基于水泥基压电传感器的车辆监测研究*

杨晓明，李宗津

(1．辽宁工程技术大学建筑工程学院，辽宁阜新123000;2．香港科技大学土木及环境工程学系，香港九龙清水湾)

在公路管理系统中，对车辆的监测是非常重要的。准确的车辆数据(包括车流量、车速及车重)能够为制定合理的公路管理养护策略提供有效地支持，特别是对超载车辆的实时监测能够有效的防止桥梁由于超重而发生破坏。目前常用的车辆监测方法主要有地感线圈[1－2]、磁力传感器[3－4]、雷达技术[5]、视频技术[6]、动态称重系统[7－9]等等。但这些方法都存在耐久性差及价格昂贵等缺点而无法大规模使用。

最近一种用于测量动态荷载的新型水泥基压电传感器得以开发出来[10－11]，这种传感器具有耐久性好、成本较低且配套设施较少等优点。利用这种传感器的动态荷载测试能力，可以考虑将其埋在路面以下，通过测试由于车轮荷载引起传感器的脉冲响应来分析车流量、车速及车重。基于这一思路，本文对水泥基压电传感器在车辆监测中的应用展开研究。

1 水泥基压电传感器

1．1 制作

新型水泥基压电传感器的传感单元为由压电陶瓷粉与水泥粉混合而成0－3型水泥基压电复合材料。该压电复合材料经压缩、极化制成直径15 mm厚度1．5 mm的圆片，并将其用水泥粉与树脂的混合物封装起来，形成一个长宽高均为40 mm的立方体，即水泥基压电传感器，如图1所示。

图1 水泥基压电传感器

1．2 基本性能

将水泥基压电传感器埋入公路之前，需对其基本性能进行测试，尤其是在车辆引起的冲击荷载下的性能。为此，设计了两种加载模式，一种称之为幅值扫描加载，如图2(a)前半部分所示;另一种称之为速度扫描加载，如图2(a)后半部分所示。在幅值扫描加载中，保持加载时间不变而幅值逐一增大。在速度扫描加载中，保持荷载幅值不变，加载时间改变，以此模拟车辆经过传感器时的不同速度。在每种加载模式里，每次加载均包含加载、持荷、卸载三部分，如图2(a)中的小图所示，以此来模拟车轮压上传感器，经过并离开的过程。

图2 加载模式及对应的传感器响应

对应两种加载模式，水泥基压电传感器的响应如图2(b)所示。对于每次加载，传感器的响应如图2(b)中的小图所示。本文中定义传感器响应中第1次峰值与平衡位置之间的差值作为传感器响应的幅值。根据此定义可以得出在两种加载模式下传感器响应的幅值与输入荷载幅值及输入荷载加载时间之间的关系，分别如图3和图4所示。从图3中可以看出，传感器的输出幅值与输入荷载的幅值存在明显的线性关系。从图4中可以看出，随着加载时间的缩短，传感器的响应有变大的趋势，这表明随着车辆通过速度的增加，传感器的响应会逐渐变大，二者之间的关系可以通过曲线拟合获得，如图4中所示公式。

图3 幅值扫描加载下传感器响应

图4 传感器输出电压幅值与冲击荷载持荷时间之间关系

2 试验验证

2．1 试验准备

该水泥基压电传感器尺寸较小，如果直接将其埋入公路路面之下，难以保证车辆经过时能充分感受到车轮荷载。为此将该传感器应用到车辆监测之前需要加以处理。本研究中采用的方法是将两个传感器埋入一段混凝土简支梁中，两个传感器分别位于该简支梁的两个支座内，如图5所示。这种设计可以保证当车辆通过时，该混凝土梁能够有效地将车轮荷载完全传递到两个传感器上，再通过传感器的响应计算经过的车轮荷载。将该混凝土梁用于车辆监测之前，采用幅值扫描荷载及速度扫描荷载确定埋入其中的传感器基本性能是否发生改变并对其进行初步标定，以获得传感器输出信号同输入荷载幅值及持荷时间之间的关系。测试结果表明传感器埋入混凝土梁后其基本性能没有改变，同时获得两个传感器的输入与输出之间的关系。

图5 埋设水泥基压电传感器的混凝土梁

2．2 现场试验设置

现场试验选择在香港新界区一座高架桥的下桥路段上。试验中，将一条车道挖开两道相距为16．5 m的沟槽，将四根预埋传感器的混凝土梁分别置入两道沟槽中，每道埋入两根，具体位置如图6(a)所示。沟槽底部采用水泥干粉铺底，上覆一块2 cm厚的铁板，铁板之上放置混凝土梁，如果6(b)所示。如此设置可以保证混凝土梁的稳定，同时能让传感器充分感受到车轮传来的冲击荷载。将混凝土梁放置好后，将两道沟槽用与邻近路面相同的沥青混凝土填满压实，保持与邻近路面一致平顺，防止车辆经过时出现颠簸，引起测量误差。

图6 车辆监测现场设置

2．3 现场标定

由于现场试验布置与传感器在实验室测试时存在差异，因此将该传感器用于车辆监测之前需对其进行现场标定，即用已知重量的车辆以不同速度通过试验路段，记录传感器响应，通过分析其输入输出，确定传感器的实际敏感度。试验中选择一辆三轴重车(一轴93 kN，二轴140 kN，三轴130 kN)和一辆中型面包车(28 kN)作为试验车辆。首先让重车以20 km/h、30 km/h和40 km/h的速度通过测试路段，利用所得数据标定传感器，再让面包车以20 km/h、30 km/h、40 km/h和60 km/h的速度通过测试路段，来检验传感器的准确性。在每个传感器对单个车轮经过是的响应曲线中，第一次峰值所对应的时刻作为车辆经过该传感器的时间，第1次峰值的幅值作为该传感器对单个车轮荷载的响应。根据此定义，通过记录同一车轮经过两道传感器的时间差，即可获得车辆通过该试验路段的平均速度。图7所示为重车以不同速度通过时，两道沟槽内同一位置的传感器响应。表1为重车和面包车通过测试路段速度的计算结果。从表1中可以看出，每组传感器计算得出的速度值基本一致且与设计速度相符。由此可见，利用水泥基压电传感器进行车速测试是可行的。

图7 重车车速计算

表1 重车与面包车速度测试结果

根据对传感器响应幅值的定义及已知车轮荷载可以得到传感器的实际敏感度，再根据实测得到的车辆速度，通过对传感器实验室的测试曲线进行参数优化即可获得传感器的实际标定曲线。利用此标定曲线可以对面包车重量进行计算，以此来检验应用水泥基压电传感器进行车重测试的可行性。一条沟槽内的四个传感器在同一时刻的幅值经计算可以得出其所受荷载，将其求和可获得面包车一轴的重量，将计算得到的两轴重量累加即可得到面包车重量。两道沟槽可以分别计算出面包车重量。图8所示为面包车重量的测试结果。从图8中可以看出，两条沟槽中传感器所计算出的车重基本一致，但与实际车重有所差别，误差范围在20%以内。造成测试结果与真实车重的差别是由于车辆在行进过程中振动及路面不平顺而引起车轮荷载的变化。鉴于此，可以利用该水泥基压电传感器进行车辆荷载的动态称重并进行车辆实时分类。

图8 面包车测试结果

3 车辆实测试验

经过现场标定，埋入公路的水泥基压电传感器可以用来进行车辆监测。在车辆监测中，车流量通过记录传感器响应中的峰值数量来得到。一辆车通常有几个轴，每个轴都会对于一个峰值，因此在实际监测中，相邻的几个峰值作为同一量车的响应来计算车流量。车辆速度及车辆重量按前文所述方法确定。表2所示为车辆监测结果，包括车辆通过时刻、车辆速度、车辆重量以及对应的视频监测结果。

表2 车辆监测结果

从表2中可以看出，除了两辆出租车未被监测到，水泥基压电传感器的监测结果与视频监测结果完全一致。同时利用监测得到的车重数据进行车辆分类也与视频中描述结果一致。两辆出租车未被监测到是因为这两辆车通过测试路段时未完全在测试车道内，而是跨越两条车道，但该监测系统要求车辆通过时必须在同一车道内行使，这一弊端可以通过修改传感器埋设位置加以解决。车辆实测结果表明采用水泥基压电传感系统进行车辆监测是可行有效的。

4 结论

本文提出一种基于耐久性好、成本低的水泥基压电传感器的车辆监测方法。将该监测器埋入一段高架桥路面中，经过现场标定及实际运行，显示水泥基压电传感器能够准确获得车流量、车辆速度而且能够进行车辆动态称重及车辆分类。由此可以得出结论，基于水泥基压电传感器的车辆监测方法是可行、有效的。

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