压电传感器测量路面动水压力研究*

蒋泽民，高俊启，季天剑，盛余祥，张春海，徐 姣

（1.南京航空航天大学土木工程系，江苏南京 210016;2.重庆交通大学山区道路建设与维护技术重庆市重点实验室，重庆 400074;3.日照市公路管理局，山东日照 276826;4.南京航空航天大学智能材料与结构航空科技重点实验室，江苏南京 210016）

0 引言

动水压力是指车辆在运动过程中路面内的水膜不断被挤压，并从轮胎两侧和轮胎花纹间隙排除，于是本来相对静态的水压在挤压下产生了一个动态的、瞬时的水压力［1，2］。大量研究表明，动水压力是沥青路面产生病害的主要原因之一，并称之为水损害，其破坏形式有松散、车辙、唧浆、坑洞、网裂等。因此，动水压力的测量与研究已成为路桥领域备受关注的问题［3～6］。近几年来，随着自动控制理论和计算机技术和国家基础建设的发展，传感器已被广泛应用于土木建筑检测领域。压电传感器是其中应用较广的一类传感器，主要应用在加速度、压力和力等的测量中。在桥梁和建筑的震动和冲击测量中常见到压电式加速度传感器。压电传感器具有结构简单、体积小、重量轻、功耗小、寿命长等优异的特点，非常适合测量动态的压力，且容易在路面埋置［7～10］。本文主要研究适合于测量动态水压力的压电传感器的设计、制作、标定以及现场测量技术。

1 压电传感器的设计

压电传感器是利用某些电介质受力后产生的压电效应制成的传感器，由于内部电荷的极化现象，会在其表面产生电荷的现象。本文设计的传感器核心传感元件是压电陶瓷敏感元件。由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此，压电传感器不能用于静态测量。压电元件在交变力的作用下，电荷可以不断补充，可以供给测量回路以一定的电流，故只适用于动态测量。

压电传感器结构如图1，直径为35mm，厚度为12.5 mm，连接片采用数层圆形压电片叠加，最外上下两侧用铜片包裹，在上下铜片各接一根电线导出来，并用O型密封圈包裹，防止液体和气体介质的泄露。该陶瓷晶片是压电传感器的核心元件，具有尺寸小、频带宽、灵敏度高、耐高温、信噪比高等优点，用于测量沥青路面动水压力时，对路面破坏程度小，能满足使用要求。

图1 压电传感器结构剖面图Fig 1 Structural sections of piezoelectric sensors

2 压电传感器的标定

2.1 实验装置

考虑到测量的是动态水压力，因此，选择一个控制阀，通过信号发生器实现高频控制。当气压机恒定给定一个气压值，通过电磁阀、信号发生器的控制作用，将输出一个设定频率的动态气压。在密封容器中充入一定量的水，在动态气压的作用下，将产生动态水压力。

2.2 标定数据分析

实验过程中，控制阀开关频率为5 Hz，传感器灵敏度400（pC/V），上下限频率分别为100 kHz和1 Hz。图2为在标定压力0.2 MPa作用下压电传感器的0～0.5 s的信号输出。通过对图2所示的电压输出图分析，可以读取每个波峰值所对应的电压极值。参考设定压力值，可以建立每个电压极值所对应的压力值。压电传感器标定结果见图3。由图3可以看出:电压与压力的关系始终处于一个相对恒定的线性关系，y=0.06474x+0.000，R2=0.998，满足初始设计目标。

图2 压电传感器标定时电压输出图Fig 2 Voltage output of piezoelectric sensor calibration

图3 标定处理结果Fig 3 Results of calibration

3 实验测量

为了观测压电传感器在沥青路面内实际测量动水压力的效果，2010年8月，在某高速公路一路段埋置压电传感器并测量沥青路面动水压力。实验设备有自制压电传感器、测速仪、电荷放大器、NI4431数据采集卡、笔记本电脑等。整个压电传感器测量系统见图4。

图4 压电传感器测量系统Fig 4 Measuring system of piezoelectric sensor

首先，利用取芯机在沥青混凝土路面钻孔，测孔深3 cm，直径15 cm，并处于高速公路南半幅行车道外边缘。然后，把压电传感器放进钻孔中，并调整传感器上部距离路表面至少1 cm，以保证车辆轮胎从测孔压过时，车轮荷载不直接作用在传感器上。在汽车开始跑动前，用洒水车洒水，始终控制测孔和周围路面处于饱水状态，以模拟雨天路面的行车状态。最后使汽车分别以不同的速度通过测点，并多次测量同一速度下的动水压力值，并取最大数据。

本次实验主要由标准轴载汽车在埋有压电传感器的洒水路面上以不同速度行驶以进行动水压力测试。

根据标定结果进行换算，当汽车分别以43，55，62，82 km/h和96 km/h压过传感器时，测得的动水压力数值如图5所示。

图5 标准汽车经过时（不同时速）的动水压力值Fig 5 Hydrodynamic pressure while the car is passing（with different velocity）

由图5可见，随着车速增加，动水压力极值趋于增加，在速度为96 km/h时，动水压力极值接近0.35 MPa。由于沥青路面是层状结构体系，层间结合处容易出现孔隙，一旦排水不畅则易形成滞水区，在行车荷载作用下将产生高空隙水压和高速水流，进而致使沥青与集料过早剥离而诱发水损害。另外，在汽车轮胎压过测孔时，轮胎荷载可能压偏，所以，实际测量时必须多次采样。

4 结论

为了了解实际状况下沥青路面表面水压力的分布规律，本文设计了一种压电传感器，，对传感器进行了标定，获得了标定曲线y=0.06474x，并在公路上实地测量了标准轴载汽车在不同车速下的动水压力。在车辆以恒定速度行驶通过时，动水压力会出现2个尖峰值，分别代表前轮和后轮压过的动水压力极值。当车辆以不同速度通过测孔时，随着车速增加，动水压力极值趋于增加。当车速达到96 km/h时，沥青路面表面水压力接近0.35 MPa。实验结果表明:该传感器可以用于沥青路面动水压力的测量。

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