一种基于偏轴极化压电效应的道路轴载监测系统和方法

本发明涉及公路交通监测与智能交通系统，具体公开了一种基于偏轴极化压电效应的道路轴载监测系统和方法。

背景技术：

1、实施交通荷载的精准监测是实现智慧公路、超载治理和基础设施数字孪生的基础。现有技术中的路面动态称重和轴载监测方案主要包括以下两类：第一类为传统的弯板式和石英晶体式动态称重系统（weigh-in-motion, wim）。该类系统虽然测量精度较高，但其传感器和配套的数据采集设备依赖市电或大容量电池供电，需要在公路沿线敷设供电线缆和数据传输线缆，施工成本高、施工过程对路面结构造成较大破坏，且后期线缆和供电设备的维护困难，难以在已通车路段进行大规模部署。第二类为近年来出现的基于普通压电材料的轴载检测器，例如压电电缆传感器和单层压电陶瓷片传感器。该类传感器的优势在于结构相对简单、成本较低且不需要外部供电线路，但其在实际工程应用中普遍存在以下技术缺陷：常规压电传感器采用轴向极化（极化方向与受力方向平行），虽然输出电压高，但机械耦合品质因数较低，在动态重载下容易因内应力集中而脆裂，导致传感器寿命远低于路面寿命。现有技术多基于时域峰值或简单积分进行轴载估算，忽略了车辆-路面耦合作用的非线性动态特征，导致对复杂轴型（如双联轴、三联轴）的识别准确率骤降，尤其在车辆变速行驶时误差显著增加。多数研究停留在“能量收集”或“感知”单项功能，缺乏将能量管理与智能信号处理深度集成的系统级设计，无法实现真正的免维护长期部署。

2、有鉴于此，本发明提供了一种基于偏轴极化压电效应的道路轴载监测系统和方法，在轴载检测时兼具高灵敏度、高耐久性、能够自适应提取非线性特征并实现电能自平衡。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于偏轴极化压电效应的道路轴载监测系统和方法，解决的问题：如何在轴载检测时兼具高灵敏度、高耐久性、能够自适应提取非线性特征并实现电能自平衡；具体方案如下：

2、一种基于偏轴极化压电效应的道路轴载监测系统，包括至少一个压电传感单元、信号处理微系统、供电管理电路和无线通信单元：所述压电传感单元埋设于道路路面结构层内；压电传感单元包含具有偏轴极化特性的压电材料，压电材料的剩余极化矢量方向与其受力方向之间具有预设夹角，用于将车辆荷载产生的机械应力通过偏轴极化压电效应转换为电信号；所述信号处理微系统和压电传感单元的输出端电连接，用于采集电信号并进行信号处理，基于处理后的信号和预设的荷载-电压对应关系，确定轴载信息；所述供电管理电路的输入端与压电传感单元的输出端电连接，其输出端和信号处理微系统的供电端电连接；供电管理电路用于将压电传感单元产生的部分电能进行整流、稳压和分配，为信号处理微系统供电，并将盈余电能存储于储能元件中；所述无线通信单元和信号处理微系统的数据输出端电连接，用于将轴载信息发送至云端数据中心。

3、进一步的，所述压电传感单元包括压电-聚合物复合功能体、上电极层和下电极层：所述压电-聚合物复合功能体由压电陶瓷纤维和环氧树脂基体复合而成，通过偏轴极化工艺处理形成压电-聚合物复合功能体的剩余极化矢量方向；所述上电极层设置于压电-聚合物复合功能体的上表面；所述下电极层设置于压电-聚合物复合功能体的下表面。

4、进一步的，所述信号处理微系统包括电荷放大单元、模数转换单元和嵌入式边缘计算单元：所述电荷放大单元用于对电信号进行放大和滤波处理；所述模数转换单元与电荷放大单元的输出端电连接，用于将处理后的电信号转换为数字信号；所述嵌入式边缘计算单元与模数转换单元的输出端电连接，内部固化有时频特征提取算法和预先训练好的分类模型；所述时频特征提取算法用于对数字信号进行时频分解和特征提取，得到包含瞬时频率和能量分布的特征向量；所述分类模型用于根据提取到的特征向量识别轴载类型和轴载量值。

5、进一步的，所述供电管理电路包括整流-升压管理电路、电压调节电路和储能元件；所述整流-升压管理电路的输入端与压电传感单元的输出端电连接，用于将压电传感单元产生的交流电转换为直流电；所述电压调节电路与整流-升压管理电路的输出端电连接，用于将整流后得到的直流电的电压稳定供给信号处理微系统和无线通信单元；所述储能元件与电压调节电路的输出端电连接，用于存储盈余电能。

6、本发明还提供一种基于偏轴极化压电效应的道路轴载监测方法，应用于上述任一项所述的基于偏轴极化压电效应的道路轴载监测系统，包括：步骤1：利用压电传感单元感知车辆荷载，通过偏轴极化压电效应将机械应力转换为电信号；所述压电传感单元中压电材料的剩余极化矢量方向与其受力方向之间具有预设夹角；步骤2：采集电信号并进行信号处理，得到处理后的信号；步骤3：基于处理后的信号确定轴载信息；所述轴载信息包括车辆的轴数、轴组类型及轴载等级。

7、进一步的，所述压电传感单元中压电材料的剩余极化矢量方向与其受力方向之间的预设夹角通过偏轴极化工艺实现，包括：步骤11：将压电材料加热至极化温度；所述极化温度为110℃~140℃；步骤12：对压电材料施加具有预设方向的外部强电场，使压电材料沿该预定方向发生极化；所述极化电场强度为2.5kv/mm~4.0kv/mm；所述极化时间为20min~40min；步骤13：将压电材料冷却至室温，使剩余极化矢量沿预设方向固定，从而与压电传感单元的实际受力方向之间形成预设夹角。

8、进一步的，所述预设夹角的取值范围为30°至60°。

9、进一步的，所述步骤2，包括：步骤21：对采集到的电信号进行电荷放大和滤波处理，得到处理后的电信号；步骤22：对处理后的电信号进行模数转换，得到数字信号；步骤23：对数字信号进行时频分解，得到多个模态分量；步骤24：从多个模态分量中提取特征参数，构成特征向量；步骤25：将特征向量输入预先训练好的分类模型，识别车辆轴载类型和轴载量值。

10、进一步的，所述得到多个模态分量为：通过变分模态分解算法将数字信号自适应地分解为多个具有不同中心频率的本征模态函数分量；每个所述本征模态函数分量代表信号在不同频率尺度下的振荡模式；所述构成特征向量为：从分解得到的各本征模态函数分量中提取瞬时幅值与中心频率，构建多维特征相空间作为特征向量；所述分类模型为一维卷积神经网络，依次包括输入层、第一卷积层、第一池化层、第二卷积层、第二池化层、展平层、全连接层和softmax输出层；所述第一卷积层具有32个3×1卷积核；所述第二卷积层具有64个3×1卷积核；所述全连接层具有64个神经元。

11、进一步的，所述压电传感单元中的压电材料由压电陶瓷纤维和环氧树脂复合而成。

12、本发明具有如下优点和有益效果：

13、本发明打破压电传感器轴向极化的常规设计，采用偏轴极化（特定角度，如45°），使压电复合功能体在承受垂直轮载时产生剪切与压缩的复合应力模式，不仅显著提升了动态电荷输出灵敏度，而且改变了内部应力分布路径，大幅提高了抗疲劳断裂能力。

14、本发明引入变分模态分解这一先进的自适应信号处理方法，将复杂的轴载信号分解为具有明确物理意义的窄带本征模态函数，提取瞬时频率和能量熵作为特征，解决了传统时域特征在变速、多轴干扰下鲁棒性差的问题。

15、本发明设计了具备宽输入范围整流-升压管理电路和微型固态锂电容的复合储能单元，并结合系统级的能耗管理策略，首次实现了压电路面传感器从“毫瓦级瞬时输出”到“微瓦级长期自维持”的跨越。