一种适用于智能路面的高敏感度应力感知骨料的制作方法

本实用新型属于智能路面自感知与路面性能监测技术领域，具体涉及一种适用于智能路面的高敏感度应力感知骨料。

背景技术：

智能路面是未来道路建设技术重要发展方向，是智慧交通功能实现的基础。近年来，通过传感器赋能使得高等级公路智能化已经获得业内广泛关注。相比传统的传感器，智能骨料具有良好的兼容性，在不影响路面结构整体性的同时具有对路面力学性能以及其他服役性能变化进行监测的能力。沥青混合料作为一种多相颗粒体系，在行车荷载作用下，其应力传递规律以及内部颗粒受力模式十分复杂。

在沥青混合料路面结构内部，集料颗粒之间的接触情况分为点-点接触，多点接触，点-面接触，面-面接触以及不接触等状态，目前，实验室内的智能骨料并不能精确区分这些接触效应，无法准确分析颗粒受力模式以及应力传播规律，也就是说，现有技术中的骨料测量到的应力应变与其实际受力情况存在差异。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本实用新型提供了一种适用于智能路面的高敏感度应力感知骨料，能精确区分集料颗粒间的接触效应，准确分析颗粒受力模式以及应力传播规律。

为了解决上述技术问题，本实用新型通过以下技术方案予以实现：

一种适用于智能路面的高敏感度应力感知骨料，包括外壳体，所述外壳体内匹配设置有球形应力感知层，所述球形应力感知层的外表面均布阵列有若干压电片，所述球形应力感知层内匹配设置有内保护壳体，所述内保护壳体内设置有功能封装体，所述功能封装体内设置有中央处理器、信号传输模块和电源模块，每个所述压电片与所述中央处理器电连接，所述中央处理器与所述信号传输模块电连接，所述电源模块与所述中央处理器和所述信号传输模块电连接，所述中央处理器用于将压电片的电信号转换为应力信息，所述信号传输模块用于将所述应力信息发送给外部信息接收装置。

进一步地，所述球形应力感知层由若干类似椭圆形的分片组成，每个类似椭圆形的所述分片上沿长轴方向均布设置有若干压电片。

进一步地，所述球形应力感知层由十二个类似椭圆形的所述分片组成，相邻两个类似椭圆形的所述分片的长轴之间形成的夹角为60°；每个类似椭圆形的所述分片上沿长轴方向均布设置有三个压电片，且每个类似椭圆形的所述分片上相邻两个压电片到球心连线的夹角为30°。

进一步地，所述功能封装体内还设置有温度传感器，所述温度传感器与所述中央处理器电连接，所述信号传输模块还用于将所述温度传感器监测的温度信息发送给外部信息接收装置。

进一步地，所述功能封装体内还设置有集能装置，所述集能装置与所述中央处理器和所述电源模块电连接，所述集能装置用于储存压电片转换的电能；当所述中央处理器监测到所述电源模块的电量低于预设的电量阈值时，所述中央处理器控制所述集能装置给所述电源模块充电。

进一步地，所述功能封装体内通过灌封材料将所述集能装置、所述中央处理器、信号传输模块、电源模块和所述温度传感器灌封。

进一步地，所述球形应力感知层的内表面与所述内保护壳体之间涂覆有环氧树脂，所述球形应力感知层的外表面与所述外壳体之间涂覆有环氧树脂。

进一步地，所述信号传输模块与外部信息接收装置通过蓝牙传输信息。

进一步地，所述球形应力感知层采用柔性电子材料制作。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：本实用新型提供的一种适用于智能路面的高敏感度应力感知骨料，骨料内部的应力感知层为球形结构，球壳表面均布大量的压电片，这些丰富的压电片阵列按照空间位置编码。球形结构作为基础，其表面阵列分散的压电片可以对骨料表面的接触点位置以及接触力大小进行逐个感知，可以准确采集、定位并区分骨料表面与其他相邻集料颗粒接触时产生的点-点接触、点-面接触、线-面接触、面-面接触以及非接触等情况。该感知骨料对于骨料表面接触以及非接触状态同时的准确感知突破了传统感知骨料的三维应力应变感知的局限性。该骨料可随混合料共同施工(摊铺及碾压)，若骨料在压实作用下处于空隙位置附近，球形应力感知层表面的部分压电片的数据由于相邻颗粒挤压而产生数据，空隙处的压电片则不产生数据，如果空隙结构发生变化(对于路面而言，即裂缝的产生与发展)，这种功能利于感知骨料对沥青混合料路面裂缝发展的感知与定位，准确把握沥青路面裂缝的产生与扩展。

进一步地，球形应力感知层由十二个类似椭圆形的分片组成，相邻两个类似椭圆形的分片的长轴之间形成的夹角为60°；每个类似椭圆形的分片上沿长轴方向均布设置有三个压电片，相邻两个压电片到球心连线的夹角为30°。球形应力感知层上感知的应力应变状况通过中央处理器记录并解析，从而获得36个应力应变状况，结合空间坐标以及相应编号，可对36个应力应变进行矢量计算，从而获得颗粒表面的受力情况和合力方向。一方面，这对于颗粒的受力模式以及力链的实际捕捉意义重大，有效补充混合料颗粒研究领域颗粒受力机制以及应力传播规律研究的空白，将一直以来只能通过室内模拟进行机理探索的情况在真实路面条件下进行实现。另一方面，对于多相颗粒体系的沥青混凝土而言，这将突破其他类型传感器在空隙处，尤其是对路面裂缝处的感知能力的局限性，由于应力感知层球壳表面丰富均布的压电片，这将显著提升颗粒应力应变感知能力的敏感性和精确度。

进一步地，研究表明，基于压电效应的应力测量与温度相关性显著，而沥青路面内部的年温度变化范围较大，十分有必要实时掌握颗粒进行数据采集时的温度，同时反映路面温度，本实用新型在功能封装体内还设置有温度传感器，温度传感器与中央处理器电连接，温度传感器获取骨料内部以及路面结构的温度信息，信号传输模块将温度传感器监测的温度信息发送给外部信息接收装置，从而实现应力应变计算的精确修正，对沥青路面长期的力学性能以及服役状况进行实时监测，这对于路面凝冰风险预警具有重要意义。

进一步地，本实用新型在功能封装体内设置有集能装置，集能装置与中央处理器和电源模块电连接，集能装置用于储存压电片转换的电能；当中央处理器监测到电源模块的电量低于预设的电量阈值时，中央处理器控制集能装置给电源模块充电，这样的设计，解决了了骨料能源供给的问题，能源持续供给，自给自足，实现自俘能-自充电，大大提高了骨料的服役寿命。

进一步地，功能封装体内通过灌封材料将集能装置、中央处理器、信号传输模块、电源模块和温度传感器灌封，灌封大大提高了集能装置、中央处理器、信号传输模块、电源模块和温度传感器的稳定性，防止因震动造成电路故障问题发生。

进一步地，球形应力感知层的内表面与内保护壳体之间涂覆有环氧树脂，球形应力感知层的外表面与外壳体之间涂覆有环氧树脂，大大提高了球形应力感知层与内保护壳体以及外壳体结合的紧密程度。

进一步地，信号传输模块与外部信息接收装置通过蓝牙传输信息，实现采集数据的实时无线传输。

进一步地，球形应力感知层采用柔性电子材料制作，具有良好弯曲度和协从性，贴合在内保护壳体以及外壳体之间，贴合密实。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型一种适用于智能路面的高敏感度应力感知骨料的剖面图；

图2为球形应力感知层的三维图；

图3为球形应力感知层的侧视图；

图4为球形应力感知层的俯视图；

图5为球形应力感知层分片的展开图；

图6为球形应力感知层的剖视图；

图7为实施例中编号2602压电片在频率为0.1hz动态荷载下的应力采集数据；

图8为实施例中编号2702压电片在频率为0.1hz动态荷载下的应力采集数据；

图9为实施例中编号2203压电片在频率为0.5hz动态荷载下的应力采集数据；

图10为实施例中高敏感度应力感知骨料的温度采集数据。

图中：1-外壳体；2-球形应力感知层；3-内保护壳体；4-导线；5-功能封装体；6-集能装置；7-中央处理器；8-信号传输模块；9-电源模块；10-温度传感器；21-第一分片；22-第二分片；23-第三分片；24-第四分片；25-第五分片；26-第六分片；27-第七分片；28-第八分片；29-第九分片；210-第十分片；211-第十一分片；212-第十二分片；2101-第一分片的一号压电片；2102-第一分片的二号压电片；2103-第一分片的三号压电片；21201-第十二分片的一号压电片；21202-第十二分片的二号压电片；21203-第十二分片的三号压电片。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，作为本实用新型的某一具体实施方式，一种适用于智能路面的高敏感度应力感知骨料，包括外壳体1、球形应力感知层2、内保护壳体3、导线4、功能封装体5、集能装置6、中央处理器7、信号传输模块8、电源模块9和温度传感器10。外壳体1和内保护壳体3采用耐高温树脂材料，通过3d打印技术制成，外壳体1根据实际骨料的形状进行打印制备，外壳体1的内表面和内保护壳体3的外表面成圆球形状，外壳体1内匹配设置有球形应力感知层2，球形应力感知层2的外表面均布阵列有若干按照空间位置编码的压电片，球形应力感知层2内匹配设置有内保护壳体3，内保护壳体3内设置有功能封装体5。为提升应力感知骨料的整体稳定性，内保护壳体3打印完成包裹功能封装体5后，在球形应力感知层2的内表面与内保护壳体3之间涂覆有环氧树脂，在球形应力感知层2的外表面与外壳体1之间涂覆有环氧树脂，即球形应力感知层2的两面涂抹环氧树脂，使得球形应力感知层2与外壳体1和内保护壳体3结合紧密。

如图1所示，功能封装体5内设置有集能装置6、中央处理器7、信号传输模块8、电源模块9和温度传感器10，每个压电片与中央处理器7通过导线4电连接，中央处理器7与信号传输模块8通过导线4电连接，温度传感器10与中央处理器7通过导线4电连接，集能装置6与中央处理器7和电源模块9通过导线4电连接。优选的，功能封装体5内通过灌封材料(如环氧树脂)将集能装置6、中央处理器7、信号传输模块8、电源模块9和温度传感器10灌封。

电源模块9给中央处理器7、信号传输模块8和温度传感器10提供电源，电源模块9为蓄电池。

中央处理器7用于将压电片的电信号转换为应力信息，信号传输模块8用于将应力信息发送给外部信息接收装置，本实施例中，中央处理器7的型号为stm32f103。具体的说，压电片经过极化处理后具有正压电效应，可以实现机械能到电能的转化，将电能储存于集能装置6中，同时转化的电能经过中央处理器7时可以被解析成电信号，该电信号与机械力大小正相关，通过进一步解析，可以对该压电片受到的应力应变进行反算，经过解析的信号通过信号传输模块8与外界的信号接收装置建立联系，从而实现应力应变的监测。

温度传感器10能够实时感应骨料内部以及路面结构内部的温度，温度信号经过中央处理器7后通过信号传输模块8输出到外部信息接收装置。结合该温度数据，可提高应力应变计算的精确度，并对路面的低温凝冰风险进行监控。

信号传输模块8采用蓝牙传输技术，即信号传输模块8与外部信息接收装置通过蓝牙传输信息，外界的信号接收装置可采用5g技术与远程监控中心建立联系，实现远程操控。

压电片收集的能量通过集能装置6进行收集，也就是说，集能装置6用于储存压电片转换的电能；当中央处理器7监测到电源模块9的电量低于预设的电量阈值时，中央处理器7控制集能装置6给电源模块9充电。本实施例中，电源模块9初次安装时储存一定的电量，当电量消耗到一定程度时，本实施例设定阈值为20％，可主动接受集能装置6的电量补充，实现应力感知骨料的自俘能-自充电功能。

作为本实用新型的某一优选实施方式，内保护壳体3内部呈现方体结构，与功能封装体5体积大小一致；内保护壳体3外部呈现球体，该球体直径根据颗粒大小需求定制，并与球形应力感知层2的球壳的内径一致。

球形应力感知层2采用柔性电子材料制作。球形应力感知层2由若干类似椭圆形的分片组成，每个类似椭圆形的分片上沿长轴方向均布设置有若干压电片。本实施例中，球形应力感知层2由十二个类似椭圆形的分片组成，相邻两个类似椭圆形的分片的长轴形成的夹角为60°；每个类似椭圆形的分片上沿长轴方向均布设置有三个压电片，相邻两个压电片到球心连线的夹角为30°。

具体的说，结合图2、图3、图4和图5所示，球形应力感知层2由12片应力感知层分片组成，并依次编号21-212，即由第一分片21、第二分片22、第三分片23、第四分片24、第五分片25、第六分片26、第七分片27、第八分片28、第九分片29、第十分片210、第十一分片211和第十二分片212拼接组成。每片分片上均布3个压电片，每片分片上的压电片均分别编号为01、02和03，整个球形应力感知层2的球壳上均布36个压电片，结合应力感知层分片的编号，球形应力感知层2上压电片的编号为分片编号+压电片编号，从而实现每一个压电片的空间编号，如2101代表第一分片的一号压电片，2102代表第一分片的二号压电片，2103代表第一分片的三号压电片；以此规律，21201代表第十二分片的一号压电片，21202代表第十二分片的二号压电片，21203代表第十二分片的三号压电片。

相邻的两个应力感知层分片之间的夹角为30°，两个正对的分片的长轴连线组成正圆，比如，第一分片21对应第十二分片212，第二分片22对应第十一分片211，以此类推。两个正对的分片组成的正圆上均布6个压电片，这6个压电片六等分该正圆，每两个相邻的压电片与圆心连线的夹角为60°。

本实施例中每一个压电片具有编号，相应压电片的信号经过中央处理器7记录和解析，通过信号传输模块8输出到外界的信号接收装置，外界的信号接收装置通过5g技术与远端监控中心建立联系。每一个压电片采集的应力应变信号可根据空间位置利用计算机进行颗粒的受力矢量计算。

为了更好地解释说明本实用新型技术方案所带来的的技术效果，下面结合具体试验案列进行说明。

在实验室内进行了初步验证，将本实用新型的骨料置于混合料试件内部后，在试件上加载竖向动态荷载。施加荷载的频率为0.1h条件下，随机读取了球形应力感知层两个压电片的电信号输出情况，通过中央处理器解析后，图7和图8分别提供了第六分片的二号压电片2602和第七分片的二号压电片2702压电片输出的电信号解析结果，图中实线为试验机施加的正弦波荷载，虚线应力感知骨料采集到的实时应力，两者具有一致的应力变化频率，表明本实用新型的骨料能够成功感知颗粒表面相应压电片结构由于受到其他颗粒接触作用而产生的应力应变；在外部施加荷载振幅固定的条件下，颗粒感知应力变化幅度的波动表明相应压电片受到的接触力的大小变化；结合图7和图8可以看出，在相同的作用时刻(即相同的施加应力下)不同位置的压电片采集到的应力大小不同，这是由于应力感知颗粒周围分布的集料接触形式以及接触力大小不同导致，这表明本实用新型的应力感知颗粒能够准确采集其周围集料的接触作用，体现了其较高的应力敏感性，能够实现颗粒与其他集料颗粒接触形式、接触力大小的精确感知，结合其空间位置，可进一步对这些接触力进行矢量分析。改变施加荷载的频率为0.5hz后，图9显示了第二分片的三号压电片2203压电片的输出信号解析结果，在提高施加荷载的作用频率的条件下，压电片采集到的感知应力变化频率仍然能与施加荷载的作用频率保持一致，体现了本实用新型应力感知骨料就有较高的敏感性。实际情况下，路面行车荷载的大小以及行车速度变化较为复杂，作用在路面结构上时表现出不同的应力大小和频率，本实用新型骨料的感知精度可满足准确感知实际的行车荷载在路面内部产生的应力响应。

将骨料置于混合料试件内部并放在温度为105℃的烘箱内，骨料经历一个从常温到高温的环境变化，图10显示了骨料采集的温度变化情况，在0-5min内，颗粒感知到的温度显著增大；随着时间的发展，温度感知速率略有下降，12分钟左右，应力感知骨料可以达到目标环境温度。由此可见，本实用新型的应力感知骨料能够实现工作环境的温度精确感知和输出。在道路服役阶段，路面结构内部环境温度年温差高达几十摄氏度，本实用新型的应力感知骨料对温度的精确感知不但能够修正应力感知数据，进一步提高其精度，而且能够监测路面温度变化，对于路面低温凝冰风险的预判具有重大意义。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

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