基于PVDF的新型高速公路压电动态称重传感器.docx

第33卷第3期 振动、测试与诊断 第33卷第3期 振动、测试与诊断 V01．33 No．3 2013年6月 Journal of Vibration。MeasurementDiagnosis Jun．2013 ．．专家论坛◆ 基于PVDF的新型高速公路压电动态称重传感器’ 褚祥诚1， 徐亚楠1， 袁松梅2， 王 林1， 刘 明2， 李龙土1 (1．清华大学新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室北京，100084) (2．北京航空航天大学机械工程及自动化学院 北京，100083) 摘要针对高速公路车辆超载严重的问题，提出了一种以压电薄膜聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride，简称 PVDF)为敏感元件的新型高速公路压电动态称重传感器。分析了该新型传感器的工作原理，采用有限元分析软件 ANSYS建立了传感器的机一电耦合模型，模拟得出了单片PVDF、双片PVDF串／爿F联情况下产生的电荷量。针对 该传感器设计了一种简单调理电路，使PVDF的高阻抗输出变为低阻抗输出，并对所采集的电信号进行有效的放 大。为验证该压电传感器方案设计的可行性，进行了室内试验和小型乘用车现场动态实测。试验结果表明，压电 传感器具有较高的灵敏度，可以对车重进行实时检测和数据分析。 关键词 压电传感器；聚偏二氟乙烯(PVDF)；动态称重；高速公路 中图分类号TP212．12；TH71 中的各种干扰也未作深人分析，故检测精度不高。 引 言 因此，研究开发精度高、稳定性好的动态称重传感器 必将为公路运营部门治理超限超载和实施计重收费 近年来，我国的公路事业取得了长足发展，公路 提供有效的技术手段。 总里程迅猛增长。交通运输业的发展对国民经济建 压电薄膜聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluor— 设起到了积极的推动作用，但是公路运输车辆超限 ide，简称PVDF)是一种柔软的压电材料，自1969 超载的现象也较为普遍。车辆超限超载运输对道 年日本的Kawai发现其具有压电性以后，几十年 路、交通安全、运输市场及汽车生产秩序造成了极大 来，人们对PVDF薄膜的研究一直没有中断。我国 的危害[1]。作为遏制超限超载的一种手段，货运车 早在60年代中期就开始了对PVDF压电材料的研 辆经过收费站时，要对其进行计重收费。自从2000 究。1977年，中国科学院上海化学研究所开始研制 年以来，国内多个省份开展了一系列的治理工作，并 PVDF及其共聚物后，它的应用日趋广泛，几乎涉及 在高速公路上应用了动态称重系统(weigh in mo— 到所有领域[3]。结合利用PVDF传感器补偿性的 红外检测器，可以用来建立入侵警报、交通灯切换和 tion，简称WIM)[2]，其核心部件就是称重传感器。 自动电梯监测等系统。在美国，联邦交通管理局已 用于公路超载快速检测的传感器最早源于20世纪 考虑将PVDF用来记录路面振动情况，以便了解公 60年代对动态力测试的技术。20世纪90年代，由 路交通状况。一种可以用来检测石墨一环氧树脂复 于公路车辆超限超载问题严重，使这类传感器在公 合结构缺陷[4]的“便携式自动远程检查系统”，关键 路车辆轴载超载预判、桥梁超载报警和轴载动态称 元件就是含有1 024个换能器的PVDF压电薄膜。 重中的应用得到快速发展。瑞士Kistler(奇石乐) 在建筑方面，PVDF压电薄膜被用在桥梁、大坝、房 公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元 屋等大型建筑的测振减震上；在医学[51方面，已有采 件的工字梁型动态称重传感器，用于公路车辆轴载 用PVDF材料用来防止婴儿猝死的呼吸检测器。 超载预判、隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的 通过以上分析可知，PVDF压电薄膜电作为新兴 应用效果。由于我国研究起步晚，压电传感器研究 的压电材料，具有诸多优点，包括工艺性好、耐腐蚀、 与应用落后于世界先进水平，对车辆动态称重过程 机械性能强、工作温度范围宽、介电常数高等，这些优 精细陶瓷北京市重点实验室开放课题资助项目；国家自然科学基金资助项目；北京市自然科学基金资助项 目(3102018) 收稿日期：2013一01—10；修改稿收到日期：2013—02—20 万方数据 振动、测试与诊断 第33卷 振动、测试与诊断 第33卷 点使它成为一种理想的换能器或传感器材料。用 硬质塑料 PVDF制作的传感器由于结构简单、制作方便、成本 低等因素，被广泛应用于各个领域[6]。基于以上分 析，笔者选择PVDF作为压电动态称重传感器的压电 材料，目标设计一种精度高、稳定性好的动态称重传 感器。同时，该传感器不同于已有的压电公路传感器 必须埋设在道路结构中，而是一种高刚度的扁平结