楊曉明，李宗津

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)建筑工程學(xué)院，遼寧阜新123000;2．香港科技大學(xué)土木及環(huán)境工程學(xué)系，香港九龍清水灣)

在公路管理系統(tǒng)中，對(duì)車輛的監(jiān)測(cè)是非常重要的。準(zhǔn)確的車輛數(shù)據(jù)(包括車流量、車速及車重)能夠?yàn)橹贫ê侠淼墓饭芾眇B(yǎng)護(hù)策略提供有效地支持，特別是對(duì)超載車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能夠有效的防止橋梁由于超重而發(fā)生破壞。目前常用的車輛監(jiān)測(cè)方法主要有地感線圈[1－2]、磁力傳感器[3－4]、雷達(dá)技術(shù)[5]、視頻技術(shù)[6]、動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)[7－9]等等。但這些方法都存在耐久性差及價(jià)格昂貴等缺點(diǎn)而無法大規(guī)模使用。

最近一種用于測(cè)量動(dòng)態(tài)荷載的新型水泥基壓電傳感器得以開發(fā)出來[10－11]，這種傳感器具有耐久性好、成本較低且配套設(shè)施較少等優(yōu)點(diǎn)。利用這種傳感器的動(dòng)態(tài)荷載測(cè)試能力，可以考慮將其埋在路面以下，通過測(cè)試由于車輪荷載引起傳感器的脈沖響應(yīng)來分析車流量、車速及車重。基于這一思路，本文對(duì)水泥基壓電傳感器在車輛監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用展開研究。

1 水泥基壓電傳感器

1．1 制作

新型水泥基壓電傳感器的傳感單元為由壓電陶瓷粉與水泥粉混合而成0－3型水泥基壓電復(fù)合材料。該壓電復(fù)合材料經(jīng)壓縮、極化制成直徑15 mm厚度1．5 mm的圓片，并將其用水泥粉與樹脂的混合物封裝起來，形成一個(gè)長(zhǎng)寬高均為40 mm的立方體，即水泥基壓電傳感器，如圖1所示。

圖1 水泥基壓電傳感器

1．2 基本性能

將水泥基壓電傳感器埋入公路之前，需對(duì)其基本性能進(jìn)行測(cè)試，尤其是在車輛引起的沖擊荷載下的性能。為此，設(shè)計(jì)了兩種加載模式，一種稱之為幅值掃描加載，如圖2(a)前半部分所示;另一種稱之為速度掃描加載，如圖2(a)后半部分所示。在幅值掃描加載中，保持加載時(shí)間不變而幅值逐一增大。在速度掃描加載中，保持荷載幅值不變，加載時(shí)間改變，以此模擬車輛經(jīng)過傳感器時(shí)的不同速度。在每種加載模式里，每次加載均包含加載、持荷、卸載三部分，如圖2(a)中的小圖所示，以此來模擬車輪壓上傳感器，經(jīng)過并離開的過程。

圖2 加載模式及對(duì)應(yīng)的傳感器響應(yīng)

對(duì)應(yīng)兩種加載模式，水泥基壓電傳感器的響應(yīng)如圖2(b)所示。對(duì)于每次加載，傳感器的響應(yīng)如圖2(b)中的小圖所示。本文中定義傳感器響應(yīng)中第1次峰值與平衡位置之間的差值作為傳感器響應(yīng)的幅值。根據(jù)此定義可以得出在兩種加載模式下傳感器響應(yīng)的幅值與輸入荷載幅值及輸入荷載加載時(shí)間之間的關(guān)系，分別如圖3和圖4所示。從圖3中可以看出，傳感器的輸出幅值與輸入荷載的幅值存在明顯的線性關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著加載時(shí)間的縮短，傳感器的響應(yīng)有變大的趨勢(shì)，這表明隨著車輛通過速度的增加，傳感器的響應(yīng)會(huì)逐漸變大，二者之間的關(guān)系可以通過曲線擬合獲得，如圖4中所示公式。

圖3 幅值掃描加載下傳感器響應(yīng)

圖4 傳感器輸出電壓幅值與沖擊荷載持荷時(shí)間之間關(guān)系

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2．1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

該水泥基壓電傳感器尺寸較小，如果直接將其埋入公路路面之下，難以保證車輛經(jīng)過時(shí)能充分感受到車輪荷載。為此將該傳感器應(yīng)用到車輛監(jiān)測(cè)之前需要加以處理。本研究中采用的方法是將兩個(gè)傳感器埋入一段混凝土簡(jiǎn)支梁中，兩個(gè)傳感器分別位于該簡(jiǎn)支梁的兩個(gè)支座內(nèi)，如圖5所示。這種設(shè)計(jì)可以保證當(dāng)車輛通過時(shí)，該混凝土梁能夠有效地將車輪荷載完全傳遞到兩個(gè)傳感器上，再通過傳感器的響應(yīng)計(jì)算經(jīng)過的車輪荷載。將該混凝土梁用于車輛監(jiān)測(cè)之前，采用幅值掃描荷載及速度掃描荷載確定埋入其中的傳感器基本性能是否發(fā)生改變并對(duì)其進(jìn)行初步標(biāo)定，以獲得傳感器輸出信號(hào)同輸入荷載幅值及持荷時(shí)間之間的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果表明傳感器埋入混凝土梁后其基本性能沒有改變，同時(shí)獲得兩個(gè)傳感器的輸入與輸出之間的關(guān)系。

圖5 埋設(shè)水泥基壓電傳感器的混凝土梁

2．2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選擇在香港新界區(qū)一座高架橋的下橋路段上。試驗(yàn)中，將一條車道挖開兩道相距為16．5 m的溝槽，將四根預(yù)埋傳感器的混凝土梁分別置入兩道溝槽中，每道埋入兩根，具體位置如圖6(a)所示。溝槽底部采用水泥干粉鋪底，上覆一塊2 cm厚的鐵板，鐵板之上放置混凝土梁，如果6(b)所示。如此設(shè)置可以保證混凝土梁的穩(wěn)定，同時(shí)能讓傳感器充分感受到車輪傳來的沖擊荷載。將混凝土梁放置好后，將兩道溝槽用與鄰近路面相同的瀝青混凝土填滿壓實(shí)，保持與鄰近路面一致平順，防止車輛經(jīng)過時(shí)出現(xiàn)顛簸，引起測(cè)量誤差。

圖6 車輛監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置

2．3 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)布置與傳感器在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試時(shí)存在差異，因此將該傳感器用于車輛監(jiān)測(cè)之前需對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，即用已知重量的車輛以不同速度通過試驗(yàn)路段，記錄傳感器響應(yīng)，通過分析其輸入輸出，確定傳感器的實(shí)際敏感度。試驗(yàn)中選擇一輛三軸重車(一軸93 kN，二軸140 kN，三軸130 kN)和一輛中型面包車(28 kN)作為試驗(yàn)車輛。首先讓重車以20 km/h、30 km/h和40 km/h的速度通過測(cè)試路段，利用所得數(shù)據(jù)標(biāo)定傳感器，再讓面包車以20 km/h、30 km/h、40 km/h和60 km/h的速度通過測(cè)試路段，來檢驗(yàn)傳感器的準(zhǔn)確性。在每個(gè)傳感器對(duì)單個(gè)車輪經(jīng)過是的響應(yīng)曲線中，第一次峰值所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻作為車輛經(jīng)過該傳感器的時(shí)間，第1次峰值的幅值作為該傳感器對(duì)單個(gè)車輪荷載的響應(yīng)。根據(jù)此定義，通過記錄同一車輪經(jīng)過兩道傳感器的時(shí)間差，即可獲得車輛通過該試驗(yàn)路段的平均速度。圖7所示為重車以不同速度通過時(shí)，兩道溝槽內(nèi)同一位置的傳感器響應(yīng)。表1為重車和面包車通過測(cè)試路段速度的計(jì)算結(jié)果。從表1中可以看出，每組傳感器計(jì)算得出的速度值基本一致且與設(shè)計(jì)速度相符。由此可見，利用水泥基壓電傳感器進(jìn)行車速測(cè)試是可行的。

圖7 重車車速計(jì)算

表1 重車與面包車速度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)對(duì)傳感器響應(yīng)幅值的定義及已知車輪荷載可以得到傳感器的實(shí)際敏感度，再根據(jù)實(shí)測(cè)得到的車輛速度，通過對(duì)傳感器實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試曲線進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化即可獲得傳感器的實(shí)際標(biāo)定曲線。利用此標(biāo)定曲線可以對(duì)面包車重量進(jìn)行計(jì)算，以此來檢驗(yàn)應(yīng)用水泥基壓電傳感器進(jìn)行車重測(cè)試的可行性。一條溝槽內(nèi)的四個(gè)傳感器在同一時(shí)刻的幅值經(jīng)計(jì)算可以得出其所受荷載，將其求和可獲得面包車一軸的重量，將計(jì)算得到的兩軸重量累加即可得到面包車重量。兩道溝槽可以分別計(jì)算出面包車重量。圖8所示為面包車重量的測(cè)試結(jié)果。從圖8中可以看出，兩條溝槽中傳感器所計(jì)算出的車重基本一致，但與實(shí)際車重有所差別，誤差范圍在20%以內(nèi)。造成測(cè)試結(jié)果與真實(shí)車重的差別是由于車輛在行進(jìn)過程中振動(dòng)及路面不平順而引起車輪荷載的變化。鑒于此，可以利用該水泥基壓電傳感器進(jìn)行車輛荷載的動(dòng)態(tài)稱重并進(jìn)行車輛實(shí)時(shí)分類。

圖8 面包車測(cè)試結(jié)果

3 車輛實(shí)測(cè)試驗(yàn)

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，埋入公路的水泥基壓電傳感器可以用來進(jìn)行車輛監(jiān)測(cè)。在車輛監(jiān)測(cè)中，車流量通過記錄傳感器響應(yīng)中的峰值數(shù)量來得到。一輛車通常有幾個(gè)軸，每個(gè)軸都會(huì)對(duì)于一個(gè)峰值，因此在實(shí)際監(jiān)測(cè)中，相鄰的幾個(gè)峰值作為同一量車的響應(yīng)來計(jì)算車流量。車輛速度及車輛重量按前文所述方法確定。表2所示為車輛監(jiān)測(cè)結(jié)果，包括車輛通過時(shí)刻、車輛速度、車輛重量以及對(duì)應(yīng)的視頻監(jiān)測(cè)結(jié)果。

表2 車輛監(jiān)測(cè)結(jié)果

從表2中可以看出，除了兩輛出租車未被監(jiān)測(cè)到，水泥基壓電傳感器的監(jiān)測(cè)結(jié)果與視頻監(jiān)測(cè)結(jié)果完全一致。同時(shí)利用監(jiān)測(cè)得到的車重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行車輛分類也與視頻中描述結(jié)果一致。兩輛出租車未被監(jiān)測(cè)到是因?yàn)檫@兩輛車通過測(cè)試路段時(shí)未完全在測(cè)試車道內(nèi)，而是跨越兩條車道，但該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求車輛通過時(shí)必須在同一車道內(nèi)行使，這一弊端可以通過修改傳感器埋設(shè)位置加以解決。車輛實(shí)測(cè)結(jié)果表明采用水泥基壓電傳感系統(tǒng)進(jìn)行車輛監(jiān)測(cè)是可行有效的。

4 結(jié)論

本文提出一種基于耐久性好、成本低的水泥基壓電傳感器的車輛監(jiān)測(cè)方法。將該監(jiān)測(cè)器埋入一段高架橋路面中，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定及實(shí)際運(yùn)行，顯示水泥基壓電傳感器能夠準(zhǔn)確獲得車流量、車輛速度而且能夠進(jìn)行車輛動(dòng)態(tài)稱重及車輛分類。由此可以得出結(jié)論，基于水泥基壓電傳感器的車輛監(jiān)測(cè)方法是可行、有效的。

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