壓電傳感器測量路面動水壓力研究*

蔣澤民，高俊啟，季天劍，盛余祥，張春海，徐 姣

（1.南京航空航天大學土木工程系，江蘇南京 210016;2.重慶交通大學山區道路建設與維護技術重慶市重點實驗室，重慶 400074;3.日照市公路管理局，山東日照 276826;4.南京航空航天大學智能材料與結構航空科技重點實驗室，江蘇南京 210016）

0 引言

動水壓力是指車輛在運動過程中路面內的水膜不斷被擠壓，并從輪胎兩側和輪胎花紋間隙排除，于是本來相對靜態的水壓在擠壓下產生了一個動態的、瞬時的水壓力［1，2］。大量研究表明，動水壓力是瀝青路面產生病害的主要原因之一，并稱之為水損害，其破壞形式有松散、車轍、唧漿、坑洞、網裂等。因此，動水壓力的測量與研究已成為路橋領域備受關注的問題［3～6］。近幾年來，隨著自動控制理論和計算機技術和國家基礎建設的發展，傳感器已被廣泛應用于土木建筑檢測領域。壓電傳感器是其中應用較廣的一類傳感器，主要應用在加速度、壓力和力等的測量中。在橋梁和建筑的震動和沖擊測量中常見到壓電式加速度傳感器。壓電傳感器具有結構簡單、體積小、重量輕、功耗小、壽命長等優異的特點，非常適合測量動態的壓力，且容易在路面埋置［7～10］。本文主要研究適合于測量動態水壓力的壓電傳感器的設計、制作、標定以及現場測量技術。

1 壓電傳感器的設計

壓電傳感器是利用某些電介質受力后產生的壓電效應制成的傳感器，由于內部電荷的極化現象，會在其表面產生電荷的現象。本文設計的傳感器核心傳感元件是壓電陶瓷敏感元件。由于外力作用在壓電元件上產生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，即需要測量回路具有無限大的輸入阻抗，這實際上是不可能的，因此，壓電傳感器不能用于靜態測量。壓電元件在交變力的作用下，電荷可以不斷補充，可以供給測量回路以一定的電流，故只適用于動態測量。

壓電傳感器結構如圖1，直徑為35mm，厚度為12.5 mm，連接片采用數層圓形壓電片疊加，最外上下兩側用銅片包裹，在上下銅片各接一根電線導出來，并用O型密封圈包裹，防止液體和氣體介質的泄露。該陶瓷晶片是壓電傳感器的核心元件，具有尺寸小、頻帶寬、靈敏度高、耐高溫、信噪比高等優點，用于測量瀝青路面動水壓力時，對路面破壞程度小，能滿足使用要求。

圖1 壓電傳感器結構剖面圖Fig 1 Structural sections of piezoelectric sensors

2 壓電傳感器的標定

2.1 實驗裝置

考慮到測量的是動態水壓力，因此，選擇一個控制閥，通過信號發生器實現高頻控制。當氣壓機恒定給定一個氣壓值，通過電磁閥、信號發生器的控制作用，將輸出一個設定頻率的動態氣壓。在密封容器中充入一定量的水，在動態氣壓的作用下，將產生動態水壓力。

2.2 標定數據分析

實驗過程中，控制閥開關頻率為5 Hz，傳感器靈敏度400（pC/V），上下限頻率分別為100 kHz和1 Hz。圖2為在標定壓力0.2 MPa作用下壓電傳感器的0～0.5 s的信號輸出。通過對圖2所示的電壓輸出圖分析，可以讀取每個波峰值所對應的電壓極值。參考設定壓力值，可以建立每個電壓極值所對應的壓力值。壓電傳感器標定結果見圖3。由圖3可以看出:電壓與壓力的關系始終處于一個相對恒定的線性關系，y=0.06474x+0.000，R2=0.998，滿足初始設計目標。

圖2 壓電傳感器標定時電壓輸出圖Fig 2 Voltage output of piezoelectric sensor calibration

圖3 標定處理結果Fig 3 Results of calibration

3 實驗測量

為了觀測壓電傳感器在瀝青路面內實際測量動水壓力的效果，2010年8月，在某高速公路一路段埋置壓電傳感器并測量瀝青路面動水壓力。實驗設備有自制壓電傳感器、測速儀、電荷放大器、NI4431數據采集卡、筆記本電腦等。整個壓電傳感器測量系統見圖4。

圖4 壓電傳感器測量系統Fig 4 Measuring system of piezoelectric sensor

首先，利用取芯機在瀝青混凝土路面鉆孔，測孔深3 cm，直徑15 cm，并處于高速公路南半幅行車道外邊緣。然后，把壓電傳感器放進鉆孔中，并調整傳感器上部距離路表面至少1 cm，以保證車輛輪胎從測孔壓過時，車輪荷載不直接作用在傳感器上。在汽車開始跑動前，用灑水車灑水，始終控制測孔和周圍路面處于飽水狀態，以模擬雨天路面的行車狀態。最后使汽車分別以不同的速度通過測點，并多次測量同一速度下的動水壓力值，并取最大數據。

本次實驗主要由標準軸載汽車在埋有壓電傳感器的灑水路面上以不同速度行駛以進行動水壓力測試。

根據標定結果進行換算，當汽車分別以43，55，62，82 km/h和96 km/h壓過傳感器時，測得的動水壓力數值如圖5所示。

圖5 標準汽車經過時（不同時速）的動水壓力值Fig 5 Hydrodynamic pressure while the car is passing（with different velocity）

由圖5可見，隨著車速增加，動水壓力極值趨于增加，在速度為96 km/h時，動水壓力極值接近0.35 MPa。由于瀝青路面是層狀結構體系，層間結合處容易出現孔隙，一旦排水不暢則易形成滯水區，在行車荷載作用下將產生高空隙水壓和高速水流，進而致使瀝青與集料過早剝離而誘發水損害。另外，在汽車輪胎壓過測孔時，輪胎荷載可能壓偏，所以，實際測量時必須多次采樣。

4 結論

為了了解實際狀況下瀝青路面表面水壓力的分布規律，本文設計了一種壓電傳感器，，對傳感器進行了標定，獲得了標定曲線y=0.06474x，并在公路上實地測量了標準軸載汽車在不同車速下的動水壓力。在車輛以恒定速度行駛通過時，動水壓力會出現2個尖峰值，分別代表前輪和后輪壓過的動水壓力極值。當車輛以不同速度通過測孔時，隨著車速增加，動水壓力極值趨于增加。當車速達到96 km/h時，瀝青路面表面水壓力接近0.35 MPa。實驗結果表明:該傳感器可以用于瀝青路面動水壓力的測量。

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