本发明属于沥青混凝土道路结构健康监测技术领域，具体涉及一种自供电式沥青路内部裂缝监测与定位系统与方法。
背景技术：
道路作为至关重要的基础设施，对国民的生产、生活以及国家的经济增长与发展起着重要的作用。近些年随着我国经济的快速发展，运输需求的持续增长，既为道路工程建设事业的发展提供了难得的机遇，同时也对其提出了更高的要求，随着道路基础设施的不断建设和完善，后期道路的养护和结构健康监测工作尤为重要。
由于受到多种荷载和各种自然因素的共同影响，沥青混凝土路从铺设开始就面临着结构健康问题。随着使用年限的增加，沥青路内部会产生微小裂缝损伤，而这些内部裂缝是我们肉眼无法观察到的，随着时间的推移和路面荷载的不断碾压下，裂缝会不断地积累发展，造成沥青混凝土路结构抗力的衰减，最终导致整个结构的破坏。这种情况时有发生，并且对人们的人身财产安全构成严重的威胁。因此，有必要建立一个长期、有效的裂缝监测系统，对沥青混凝土结构裂缝的产生和变化规律进行监测。
目前，常用的结构损伤检测技术有很多，例如超声检测技术、声发射检测技术和光纤健康检测技术等。
超声波检测技术虽然能够检测混凝土的强度和缺陷，但是获取得到的是结构体某些孤立时段的瞬时状态，在每次进行测量时，监测部位等的选择由人主观决定，这样监测结果的准确度和可信度受到影响。
声发射检测技术是利用检测混凝土结构发生变化时结构本身所产生的应力波的被动监测，该检测技术更适合动态或短期监测。
光纤检测技术是将光纤埋入混凝土结构后，光纤周围混凝土受到外部载荷或温度变化的时候，引起光纤变形，导致通过光纤的光强、相位、波长发生改变，但是光纤质地较脆，容易断裂，对测试环境要求比较严格，同时整个监测系统的价格比较昂贵。
大多数道路裂缝检测都是对道路表面的裂缝进行检测，内部裂缝检测很少涉及。利用应力波检测结构体内部裂缝已有应用，但大多数是对于混凝土结构如构筑物、桥梁和混凝土路等，而对于沥青混凝土路内部裂缝检测还没有涉及到。因此，研制一种低成本、寿命长、长期实时有效的的沥青路内部裂缝检测系统十分必要。而如果监测设备使用电池供电时，电池电量会随着使用时间的增加和自身电量的流失，只能短时间供电，而监测系统需要埋入沥青路内，这与长期监测目的相互矛盾，所以有必要研发一种可以自发电的系统，这样可也保障监测系统的长期使用。当检测到沥青路结构存在裂缝或异常时，我们需要对其进行精确定位分析，这样可以确保在第一时间可以对破损沥青路记性道路养护和及时抢修，节约更多的人力物力成本，最大程度降低损失。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于，提供一种自供电式沥青路内部裂缝监测与定位系统与方法，能够自供电、全方位、长期的对沥青混凝土道路内部裂缝进行监测与定位。
为了实现上述技术效果，本发明采用如下技术方案予以实现：
一种自供电式沥青路内部裂缝监测方法，包括以下步骤：
发射应力波；
接收应力波，所述接收应力波为发射应力波穿过沥青路内部后所接收到的应力波；
计算发射应力波和接收应力波的幅值；
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的80％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的20％，则存在微型裂缝；
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的60％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的40％，则存在中型裂缝；
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的30％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的70％，则存在严重裂缝。
本发明还提供了一种自供电式沥青路内部裂缝监测与定位系统，包括：
能量收集装置，用于将接收的机械能转换为电能并收集所述电能；
发射装置，用于发射应力波，所述应力波通过所述能量收集装置收集的电能转换得到；
接收装置，用于接收横向经过道路后的应力波，所述接收装置具有关于所述发射装置的预定空间关系；
计算装置，用于对比接收的应力波和发射的应力波之间的差异，通过本发明提供的方法判断道路中是否存在裂缝及裂缝的大小；
若存在裂缝且为严重裂缝时，通过接收应力波的幅值和发射应力波的幅值采用预定线性相关性来计算裂缝分别与发射装置和接收装置之间的距离，即可定位裂缝位置。
进一步地，所述应力波为正弦波。
进一步地，所述能量收集装置包括第一能量收集装置和第二能量收集装置，且第一能量收集装置和第二能量收集装置对称设置在道路的两侧，其中发射装置与第一能量收集装置设置在道路的一侧，接收装置和第二能量收集装置设置在道路的另一侧。
进一步地，所述计算装置中对比接收的应力波和发射的应力波之间的差异，判断道路中是否存在裂缝及裂缝的大小，包括：
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的80％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的20％，则存在微型裂缝；
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的60％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的40％，则存在中型裂缝；
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的30％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的70％，则存在严重裂缝。
进一步地，若存在裂缝且为严重裂缝时，通过接收应力波的幅值和发射应力波的幅值采用预定线性相关性来计算裂缝分别与发射装置和接收装置之间的距离，包括：
所述接收装置包括第一接收装置和第二接收装置，所述第一接收装置与发射装置对称设置在道路的两侧，所述第二接收装置与发射装置设置在道路的同侧；
设第一接收装置和发射装置之间的中线为a，第二接收装置和发射装置之间的中线为b；
通过式(1)、(2)分别计算裂缝距离中线a和中线b的距离la和lb：
其中，a1、a2为发射装置应力波的幅值，b1为第一接收装置接收到应力波的幅值，b2为第二接收装置接收到应力波的幅值；
根据裂缝距离中线a和中线b的距离la和lb，定位裂缝的位置。
本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
本发明通过埋设于沥青路面下的能量收集装置收集路面荷载对道路碾压所产生的机械能转换为电能；收集到的电能用来驱动沥青路内部裂缝检测装置中正弦波发生芯片，芯片连接压电陶瓷应力波发生器，产生的应力波通过沥青混凝土介质传播到接收装置，得到相应接收波形数据；用无线数据传输模块将裂缝监测装置采集到的信号传输到外部数据处理系统中，经数据处理与分析得到沥青路内部结构健康情况；如若判定该沥青路内存在裂缝，则通过具体分析裂缝周围不同传感器所接收信号可得到裂缝具体位置信息，从而能够自供电、全方位、长期的对沥青混凝土路内部裂缝进行监测与定位，不仅成本低、效率高，而且可以全方位掌控整个道路结构健康状况。
附图说明
图1是本发明的整体流程图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明中应力波发射、接收及传输的流程图。
图4为一实施例下的示意图，其中(a)为健康沥青路时接收到的信号；(b)为存在微型裂缝时接收到的信号；(c)为存在中型裂缝时接收到的信号；(d)为存在严重裂缝时接收到的信号；
图5为一实施例下的结构示意图；
图6为一实施例下接收信号的波形图，其中(a)为幅值为0.85时接收到的信号图；(b)为幅值为0.85时接收到的信号图；(c)为幅值为0.68时接收到的信号图；(d)为幅值为1.02时接收到的信号图。
以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。
具体实施方式
以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。
实施例1：
本实施例提供了一种自供电式沥青路内部裂缝监测方法，包括以下步骤：
发射应力波；
接收应力波，所述接收应力波为发射应力波穿过沥青路内部后所接收到的应力波；
计算发射应力波和接收应力波的幅值；
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的80％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的20％，则存在微型裂缝；如图4(b)为微型裂缝时接收到的应力波，幅值为2.8v。
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的60％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的40％，则存在中型裂缝；；如图4(c)为中型裂缝时接收到的应力波，幅值为2.1v。
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的30％或接收应力波的时间晚于发射应力波时间的70％，则存在严重裂缝。如图4(d)为严重裂缝时接收到的应力波，幅值为1.05v。
这样，只要接收波形幅值在2.8v-3.5v之间可判断其结构健康，无裂缝存在；接收波形幅值在2.1v-2.8v之间则判断其存在微型裂缝；接收波形幅值在1.05v-2.1v之间则判断存在中型裂缝；而低于1.05v时判断该路段存在严重裂缝，需要对其定位并及时采取修补措施。时间参数的判定和幅值的判定为同一方法。
实施例2：
遵从上述技术方案，本实施例给出一种自供电式沥青路内部裂缝监测与定位系统，如图1所示，包括：
能量收集装置，用于将接收的机械能转换为电能并收集所述电能；
本实施例中的能量收集装置为当沥青混凝土路面上有机动车负载通过时，机动车负载会对沥青路施加压力，当压力通过沥青路介质传递到能量收集装置时，可以将传递到其上的的压力(机械能)转换为电能，由于不断地有机动车负载在路面上行驶，所以路面荷载能量收集模块可以源源不断的收集能量为整个监测系统供电，每当超级电容中存储足够检测装置和无线发射装置工作时，就对其供电并发送一次检测数据，这样既节省了电池供电的成本，又可以实现长期的监测目的。
本实施例采用压电发电模块作为机械能和电能的转换模块，具体地，当压力通过沥青路介质传递到压电发电模块上的三个相互串联的压电片时，由于压电片具有正压电效应，可以将传递到压电片上的的压力(机械能)转换为电能，并将所述压电发电装置接入三倍压电路，经三倍压电路升压后连接能量收集芯片的pzt1引脚和pzt2引脚，经过整流、调压，将转换的电能存储在超级电容中，为沥青路内部裂缝检测模块供电。由于不断地有机动车负载在路面上行驶，所以路面荷载能量收集模块可以源源不断的收集能量为整个监测系统供电，每当超级电容中存储足够检测装置和无线发射装置工作时，就对其供电并发送一次检测数据，这样既节省了电池供电的成本，又可以实现长期的监测目的。
本实施例中的能量收集装置本身集成了整流电路，调压电路，电源控制电路，和能量存储电路，能够完整的完成对道路沥青路面的能量收集，收集的能量存储在超级电容中。
发射装置，用于发射应力波，所述应力波通过所述能量收集装置收集的电能转换得到；
本实施例中的发射装置发射的应力波为正弦波，其将能量收集装置中存储电能的超级电容连接到正弦波发生芯片上，当超级电容中的电能存储充足时，超级电容会给沥青路内给发射装置、接收装置、无线数据传输模块供电。
接收装置，用于接收横向经过道路后的应力波，所述接收装置具有关于所述发射装置的预定空间关系；
本实施例将封装好的应力波发射装置连接到正弦波发生芯片输出端，由于逆压电效应，应力波发射装置产生振动。因封装好的应力波发射装置与沥青混凝土紧密接触，所以应力波发射装置的振动会产生应力波并在沥青混凝土中传播。当应力波传送到埋置在沥青混凝土路另一端的接收装置时，由于正压电效应，接收装置将振动的机械能转化为电能，得到相应的接收信号。接收装置的供电也是通过连接埋置在同一侧的能量收集装置实现的，为了更大程度获得准确的裂缝信息，接收装置连接电荷放大电路，使接收信号各参数特征更加明显。
其中，压电效应为：压电材料在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。
计算装置，用于对比接收的应力波和发射的应力波之间的差异，判断道路中是否存在裂缝及裂缝的大小；
本实施例利用发射装置发射应力波，通过沥青混凝土介质传播到接收装置，若发射装置与接收装置之间存在裂缝，则接收到的波形与沥青混凝土路健康状态下所接收到的波形会有幅值、接受时间等差异。
若存在裂缝且为严重裂缝时，通过接收应力波的幅值和发射应力波的幅值采用预定线性相关性来计算裂缝分别与发射装置和接收装置之间的距离，即可定位裂缝位置。
另外，计算装置接收到的发射应力波和接收应力波均通过无线数据传输模块进行传输。
本实施例中的计算装置为具有数据处理功能的任何处理器、控制器等，如fpga、单片机、arm等都可以作为计算装置。
能量收集装置包括第一能量收集装置和第二能量收集装置，且第一能量收集装置和第二能量收集装置对称设置在道路的两侧，其中发射装置与第一能量收集装置设置在道路的一侧，接收装置和第二能量收集装置设置在道路的另一侧。这样，接受装置接收到的应力波通过无线传输模块传输的到计算装置中，而发射应力波则是通过第二能量收集装置收集的能量通过应力波发生器传输至计算装置中。
当计算装置对接收应力波进行分析时，首先需要确认发射装置和接收装置之间有无裂缝。当将整个装置埋入沥青路时，应先对其进行第一次检测，因为首次使用时沥青路是完好无损的健康状态，所以可将第一接收到的应力波信号作为原始对比信号，也就是沥青路健康时的信号。而第一次检测时，接收到应力波信号的时间则为原始时间。如图4(a)为健康沥青路时接收到的信号，即原始信号，幅值为3.5v。
计算装置中对比接收的应力波和原始对比信号之间的差异，判断道路中是否存在裂缝及裂缝的大小，包括：
若接收应力波的幅值低于原始对比信号幅值的80％或接收应力波的时间超过原始时间的20％，则存在微型裂缝；如图4(b)为微型裂缝时接收到的应力波，幅值为2.8v。
若接收应力波的幅值低于原始对比信号幅值的60％或接收应力波的时间超过原始时间的40％，则存在中型裂缝；如图4(c)为中型裂缝时接收到的应力波，幅值为2.1v。
若接收应力波的幅值低于发射应力波幅值的30％或接收应力波的时间超过原始时间的70％，则存在严重裂缝。如图4(d)为严重裂缝时接收到的应力波，幅值为1.05v。
因此，只要接收波形幅值在2.8v-3.5v之间可判断其结构健康，无裂缝存在；接收波形幅值在2.1v-2.8v之间则判断其存在微型裂缝；接收波形幅值在1.05v-2.1v之间则判断存在中型裂缝；而低于1.05v时判断该路段存在严重裂缝，需要对其定位并及时采取修补措施。时间参数的判定和幅值的判定为同一方法。
若存在裂缝且为严重裂缝时，通过接收应力波的幅值和发射应力波的幅值采用预定线性相关性来计算裂缝分别与发射装置和接收装置之间的距离，包括：
接收装置包括第一接收装置和第二接收装置，第一接收装置与发射装置对称设置在道路的两侧，第二接收装置与发射装置设置在道路的同侧；
设第一接收装置和发射装置之间的中线为a，第二接收装置和发射装置之间的中线为b；
通过式(1)、(2)分别计算裂缝距离中线a和中线b的距离la和lb：
其中，a1、a2为发射装置应力波的幅值，b1为第一接收装置接收到应力波的幅值，b2为第二接收装置接收到应力波的幅值；
根据裂缝距离中线a和中线b的距离la和lb，定位裂缝的位置。
如图5所示为两个接收装置13、12以及一个发射装置11的定位系统，先让其中一对发射接收系统进行发射和接收信号，如接收装置12和发射装置11先进行工作，通过公式(1)找到裂缝分别距离11和12的距离，也就是距离中线a的距离，并将其标记出来，得到第一个标记点；再让另一对发射接收系统进行相同的工作，找到第二个标记点，两个标记点之间的交点14即为裂缝位置。
如图6(a)、(b)为第一个接收发射系统所接收到的信号，幅值均为0.85、图6(b)为第二个接收发射系统所接受到的信号，其中11接收到的幅值为1.02，13接收到的幅值为0.68，则通过上述公式，可得到裂缝的位置。