专利名称：压阻/压电复合型传感器及基于该传感器的监测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种交通与结构参数的同步监测传感器用的自供能压阻/压电复合型传感器及基于该传感器网络的(自供能)监测系统。
背景技术：
近年来，随着国民经济的快速发展，我国车辆保有量高速增长，高速公路、过江(跨海)桥梁、城市高架/立交桥不断兴建。这些交通结构一旦发生交通事故或结构坍塌，易导致整个交通系统拥堵与人员伤亡，且在短期内难以修复，造成交通运力的大幅度下降，其损失不可估量。因而，对这些枢纽区域和关键路段的交通结构进行交通控制与结构健康监测显得尤为必要。与此同时，这些交通结构(尤其是结构拼接缝处)在行车荷载作用下常处于微幅振动,相应机械振动能量若能有效收集,并供给给相应传感监测网络、甚至两侧照明系统，在当今节能环保时代具有重要意义。作为与交通结构声阻抗与匹配相容性好、相近服役寿命的各类水泥基传感器在过去几十年里取得了长足的发展，可以说，各种交通结构监测系统的成功很大程度归功于这些智能传感器提供精确而稳定的桥梁交通与结构数据，如精确的速度信号、触发分类信息、动力性能、位移变形等信息以及长期反馈交通信息统计数据等。如中国专利号为ZL02132967.2的技术，利用掺加各类导电功能组分(碳黑、镍粉、碳纤维、碳纳米管等)的水泥基体材料的电学性能会随外荷载/变形变化而变化的压阻效应形成的压阻型传感器对(准)静态信号敏感，而对动态振动信号不敏感，传感精度低。如中国专利号为ZL201010523624. 3的技术，利用掺加微细压电陶瓷(PZT)粉体的水泥基体材料或直接用树脂混凝土封装PZT薄片的块材电极两端的电荷密度会随着外荷载/变形变化而变化的(逆)压电效应形成的压电型传感器主要对动态振动信号敏感，对(准)静态信号不敏感，存在本征结构韧性较低，易受到混凝土路面收缩开裂、路基下沉等自然环境的影响等缺陷。同时，也没有涉及利用相应压电型传感器的逆压电效应对行车机械振动能量的有效收集、储存与各种电路供能系统。与此同时，传统嵌入或粘贴于桥梁结构传感器的监测系统要么是监测(准)静态应力/应变结构参数的监测系统，要么是动态交通流参数的监测系统。
实用新型内容本实用新型的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种压阻/压电复合型传感器，其能同步感知结构参数与动态交通流参数。为实现上述目的，本实用新型中压阻/压电复合型传感器采用如下技术方案其包括压阻/压电复合材料层，压阻/压电复合材料层的上下表面各设置一个电极，压阻/压电复合材料层和电极皆包裹在封装外壳内，上下两电极之间通过贯穿封装外壳的电磁屏蔽导线相连。这种压阻/压电复合型传感器将(准)静态压阻效应与动态压电效应有机结合起来，并辅以韧性纤维增韧，进而提供一种在保证与混凝土结构相容性佳、服役寿命长等特点之外，同时拥有本征结构韧性高、涵盖全频域的静/动态交通结构监测以及振动自供能等多兀性能于一体。电极布置方式为全覆盖式或格栅式或交叉指形式或交叉栅式。电极采用导电银胶电极或银电极或镍电极。封装外壳是由水泥、粉煤灰、水性树脂、水性固化剂、韧性纤维按1:0. 1-0. 3:0. 4-0.8:0. 4-0.6:0. 01-0.1的重量比混合而成的一种纤维增强树脂混凝土。压阻/压电复合材料层(I)包括如下按重量配比的组分100份水泥、105-500份微/纳米级压电陶瓷粉体、10-30份粉煤灰、15-50份水、O. 01-2份超塑化剂、O. 1-10份韧性纤维、O. 01-15份导电填料。上述压阻/压电感应元件利用纤维增强树脂混凝土封装成压阻/压电复合型传感器的制备方法，包括以下步骤按照比例先将韧性纤维通过高速搅拌分散在水性树脂中，然后加入相应固化剂混匀，再加入水泥与粉煤灰干拌混合料，搅拌均匀；将压阻/压电感应元件固定在模具中(上下电极通过电磁屏蔽导线引出，并接上屏蔽接头)，然后将上述纤维增强树脂混凝土混合物浇入模具中，在水泥终凝前，将模具移至真空干燥箱中进行抽真空除泡(以进一步提高封装材料的致密度和绝缘性能)；最后用水性树脂和对应的固化剂混合稀释液表面覆盖养护至28天龄期，即得本实用新型的压阻/压电复合型传感器。传感器的大小可根据实际需求调整。上述的压阻/压电复合型传感器中，所述水泥为硅酸盐水泥，普通硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥中的一种。上述的压阻/压电复合型传感器中，所述粉煤灰为《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T1596 - 2005)中规定的I级粉煤灰。上述的压阻/压电复合型传感器中，所述水为市售蒸馏水、去离子水中的一种。上述的压阻/压电复合型传感器中，所述超塑化剂为聚羧酸盐系高效减水剂、月旨肪族闻效减水剂、氣基横酸盐系闻效减水剂、蜜胺树脂系闻效减水剂、蔡系闻效减水剂中的一种或几种组合。上述的压阻/压电复合型传感器中，所述韧性纤维为聚乙烯醇纤维、聚丙烯纤维、聚酰亚胺纤维中的一种。上述的压阻/压电复合型传感器中，所述导电填料为微/纳米级碳黑、微/纳米级镍粉、碳纤维、碳纳米纤维、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯接枝碳纤维、氧化石墨烯接枝碳纳米纤维中的一种或其中几种的混合。上述的压阻/压电复合型传感器中，所述水性树脂为水性环氧树脂、水性酚醛树月旨、水性脲醛树脂、水性密胺-甲醛树脂、水性聚氨酯树脂、水溶性聚酰亚胺树脂中的一种；所述水性固化剂为各水性树脂对应的专用固化剂。本实用新型的另一个目的是提供一种基于上述传感器的监测系统，其包括传感器、动态信号采集系统、静态信号采集系统、俘能/放电控制系统，传感器电磁屏蔽导线分别与动态信号采集系统、静态信号采集系统、俘能/放电控制系统电连接。上述采集系统中的电源可通过本领域技术人员熟知的一俘能/放电控制电路将在交通监测间歇期车辆碾压上述传感器时在逆压电效应下转化、并有效储存的瞬间电能并反哺，实现监测系统的自供能。[0020]动态信号采集系统包括电源、前置放大器、A/D模数转换器、采集/存储模块、主机、FLASH�？�、RAM�？椋缭从敕�/放电控制系统连接，前置放大器与传感器连接，电源、前置放大器、A/D模数转换器、主机、FLASH�？�、RAM�？榉直鹩氩杉�/存储�？榱印＞蔡藕挪杉低嘲ɑ菟雇ǖ缜牛菟雇ǖ缜庞隦C放电电路连接，惠斯通电桥的两桥臂分别与传感器连接。俘能/放电控制系统包括相互连接的整流桥和RC放电电路，整流桥与传感器连接，RC放电电路与电源连接。本实用新型的基于压阻/压电复合型传感器网络的(自供能)监测系统嵌入或粘贴到交通结构体系中后，除了具有界面与阻抗匹配性良好、频率响应高、耐久性高外，还具有更好的本征结构韧性以及涵盖全频域的静/动态交通与结构参数的同步监测能力，并能实现行车机械振动能量的有效收集、储存与各种电路供能。因此，该压阻/压电复合型传感器及基于该传感器网络的(自供能)监测系统具有良好的应用前景。
图1为本实用新型系统实施例1结构示意图；图2为本实用新型的传感器局部放大图。图3为本实用新型系统实施例2结构示意图。图中1.压阻/压电复合材料层；2.电极；3.封装外壳；4.电磁屏蔽导线；5.桥面单元；6.支座；7.动态信号采集系统；8.静态信号采集系统；9.俘能/放电控制系统。
具体实施方式
如图1、图2所示，本实用新型的压阻/压电复合型传感器，包括压阻/压电复合材料层1，压阻/压电复合材料层I的上下表面设置一对电极2，压阻/压电复合材料层I和电极2皆包裹在封装外壳3内，上下两电极之间通过贯穿封装外壳的电磁屏蔽导线4相连。电极布置方式为格栅式，电极2采用导电银胶电极。基于上述传感器的监测系统，包括传感器、动态信号采集系统7、静态信号采集系统8、俘能/放电控制系统9，传感器电磁屏蔽导线4分别与动态信号采集系统7、静态信号采集系统8、俘能/放电控制系统9电连接。传感器设置在桥面单元5与支座6之间。动态信号采集系统7包括电源、前置放大器、A/D模数转换器、采集/存储�？�、主机、FLASH模块、RAM模块，电源与俘能/放电控制系统9连接，前置放大器与传感器连接，电源、前置放大器、A/D模数转换器、主机、FLASH�？�、RAM模块分别与采集/存储�？榱�。俘能/放电控制系统9包括相互连接的整流桥和RC放电电路，整流桥与传感器连接，RC放电电路与电源连接。静态信号采集系统8包括惠斯通电桥，惠斯通电桥与RC放电电路连接，惠斯通电桥的两桥臂分别与传感器连接。在交通工程结构荷载频率(O. l-50Hz)范围内，对于荷载频率小于IHz的，一般可认为是静态或准静态的荷载，如高速公路入口收费站、地磅、停车区域监控等，这时通过测试导线连接的(准)静态信号采集系统8中惠斯通电桥上的不平衡输出电压(AU12)(如图1所示)，获得具有相同阻值的压阻/压电复合型传感器的电导参数变化特征，再通过本领域技术人员所熟知的环境因素引起的噪声信号剔除技术，就可以实现相应准静态交通与结构参数的准确提�。欢杂谄德蚀笥贗Hz的动态荷载(包括周期循环、脉冲、随机荷载形式)，如高速公路、跨江(海)大桥上快速行驶车辆的车型识别、车速、车流量及相应产生的结构应力、变形的检测等。为了有效测定压阻/压电复合型传感器压电效应产生的微弱电荷量，并防止电荷泄漏，这时可通过屏蔽接头连接到前置电荷/电压放大器以及组合A/D模数转换器、带通滤波器、电压放大器与存储/显示器等单片机的动态信号采集系统7(如图1所示)，来测试本实用新型的压阻/压电复合型传感器的对动态信号敏感的压电参数变化情况，再通过本领域技术人员所熟知的信号传感与噪声信号剔除技术实现相应动态感知信号的准确提取。 上述采集系统中的电源可通过一俘能/放电控制电路9将在交通监测间歇期车辆碾压上述传感器时在逆压电效应下转化、进而有效储存的瞬间电能并反哺，实现监测系统的自供能。本实用新型还提供了该压阻/压电复合型传感器网络及基于该传感器的监测系统的应用布设位置、方式和数量。具体方法为以压阻/压电复合型传感器动态信号中的峰值个数计算车辆数，以传感器的响应之和计算车重/车型，并以间隔一定距离的两道平行传感器响应的时间差计算车速；以传感器(准)静态信号加载前后幅值大小除以面积计算应力，用(负)幅值除以弹性模量计算压(拉)应变，以传感器响应(负)幅值超过混凝土抗压(抗拉)强度比例极限时表征相应结构发生损伤或裂缝。进而实现对暴露环境下在不同交通状况下、不同行车荷载形式下交通参数(如车流量、车速、车型和车重等)和结构参数(轴向应力、拉/压应变、弯曲应变、裂缝和损伤等)实时检测与损伤评估。实施例2如图3所示，本实用新型的压阻/压电复合型传感器也完全可以埋置于钢筋混凝土梁的内部(即传感器嵌入桥面单元5内)，以便更准确的测量来往车辆的车速。其它同实施例1。
权利要求1.一种压阻/压电复合型传感器，其特征在于，包括压阻/压电复合材料层(I )，压阻/压电复合材料层(I)的上下表面各设置一个电极(2)，压阻/压电复合材料层(I)和电极(2)皆包裹在封装外壳(3)内，上下两电极之间通过贯穿封装外壳的电磁屏蔽导线(4)相连。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，电极布置方式为全覆盖式或格栅式或交叉指形式或交叉栅式。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，电极(2)采用导电银胶电极或银电极或镍电极。
4.一种基于权利要求1所述传感器的监测系统，其特征在于，包括传感器、动态信号采集系统(7)、静态信号采集系统(8)、俘能/放电控制系统(9)，传感器电磁屏蔽导线(4)分别与动态信号采集系统(7)、静态信号采集系统(8)、俘能/放电控制系统(9)电连接。
5.根据权利要求4所述的 监测系统，其特征在于，动态信号采集系统(7)包括电源、前置放大器、A/D模数转换器、采集/存储�？�、主机、FLASH�？�、RAM模块，电源与俘能/放电控制系统(9)连接，前置放大器与传感器连接，电源、前置放大器、A/D模数转换器、主机、FLASH�？�、RAM�？榉直鹩氩杉�/存储�？榱�。
6.根据权利要求5所述的监测系统，其特征在于，俘能/放电控制系统(9)包括相互连接的整流桥和RC放电电路，整流桥与传感器连接，RC放电电路与电源连接。
7.根据权利要求6所述的监测系统，其特征在于，静态信号采集系统(8)包括惠斯通电桥，惠斯通电桥与RC放电电路连接，惠斯通电桥的两桥臂分别与传感器连接。
专利摘要本实用新型压阻/压电复合型传感器及基于该传感器的监测系统，涉及一种交通与结构参数的同步监测传感器用的自供能压阻/压电复合型传感器。本实用新型的压阻/压电复合型传感器，包括压阻/压电复合材料层，压阻/压电复合材料层的上下表面各设置一个电极，压阻/压电复合材料层和电极皆包裹在封装外壳内，上下两电极之间通过贯穿封装外壳的电磁屏蔽导线相连。本实用新型的监测系统，包括传感器、动态信号采集系统、静态信号采集系统、俘能/放电控制系统，传感器电磁屏蔽导线分别与动态信号采集系统、静态信号采集系统、俘能/放电控制系统电连接。本实用新型具有界面与阻抗匹配性良好、频率响应高、耐久性高外，还具有涵盖全频域的静/动态交通与结构参数的同步监测能力。
文档编号G01H11/08GK202916004SQ20122055715
公开日2013年5月1日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者罗健林, 李秋义, 赵铁军, 高嵩 申请人:青岛理工大学
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