雨水、污染物直接进入到压电陶瓷单元203的内部，影响其工作性能以及使用寿命。 [0039] 另外，环形约束圈2037、第一圆形垫片和第二圆形垫片分别由光敏树脂材料制成。 [0040] 其中，第一圆形橡胶垫片2033和第二圆形橡胶垫片2035的结构、材质、尺寸均相同，在实际应用中，第一橡圆形橡胶垫片2033和第二圆形橡胶垫片 2035的厚度分别为1‑2mm，第一圆形橡胶垫片2033和第二圆形橡胶垫片2035 的设置目的是为了削减传递到圆形压电陶瓷片2034上的应力，起到护圆形压电陶瓷片2035的作用。 [0041] 为了将车辆碾压的机械信号转变为电信号输出，圆形压电陶瓷片2035的上表面和下表面分别设置有与圆形压电陶瓷片2035相匹配的金属片，其中，两个金属片通过铜粉环酮胶粘接在圆形压电陶瓷片2035的上、下表面，一方面，可以保证极化的长久性；另一方面，方便在金属片上焊接导线20341，从而输出电信号。 [0042] 每个金属片上设置有导线20341，具体的，用无水乙醇清洗金属表面，保持其表面清洁与干燥，然后将导线20341用焊锡焊接在金属片上，焊接过程中尽量保持焊点小且轻薄，避免大的焊点突起，从而产生应力集中，将圆形压电陶瓷片压碎2034；另外，在焊点附近的第一圆形橡胶垫片2033和第二圆形橡胶垫片2035上可以开设一个与焊点大小相匹配的凹槽，将焊点放入凹槽内，这样可以保证第一圆形橡胶垫片2033的上表面和第二圆形橡胶垫片2035的下表面的平整度，确保第一圆形橡胶垫片2033和第二圆形橡胶垫片2035更好的发挥削减传递到圆形压电陶瓷片2034上的应力的作用，有效保护圆形压电陶瓷片2034。 [0043] 另外，环形固定座2032的外壁上设置有第一圆形通孔20321，第一圆形通孔20321的直径为可以根据导线20341实际直径进行设定，本发明在此不作具体限定，每根导线20341的自由端穿过第一圆形通孔20321连接有示波器。 [0044] 进一步的，方形底座2031的前侧壁、后侧壁、左侧壁和右侧壁上分别开设有钢筋卡槽20311，四个钢筋卡槽20311分别沿方形底座2031前侧壁的长度方向、后侧壁的长度方向、左侧壁的长度方向和右侧壁的长度方向分布，钢筋卡槽20311可以有效固定横钢筋201和竖钢筋202，从而使横钢筋201和竖钢筋202形成的钢筋网格206能够有效固定压电陶瓷单元203。 [0045] 为了及时确定车轮作用在压电陶瓷单元203上的位置，每个圆形压电陶瓷片2034上设置有第一编号，分别与设置在圆形压电陶瓷片2034的上表面和下表面的所述金属片相连接的导线20341上设置有第二编号，每个第二编号与每个所述第一编号对应，当车轮作用在制备成的压电陶瓷水泥混凝土板上时，轮胎垂直作用下的压电陶瓷单元203，释放的电压会较大，轮胎作用周围的压电陶瓷元件203释放的分电压会较小，根据示波器上的显示信息可以确定轮胎作用在阵列式排布的压电陶瓷单元203上的具体位置。 [0046] 进一步的，中空长方体外壳200的底部设置有束线管205，束线管205沿中空长方体外壳200的长度方向分布，束线管205的一端贯穿中空长方体外壳 200的侧壁，其中，束线管由PVC材质制成，束线管用于聚集每条与金属片连接的导线，起到归拢多条导线的作用，具体的，中空长方体外壳的侧壁上开设有第二圆形通孔207，穿出束线管205的一端的导线沿着第二圆形通孔207穿出中空长方体外壳200的侧壁连接有示波器。 [0047] 在本发明实施例中，其中一个钢筋网格206上还设置有温湿度传感器204，温湿度传感器204可以用于对路面的温湿度进行及时检测，便于车主掌握车辆行驶路面的温湿度情况，及时调整行车速度等。 [0048] 在本发明实施例中，顶盖100的上表面设置有多个注浆孔101，每个注浆孔101与中空长方体外壳200的内部相连通，中空长方体外壳100的内部填充有水泥混凝土浆料。 [0049] 在实际应用中，注浆孔有五个，其中一个注浆孔101设置在顶盖100的上表面的中心处，其余四个注浆孔101分别设置在顶盖100的上表面的四个角上，每个注浆孔101的孔径为0.1‑0.15m。 [0050] 进一步的，顶盖100的上表面还设置有多个注浆检测孔102，注浆检测孔 102有4个，分别设置在顶盖100的上表面的两条对角线的1/4、3/4处，每个注浆检测孔102的孔径为0.05‑0.075m，注浆检测孔102的设置便于检测中空长方体外壳100内的混凝土浆料是否注入饱满。 [0051] 本发明实施例的第二个目的是提供一种用于智能路面的交通感知装置的铺装方法，包括以下步骤： [0052] 步骤1，在选定修建智能路面的交通感知的车道上沿车道的长度方向连续挖设多个基坑，并对每个基坑内进行清扫，接着检测调整基坑平整度，使平整度低于0.05m，然后放设钢筋网，形成连续配筋基坑； [0053] 步骤2，在每个所述连续配筋基坑内放入所述中空长方体外壳200，在所述中空长方体外壳200中的所述钢筋网格206中阵列式排布多个所述压电陶瓷单元203，将与所述压电陶瓷单元203连接的导线20341的自由端依次穿过所述束线管205中并从所述中空长方体外壳200的内侧壁穿出连接有示波器，并在所述钢筋网格206中放置所述温湿度传感器205，将顶盖100盖在所述中空长方体外壳200的顶部，通过注浆孔101给所述中空长方体外壳200内注入水泥混凝土浆料，通过注浆检测102孔观察所述中空长方体外壳200内的注浆情况； [0054] 步骤3，注浆完成后，取下所述顶盖100制得压电陶瓷水凝混凝土板，将所述压电陶瓷水凝混凝土板固定在连续配筋的水泥混凝土基坑内，再对所述压电陶瓷水凝混凝土板与所述连续配筋基坑的接缝处使用沥青进行填充处理，最后对多个所述压电陶瓷水凝混凝土板拼装成的道路地面进行找平处理。 [0055] 综上所述，本发明提供的用于智能路面的交通感知装置，其中，浇筑完成的带有温湿度传感器204和阵列式排布的多个压电陶瓷单元203的中空长方体外壳200是一种能够感知路域温湿度，同时可以自感知车辆轮距、轮迹的全新的道路感知装置。将该交通感知装置与其他条带式传感器结合使用，可以全面、精准、快速的感知交通环境和车辆的基本信息，具体可以感知到车辆的轴重，轴距，行驶速度，轮距，轮迹等。利用温湿度传感器实时测量路面的温湿度，一方面可以对压电陶瓷单元进行温度补偿计算，更加精确的测量并计算车辆的轴重，另一方面，可以对行车周围的路域环境进行监测，从而保证行车安全；另外，本发明提供的用于智能路面的交通感知装置的铺装方法，其结构简单，施工安装方便，浇筑完成的带有温湿度传感器204和阵列式排布的多个压电陶瓷单元203的中空长方体外壳200，可以更加方便的直接铺设到路面结构当中，能够保障压电陶瓷单元203的安装精度以及在道路中的使用寿命。 |
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