监测沥青路面压应力的机敏材料传感器、制作及使用方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及道路监测领域，具体涉及一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器 及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 沥青类路面是我国主要的路面结构形式。由于沥青路面材料、结构、施工工艺的 复杂性，沥青路面结构的力学分析、现场监测十分困难，路面设计和应用者难以准确掌握沥 青路面的力学状态，这对沥青路面结构设计与维修方案的确定十分不利，并导致大量的沥 青路面早期损坏，由此发生严重的工程量浪费，对行车造成不利影响，并引发其他社会和环 境问题。在温、湿和车辆荷载作用的复杂环境下，沥青混凝土结构层的力学状态十分复杂。 准确掌握沥青路面结构的力学状态对于路面的科学设计，减少沥青路面的早期损坏至关重 要。
[0003]目前，监测路表弯沉是工程界评价路面结构力学状态的常用方法，由于分析方法、 材料参数等影响，采用这种方法难以得到路面结构内部的实际力学状态，无法为路面结构 的设计、养护提供科学依据，沥青结构层内部力学状态的测试显得十分必要。
[0004]目前，沥青路面结构应力应变的监测中，电阻式应变片占主导地位，光纤光栅技术 也有应用。但由于传统监测元件需要在沥青混凝土中预埋并高温碾压，这种特殊的成型工 艺和恶劣的工作环境使得监测元件成活率低、耐久性差。
[0005] 因此，亟需一种成本低廉、可靠、耐久性好的沥青结构层内部应力应变测试技术。
【发明内容】
[0006] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种监测沥青路面压应力的机敏材料 传感器及其制作方法，该机敏材料传感器，预埋或后植入沥青结构层中，使用本机敏材料传 感器可以监测沥青路面压应力。
[0007] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
[0008] -种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，包括由机敏材料制成的且能感知压 应力变化的传感器元件，所述传感器元件内置两个电极，内置电极外部需连接外部线路供 测量使用，在内置电极接线端涂抹有保护层，传感器元件表面设有封装层；
[0009] 所述传感器元件采用恪融PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯英文名：polyethylene terephthalate，简称PET)、河砂掺加石墨导电相拌合而成，采用的配合比即质量比为，石 墨：PET及河砂混合物=13% ;PET :河砂=1:3。
[0010] 进一步的，所述河砂的级配为：
[0011]
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[0012] 进一步的，传感器元件为柱体，可以为棱柱体或圆柱体。
[0013] 进一步的，柱体高的确定应考虑需监测结构层的厚度，柱体高小于监测结构层厚 度；柱体底面任意两点连线长度应小于等于柱体的高。
[0014] 进一步的，所述内置电极所在平面应垂直受力方向，内置电极所在平面应平行于 柱体底面。
[0015] 进一步的，所述内置电极应尽量贴近柱体底面，但需预留一定的保护层厚度，即内 置电极距离柱体底面的距离应不小于lcm。
[0016] 进一步的，内置电极可为网状或线圈状，也可独立的形成一个平面。
[0017] 进一步的，内置电极材料可采用不锈钢、铜、铝或合金。
[0018] 进一步的，外部线路可用橡胶软管、塑料软管进行套装。
[0019] 进一步的，机敏材料传感器的灵敏度可达1~3% /MPa，测试范围即为输出最大电 阻变化率与最小电阻变化率的差值可为2%~6%，传感器的失效区间为> 20MPa，工作的 温度范围为-20~70°C。机敏材料传感器实际操作中，需要考虑温度补偿，具体为：在同一 断面埋置相同传感器，使其位于路面边缘不受力的位置，仅受周围环境的影响，用于监测环 境温度的变化，得到温度与电阻变化率之间的关系，在监测应力过程中，机敏材料传感器所 得电阻变化率应减去此处所得温度引起的电阻变化率。进而消除温度对传感器监测路面应 力的影响。
[0020] 进一步的，一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器的制造方法，包括：
[0021] 机敏材料传感器元件的制作：采用熔融PET、河砂掺加石墨导电相拌合而成，采用 的配合比即质量比为，石墨：PET及河砂混合物=13% ;PET :河砂=1:3 ;
[0022] 传感器元件采用内置两个电极，两个电极所在平面平行于柱体底面；（两个电极 所在平面平行于柱体底面，这么设置的目的在于将传感器埋置时柱体底面平行于路面结构 层，从而实现内置的电极所在平面垂直受力方向。）
[0023] 传感器元件内置电极外部需连接外部线路供测量使用，还应在接线端涂抹保护层 进行防护，对引出线路应进行外装防护；
[0024] 外部线路可用橡胶软管、塑料软管等进行套装；
[0025] 传感器元件表面需进行封装，避免传感器元件与外部环境直接接触，起到隔离保 护的作用。
[0026] 一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器的使用方法，包括：
[0027] 在使用时，机敏材料传感器埋置在车辆行驶轨迹线以下，路面结构层以内，同时还 需要满足埋置在需监测路面结构层的顶部或内部，且埋置时柱体底面应平行于路面结构 层；
[0028] 机敏材料传感器在使用前应进行标定，得到其应力一电阻变化率的关系图；
[0029] 根据应力一电阻变化率的关系图，得此机敏材料传感器应力一电阻变化率关系表 达式，从而测知路面压应力。
[0030] 进一步的，计算应力监测元件所得电阻变化率时需要考虑温度补偿，具体操作方 法为在同一断面埋置相同的传感器，使其位于路面边缘不受力的位置，仅受周围环境的影 响，用于监测环境温度的变化，得到温度与电阻变化率之间的关系，在监测应力过程中，应 力监测元件所得电阻变化率应减去此处所得温度引起的电阻变化率。进而消除温度对传感 器监测路面应力的影响。
[0031] 进一步的，得到其应力一电阻变化率的关系图的过程为：使用压力机对机敏材料 传感器预压，采用荷载类型为〇. lkN/s，施加至最大应力为2MPa，并在施压过程中进行电阻 米集，计算电阻变化率。
[0032] 本发明为一种适于道路沥青路面复杂环境条件的PET基复合机敏材料传感器。本 专利提供了此传感器压应力状态下的外观形态、封装方式、线路搭接方式等，并给定传感器 的失效区间、监测区间、灵敏度及工作的温度范围。
[0033] 本发明的有益效果：
[0034] 1.本发明所述机敏材料元件具有优良的机敏性能，能将受力情况转换为电信号， 是传感器的核心组成部分，能适用于压应力的检测，可靠度高，精确度好。
[0035] 2.本发明所述传感器能应用于复杂的道路环境，并能获得可靠的数据反馈。在预 埋时，能适应沥青路面高温施工、碾压的恶劣条件，成活率高。在日常使用中，能适应不同的 沥青路面温湿度状况。
[0036] 3.本发明所述传感器各元件组成原料来源广泛，价格低廉，成型工艺较为简单，成 本低廉，能有效降低沥青路面力学状态监测成本，可以大量推广，广泛应用。
[0037] 4.本发明所述传感器耐久性良好，能承受车辆荷载的反复作用，长期应用于沥青 路面力学状态监测。
【附图说明】
[0038] 图1是传感器元件在压应力状态下的棱柱体形态；
[0039] 图2是传感器元件在压应力状态下的圆柱体形态；
[0040] 图3是传感器元件在压应力状态下的应力一电阻变化率曲线；
[0041] 其中，1为传感器元件，2为内置电极，3为外部线路。
【具体实施方式】：
[0042] 下面结合附图对本发明进行详细说明：
[0043] 如图1、2所示，一种监测沥青路面压应力的机敏材料传感器，包括由机敏材料制 成的且能感知压应力变化的传感器元件1，所述传感器元件1内置两个电极，内置电极2外 部需连接外部线路3供测量使用，在内置电极2接线端涂抹有保护层，传感器元件表面设有 圭寸装层；
[0044] 压应力状态下，即所述传感器监测沥青路面结构层层顶压应力，传感器元件1的 形态为柱体，即棱柱体（三棱柱、四棱柱等）或圆柱体，埋置时柱体的底面应平行于沥青结 构层。其具体尺寸应根据沥青结构层中需监测的沥青面层的厚度而定，柱体高