一種采用pvdf的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器的制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】的一種基于PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器。該壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器包括上蓋、底座、銅箔電極、硬質(zhì)塑料層和兩片PVDF壓電薄膜，所述的上殼和底座用16個(gè)M3的螺釘連接，用來(lái)給兩片PVDF壓電薄膜的預(yù)緊力，PVDF壓電薄膜表面粘貼銅箔作為電極并用導(dǎo)線引出，正極與兩片PVDF壓電薄膜中間電極連接，負(fù)極與傳感器的上殼和底座相連作為接地線。本實(shí)用新型是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高速公路車輛的動(dòng)態(tài)稱重。本實(shí)用新型剛度大、結(jié)構(gòu)扁平，因此僅需放置在道路表面，不用破壞路基結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、組裝方便、易于安裝和維護(hù)、稱重準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】—種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著交通量的增長(zhǎng)，人工收費(fèi)站經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因交費(fèi)而產(chǎn)生的堵車現(xiàn)象，早期的計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)均采用稱臺(tái)式稱重系統(tǒng)，這種方式的缺點(diǎn)是:
[0003]要求車輛絕對(duì)低速通行，容易造成排隊(duì)堵車現(xiàn)象；施工復(fù)雜，需要處理大量地基工程做排水系統(tǒng)，施工周期長(zhǎng)，難度大；框架結(jié)構(gòu)，維護(hù)量大，使用壽命短，傳感器精度衰減嚴(yán)重且受車速影響大等。
[0004]近年來(lái)，以彎板為代表的低速動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)正逐步取代稱臺(tái)式稱重系統(tǒng),成為計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)的主流技術(shù)。不足之處是通行速度需要限制在15km/h之內(nèi)，而且稱重精度易受其它橫切力、車懸架動(dòng)能、加減速、電磁波和溫差變化等干擾，并且也不能做到免維護(hù)。
[0005]自1969年日本的Kawai發(fā)現(xiàn)PVDF壓電薄膜具有較強(qiáng)的壓電性以后，幾十年來(lái)，人們對(duì)PVDF壓電薄膜的研究一直沒有中斷。PVDF壓電薄膜的主要優(yōu)點(diǎn)有:
[0006]1、壓電常數(shù)d比石英晶體高十多倍，作為傳感材料更重要的一個(gè)特征參數(shù)g的值比壓電陶瓷高20倍左右。
[0007]2、柔性和加工性能好,不易破碎,可制成5μηι到Imm厚度不等、形狀不同的大面積的薄膜，因此適于做大面積的傳感陣列器件。
[0008]3、聲阻抗低，僅為壓電陶瓷的1/10，它的聲阻抗與水和人體肌肉的聲阻抗很接近，并且柔順性好，與人體接觸安全舒適，因此用作水聽器和醫(yī)用儀器的傳感元件時(shí)，可不用阻抗變換器。
[0009]4、機(jī)械品質(zhì)因數(shù)低，阻尼小，密度低，由于PVDF壓電薄膜的柔韌性及其厚度方向伸縮振動(dòng)的諧振頻率很高，使得在很寬的頻率范圍內(nèi)有平坦的頻率響應(yīng)(室溫下在KT5-1O9Hz范圍內(nèi)響應(yīng)平坦)，能滿足車輛信號(hào)的頻率特性。
[0010]5、由于PVDF的分子結(jié)構(gòu)鏈中有氟原子，這使得它的化學(xué)穩(wěn)定性和耐疲勞性高，吸濕性低，并有良好的熱穩(wěn)定性，耐潮濕，耐多數(shù)化學(xué)品、氧化劑、強(qiáng)紫外線和核輻射。
[0011]6、高介電強(qiáng)度，可耐受強(qiáng)電場(chǎng)作用(75V/ μ m)，而此時(shí)大部分壓電陶瓷已退極化。
[0012]7、質(zhì)量輕，它的密度只是壓電陶瓷的1/4，做成傳感器對(duì)被測(cè)量的結(jié)構(gòu)影響小。
[0013]8、容易加工和安裝，可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)制定形狀。
[0014]我國(guó)早在60年代中期就開始了對(duì)PVDF壓電材料的研究。1977年，中國(guó)科學(xué)院上海化學(xué)研究所開始研制PVDF及其共聚物后，它的應(yīng)用日趨廣泛，幾乎涉及到所有領(lǐng)域:結(jié)合利用PVDF傳感器補(bǔ)償性的紅外檢測(cè)器，可以用來(lái)建立入侵警報(bào)、交通燈切換和自動(dòng)電梯等系統(tǒng)；在美國(guó)，聯(lián)邦交通管理局已考慮將PVDF用來(lái)記錄路面振動(dòng)情況，以便了解公路交通狀況；一種可以用來(lái)檢測(cè)石墨-環(huán)氧樹脂復(fù)合結(jié)構(gòu)缺陷的“便攜式自動(dòng)遠(yuǎn)程檢查系統(tǒng)”，關(guān)鍵元件是含1024個(gè)換能器的PVDF壓電薄膜；在建筑方面，PVDF壓電薄膜被用在如橋梁、大壩、房屋等大型建筑的測(cè)振減震上；在醫(yī)學(xué)上，目前至少有三家公司正在生產(chǎn)一種能夠用來(lái)防止嬰兒猝死的呼吸檢測(cè)器。
[0015]PVDF壓電薄膜電作為新興的壓電材料，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括工藝性好、機(jī)械性能強(qiáng)、工作溫度范圍寬、介電常數(shù)高等，這些優(yōu)點(diǎn)使它成為一種理想的換能器材料。用PVDF壓電薄膜制作的傳感器由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低等因素，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0016]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出一種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器，其特征在于，其結(jié)構(gòu)包括上殼1，底座2，銅箔電極4，硬質(zhì)塑料層5和兩片PVDF壓電薄膜3 ;所述上殼I和底座2由16個(gè)M3的螺釘10連接，用來(lái)給兩片PVDF壓電薄膜3提供預(yù)緊力，上殼I底部凸起8，底座2表面內(nèi)凹9，形成一個(gè)腔體用以放置兩片PVDF壓電薄膜3，上殼I上留有上溝槽6和底座2上留有下溝槽7作為正、負(fù)極導(dǎo)線的輸出端口 ；所述壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器內(nèi)部采用PVDF壓電薄膜3作為車輛動(dòng)態(tài)稱重的敏感材料，壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器結(jié)構(gòu)外形超薄，可埋設(shè)在駝峰式橡膠減速帶里，直接鋪設(shè)在道路表面使用，無(wú)需破壞道路結(jié)構(gòu)。
[0017]所述兩片PVDF壓電薄膜3以并聯(lián)的方式放置在上殼I和底座2組成的腔體內(nèi)，兩片PVDF壓電薄膜3表面粘貼銅箔4作為電極并用導(dǎo)線弓丨出，兩片PVDF壓電薄膜3的正極面由PVDF壓電薄膜之間的銅箔連接在一起，作為壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器的正電極11，兩片PVDF壓電薄膜3的負(fù)極面通過(guò)銅箔4與上殼I和底座2相連，作為壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器的負(fù)電極并接地線。
[0018]所述在兩片PVDF壓電薄膜3與上殼I和底座2之間分別加上一層硬質(zhì)塑料層5，為兩片PVDF壓電薄膜3提供預(yù)緊力，同時(shí)起到保護(hù)兩片PVDF壓電薄膜3的作用。
[0019]所述的車輛動(dòng)態(tài)稱重的敏感材料還可以選用壓電陶瓷薄膜、壓電聚合物材料、PVDF共聚物或壓電石英材料。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果是本發(fā)明的壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器具有足夠高的結(jié)構(gòu)剛度，且自身厚度Icm遠(yuǎn)小于駝峰式橡膠減速帶的厚度，可以安裝在減速帶內(nèi)部，安裝簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便，且減速帶對(duì)所述傳感器也有一定的保護(hù)作用。實(shí)際應(yīng)用中，為提高測(cè)量精度和獲得更多的車輛行駛信息，一般會(huì)沿著車輛行駛方向固定間隔，交錯(cuò)平行鋪設(shè)3?4條駝峰式橡膠減速帶。安裝施工時(shí)不需要破壞道路路基結(jié)構(gòu)，由于所述壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器缺點(diǎn)是所述的壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器后端信號(hào)采集受到環(huán)境干擾要大些，駝峰式橡膠減速帶由于車輪顛簸引起的干擾白噪音要較傳統(tǒng)安裝方法明顯，不過(guò)該問(wèn)題可以通過(guò)壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器后端帶通濾波等信號(hào)處理技術(shù)來(lái)解決。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為PVDF壓電薄膜布置示意圖。
[0023]圖3為本發(fā)明應(yīng)用在道路表面鋪設(shè)示意圖。
【具體實(shí)施方式】[0024]本實(shí)用新型提供了一種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器，下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0025]如圖1所示，其結(jié)構(gòu)包括上殼1，底座2，銅箔電極4，硬質(zhì)塑料層5和兩片PVDF壓電薄膜3 ;所述上殼I和底座2由16個(gè)M3的螺釘10連接，用來(lái)給兩片PVDF壓電薄膜3提供預(yù)緊力，上殼I底部凸起8，底座2表面內(nèi)凹9，形成一個(gè)腔體用以放置兩片PVDF壓電薄膜3，上殼I上留有上溝槽6和底座2上留有下溝槽7作為正、負(fù)極導(dǎo)線的輸出端口 ；所述在兩片PVDF壓電薄膜3與上殼I和底座2之間分別加上一層硬質(zhì)塑料層5，為兩片PVDF壓電薄膜3提供預(yù)緊力，同時(shí)起到保護(hù)兩片PVDF壓電薄膜3的作用，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，有利于傳感器豎向受力均衡，且上殼I端部凸起，有利于減少側(cè)邊分力。
[0026]所述壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器內(nèi)部采用PVDF壓電薄膜3作為車輛動(dòng)態(tài)稱重的敏感材料，所述敏感材料還可以選用壓電陶瓷薄膜、壓電聚合物材料、PVDF共聚物或壓電石英材料。壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器結(jié)構(gòu)外形超薄，可埋設(shè)在駝峰式橡膠減速帶里，直接鋪設(shè)在道路表面使用，無(wú)需破壞道路結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。
[0027]如圖2所示，所述兩片PVDF壓電薄膜3以并聯(lián)的方式放置在上殼I和底座2組成的腔體內(nèi)，兩片PVDF壓電薄膜3表面粘貼銅箔4作為電極并用導(dǎo)線弓丨出，兩片PVDF壓電薄膜3的正極面由PVDF壓電薄膜之間的銅箔連接在一起，作為壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器的正電極11，兩片PVDF壓電薄膜3的負(fù)極面通過(guò)銅箔4與上殼I和底座2相連，作為壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器的負(fù)電極并接地線。
[0028]安裝方法一:在垂直于公路的方向上，挖出大小合適的溝槽，然后，將傳感器底座朝下，固定在所述溝槽內(nèi)。為盡量消除或減少水平力的影響，以獲得高質(zhì)量的信號(hào)脈沖形狀和可重復(fù)的測(cè)量結(jié)果，在將所述傳感器埋入地面時(shí)，采用窄條柔軟泡沫圍繞上部整個(gè)周邊，將稱重傳感器與水平力隔離。利用稱重傳感器內(nèi)部的溝槽從中間引出低噪聲的同軸電纜，接入與其配套的動(dòng)態(tài)稱重電路就可實(shí)現(xiàn)公路車輛動(dòng)態(tài)稱重。此安裝方法的優(yōu)點(diǎn)是道路路基對(duì)所埋入的傳感器起到一定的保護(hù)作用，減緩了車輛反復(fù)碾壓造成的物理性破壞，延緩了傳感器的使用壽命。缺點(diǎn)是安裝施工量大，不便于后期維護(hù)，對(duì)路基有局部破壞作用。
[0029]安裝方法二:本實(shí)用新型所述傳感器的外形尺寸通常小于IOcmX6cmX Icm，將所述的傳感器根據(jù)車道寬度，4以上的偶數(shù)個(gè)一組串聯(lián)埋設(shè)到車道表面鋪設(shè)的8?15cm高度的駝峰式橡膠減速帶里(如圖3所示的本實(shí)用新型應(yīng)用實(shí)施例在道路表面鋪設(shè)示意圖。實(shí)際應(yīng)用中，為提高測(cè)量精度和獲得更多的車輛行駛信息，一般會(huì)沿著車輛行駛方向固定間隔，交錯(cuò)平行鋪設(shè)3?4條駝峰式橡膠減速帶。不需要破壞道路路基結(jié)構(gòu)，由于所述傳感器具有足夠高的結(jié)構(gòu)剛度，且自身厚度Icm遠(yuǎn)小于駝峰式橡膠減速帶的厚度，可以安裝在減速帶內(nèi)部，安裝簡(jiǎn)單，后期維護(hù)方便，且減速帶對(duì)所述傳感器也有一定的保護(hù)作用。缺點(diǎn)是所述的傳感器后端信號(hào)采集受到環(huán)境干擾要大些，駝峰式橡膠減速帶由于車輪顛簸引起的干擾白噪音要較傳統(tǒng)安裝方法I明顯，不過(guò)該問(wèn)題可以通過(guò)所述傳感器后端帶通濾波等信號(hào)處理技術(shù)來(lái)解決，可提高動(dòng)態(tài)稱重的準(zhǔn)確度。
[0030]所述正壓電效應(yīng)，是指壓電材料受到外力作用發(fā)生形變時(shí)，會(huì)引起晶體內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生電極化，從而導(dǎo)致其兩個(gè)相對(duì)表面(極化面)上出現(xiàn)符號(hào)相反且與外力成比例的束縛電荷；外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)；當(dāng)作用力的方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量的多少與外力的大小成正比。
【權(quán)利要求】
1.一種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器，其特征在于，其結(jié)構(gòu)包括上殼(1)，底座(2 )，銅箔電極(4 )，硬質(zhì)塑料層(5 )和兩片PVDF壓電薄膜(3 );所述上殼(I)和底座(2 )由16個(gè)M3的螺釘(10 )連接，上殼(I)底部凸起(8 )，底座(2 )表面內(nèi)凹(9 )，形成一個(gè)腔體用以放置兩片PVDF壓電薄膜(3)，上殼(I)上留有上溝槽(6)和底座(2)上留有下溝槽(7)作為正、負(fù)極導(dǎo)線的輸出端口 ；所述壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器內(nèi)部采用PVDF壓電薄膜(3)作為車輛動(dòng)態(tài)稱重的敏感材料，壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器結(jié)構(gòu)外形超薄，可埋設(shè)在駝峰式橡膠減速帶里，直接鋪設(shè)在道路表面使用，無(wú)需破壞道路結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器，其特征在于，所述兩片PVDF壓電薄膜(3)以并聯(lián)的方式放置在上殼(I)和底座(2)組成的腔體內(nèi)，兩片PVDF壓電薄膜(3)表面粘貼銅箔(4)作為電極并用導(dǎo)線引出，兩片PVDF壓電薄膜(3)的正極面由PVDF壓電薄膜之間的銅箔連接在一起，作為壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器的正電極(11)，兩片PVDF壓電薄膜(3)的負(fù)極面通過(guò)銅箔(4)與上殼(I)和底座(2)相連，作為壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器的負(fù)電極并接地線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器，其特征在于，在兩片PVDF壓電薄膜(3)與上殼(I)和底座(2)之間分別加上一層硬質(zhì)塑料層(5)，為兩片PVDF壓電薄膜(3)提供預(yù)緊力，同時(shí)起到保護(hù)兩片PVDF壓電薄膜(3)的作用。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種采用PVDF的高速公路壓電動(dòng)態(tài)稱重傳感器，其特征在于，所述的車輛動(dòng)態(tài)稱重的敏感材料還可以選用壓電陶瓷薄膜、壓電聚合物材料、PVDF共聚物或壓電石英材料。
【文檔編號(hào)】G01G19/03GK203519128SQ201320627939
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月11日
【發(fā)明者】褚祥誠(chéng), 徐亞楠, 王林, 王海名 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 天津銘銳創(chuàng)科技有限公司