監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力的機敏材料傳感器、制作及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及道路監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及一種監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力的機敏材料傳感器 及其制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 瀝青類路面是我國主要的路面結(jié)構(gòu)形式。由于瀝青路面材料、結(jié)構(gòu)、施工工藝的 復(fù)雜性，瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析、現(xiàn)場監(jiān)測十分困難，路面設(shè)計和應(yīng)用者難以準(zhǔn)確掌握瀝 青路面的力學(xué)狀態(tài)，這對瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計與維修方案的確定十分不利，并導(dǎo)致大量的瀝 青路面早期損壞，由此發(fā)生嚴(yán)重的工程量浪費，對行車造成不利影響，并引發(fā)其他社會和環(huán) 境問題。在溫、濕和車輛荷載作用的復(fù)雜環(huán)境下，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)層的力學(xué)狀態(tài)十分復(fù)雜。 準(zhǔn)確掌握瀝青路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)狀態(tài)對于路面的科學(xué)設(shè)計，減少瀝青路面的早期損壞至關(guān)重 要。
[0003]目前，監(jiān)測路表彎沉是工程界評價路面結(jié)構(gòu)力學(xué)狀態(tài)的常用方法，由于分析方法、 材料參數(shù)等影響，采用這種方法難以得到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的實際力學(xué)狀態(tài)，無法為路面結(jié)構(gòu) 的設(shè)計、養(yǎng)護提供科學(xué)依據(jù)，瀝青結(jié)構(gòu)層內(nèi)部力學(xué)狀態(tài)的測試顯得十分必要。
[0004]目前，瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的監(jiān)測中，電阻式應(yīng)變片占主導(dǎo)地位，光纖光柵技術(shù) 也有應(yīng)用。但由于傳統(tǒng)監(jiān)測元件需要在瀝青混凝土中預(yù)埋并高溫碾壓，這種特殊的成型工 藝和惡劣的工作環(huán)境使得監(jiān)測元件成活率低、耐久性差。
[0005] 因此，亟需一種成本低廉、可靠、耐久性好的瀝青結(jié)構(gòu)層內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變測試技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了一種監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力的機敏材料 傳感器及其制作方法，該機敏材料傳感器，預(yù)埋或后植入瀝青結(jié)構(gòu)層中，使用本機敏材料傳 感器可以監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0008] -種監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力的機敏材料傳感器，包括由機敏材料制成的且能感知壓 應(yīng)力變化的傳感器元件，所述傳感器元件內(nèi)置兩個電極，內(nèi)置電極外部需連接外部線路供 測量使用，在內(nèi)置電極接線端涂抹有保護層，傳感器元件表面設(shè)有封裝層；
[0009] 所述傳感器元件采用恪融PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯英文名：polyethylene terephthalate，簡稱PET)、河砂摻加石墨導(dǎo)電相拌合而成，采用的配合比即質(zhì)量比為，石 墨：PET及河砂混合物=13% ;PET :河砂=1:3。
[0010] 進一步的，所述河砂的級配為：
[0011]
?
[0012] 進一步的，傳感器元件為柱體，可以為棱柱體或圓柱體。
[0013] 進一步的，柱體高的確定應(yīng)考慮需監(jiān)測結(jié)構(gòu)層的厚度，柱體高小于監(jiān)測結(jié)構(gòu)層厚 度；柱體底面任意兩點連線長度應(yīng)小于等于柱體的高。
[0014] 進一步的，所述內(nèi)置電極所在平面應(yīng)垂直受力方向，內(nèi)置電極所在平面應(yīng)平行于 柱體底面。
[0015] 進一步的，所述內(nèi)置電極應(yīng)盡量貼近柱體底面，但需預(yù)留一定的保護層厚度，即內(nèi) 置電極距離柱體底面的距離應(yīng)不小于lcm。
[0016] 進一步的，內(nèi)置電極可為網(wǎng)狀或線圈狀，也可獨立的形成一個平面。
[0017] 進一步的，內(nèi)置電極材料可采用不銹鋼、銅、鋁或合金。
[0018] 進一步的，外部線路可用橡膠軟管、塑料軟管進行套裝。
[0019] 進一步的，機敏材料傳感器的靈敏度可達(dá)1~3% /MPa，測試范圍即為輸出最大電 阻變化率與最小電阻變化率的差值可為2%~6%，傳感器的失效區(qū)間為> 20MPa，工作的 溫度范圍為-20~70°C。機敏材料傳感器實際操作中，需要考慮溫度補償，具體為：在同一 斷面埋置相同傳感器，使其位于路面邊緣不受力的位置，僅受周圍環(huán)境的影響，用于監(jiān)測環(huán) 境溫度的變化，得到溫度與電阻變化率之間的關(guān)系，在監(jiān)測應(yīng)力過程中，機敏材料傳感器所 得電阻變化率應(yīng)減去此處所得溫度引起的電阻變化率。進而消除溫度對傳感器監(jiān)測路面應(yīng) 力的影響。
[0020] 進一步的，一種監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力的機敏材料傳感器的制造方法，包括：
[0021] 機敏材料傳感器元件的制作：采用熔融PET、河砂摻加石墨導(dǎo)電相拌合而成，采用 的配合比即質(zhì)量比為，石墨：PET及河砂混合物=13% ;PET :河砂=1:3 ;
[0022] 傳感器元件采用內(nèi)置兩個電極，兩個電極所在平面平行于柱體底面；（兩個電極 所在平面平行于柱體底面，這么設(shè)置的目的在于將傳感器埋置時柱體底面平行于路面結(jié)構(gòu) 層，從而實現(xiàn)內(nèi)置的電極所在平面垂直受力方向。）
[0023] 傳感器元件內(nèi)置電極外部需連接外部線路供測量使用，還應(yīng)在接線端涂抹保護層 進行防護，對引出線路應(yīng)進行外裝防護；
[0024] 外部線路可用橡膠軟管、塑料軟管等進行套裝；
[0025] 傳感器元件表面需進行封裝，避免傳感器元件與外部環(huán)境直接接觸，起到隔離保 護的作用。
[0026] 一種監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力的機敏材料傳感器的使用方法，包括：
[0027] 在使用時，機敏材料傳感器埋置在車輛行駛軌跡線以下，路面結(jié)構(gòu)層以內(nèi)，同時還 需要滿足埋置在需監(jiān)測路面結(jié)構(gòu)層的頂部或內(nèi)部，且埋置時柱體底面應(yīng)平行于路面結(jié)構(gòu) 層；
[0028] 機敏材料傳感器在使用前應(yīng)進行標(biāo)定，得到其應(yīng)力一電阻變化率的關(guān)系圖；
[0029] 根據(jù)應(yīng)力一電阻變化率的關(guān)系圖，得此機敏材料傳感器應(yīng)力一電阻變化率關(guān)系表 達(dá)式，從而測知路面壓應(yīng)力。
[0030] 進一步的，計算應(yīng)力監(jiān)測元件所得電阻變化率時需要考慮溫度補償，具體操作方 法為在同一斷面埋置相同的傳感器，使其位于路面邊緣不受力的位置，僅受周圍環(huán)境的影 響，用于監(jiān)測環(huán)境溫度的變化，得到溫度與電阻變化率之間的關(guān)系，在監(jiān)測應(yīng)力過程中，應(yīng) 力監(jiān)測元件所得電阻變化率應(yīng)減去此處所得溫度引起的電阻變化率。進而消除溫度對傳感 器監(jiān)測路面應(yīng)力的影響。
[0031] 進一步的，得到其應(yīng)力一電阻變化率的關(guān)系圖的過程為：使用壓力機對機敏材料 傳感器預(yù)壓，采用荷載類型為〇. lkN/s，施加至最大應(yīng)力為2MPa，并在施壓過程中進行電阻 米集，計算電阻變化率。
[0032] 本發(fā)明為一種適于道路瀝青路面復(fù)雜環(huán)境條件的PET基復(fù)合機敏材料傳感器。本 專利提供了此傳感器壓應(yīng)力狀態(tài)下的外觀形態(tài)、封裝方式、線路搭接方式等，并給定傳感器 的失效區(qū)間、監(jiān)測區(qū)間、靈敏度及工作的溫度范圍。
[0033] 本發(fā)明的有益效果：
[0034] 1.本發(fā)明所述機敏材料元件具有優(yōu)良的機敏性能，能將受力情況轉(zhuǎn)換為電信號， 是傳感器的核心組成部分，能適用于壓應(yīng)力的檢測，可靠度高，精確度好。
[0035] 2.本發(fā)明所述傳感器能應(yīng)用于復(fù)雜的道路環(huán)境，并能獲得可靠的數(shù)據(jù)反饋。在預(yù) 埋時，能適應(yīng)瀝青路面高溫施工、碾壓的惡劣條件，成活率高。在日常使用中，能適應(yīng)不同的 瀝青路面溫濕度狀況。
[0036] 3.本發(fā)明所述傳感器各元件組成原料來源廣泛，價格低廉，成型工藝較為簡單，成 本低廉，能有效降低瀝青路面力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測成本，可以大量推廣，廣泛應(yīng)用。
[0037] 4.本發(fā)明所述傳感器耐久性良好，能承受車輛荷載的反復(fù)作用，長期應(yīng)用于瀝青 路面力學(xué)狀態(tài)監(jiān)測。
【附圖說明】
[0038] 圖1是傳感器元件在壓應(yīng)力狀態(tài)下的棱柱體形態(tài)；
[0039] 圖2是傳感器元件在壓應(yīng)力狀態(tài)下的圓柱體形態(tài)；
[0040] 圖3是傳感器元件在壓應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)力一電阻變化率曲線；
[0041] 其中，1為傳感器元件，2為內(nèi)置電極，3為外部線路。
【具體實施方式】：
[0042] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明：
[0043] 如圖1、2所示，一種監(jiān)測瀝青路面壓應(yīng)力的機敏材料傳感器，包括由機敏材料制 成的且能感知壓應(yīng)力變化的傳感器元件1，所述傳感器元件1內(nèi)置兩個電極，內(nèi)置電極2外 部需連接外部線路3供測量使用，在內(nèi)置電極2接線端涂抹有保護層，傳感器元件表面設(shè)有 圭寸裝層；
[0044] 壓應(yīng)力狀態(tài)下，即所述傳感器監(jiān)測瀝青路面結(jié)構(gòu)層層頂壓應(yīng)力，傳感器元件1的 形態(tài)為柱體，即棱柱體（三棱柱、四棱柱等）或圓柱體，埋置時柱體的底面應(yīng)平行于瀝青結(jié) 構(gòu)層。其具體尺寸應(yīng)根據(jù)瀝青結(jié)構(gòu)層中需監(jiān)測的瀝青面層的厚度而定，柱體高