CN101586945A - 沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法 - Google Patents

Abstract

沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法，它涉及一种传感器的标定方法。本发明解决了现有的沥青路面用传感器标定方法没有考虑传感器自身的存在对被测沥青路面材料应变的影响、致使修正后的数值无法反应实际应变的动态本质、被测材料的粘弹特性问题。本方法的主要步骤为：光纤光栅应变传感器的植入与沥青混合料成型、外接高精度位移计的安装、光纤光栅应变传感器实测数据的采集、高精度位移计的测得数据的采集、光纤光栅应变传感器数据的标定。本发明的优点在于将传感器植入圆柱体试件中，通过外界高精度位移传感器数据计算得到的应变修正植入的光纤光栅应变传感器的采集数据。

Description

沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法

技术领域

本发明涉及一种沥青路面用传感器的标定方法，具体涉及一种沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法。

背景技术

目前，我国没有标准的沥青路面用光纤光栅应变传感器标定方法，可查文献中的两种方法如下：一是进行室内传感器自身的标定，主要的做法是直接施加压力或拉力于传感器，以外界高精度位移计测得位移所计算的应变作为标准，修正传感器测得数据；另外一种方法是将传感器植入环氧树脂或沥青混合料梁中，逐级施加静态位移荷载，得到传感器的实测应变；基于小变形纯弹性梁的假设，根据挠度和梁几何尺寸计算得到理论应变，以此作为标准应变修正实测应变。上述标定方法存在的问题如下：1.传感器自身标定方法中没有考虑后续使用中传感器自身的存在对被测沥青路面材料应变的影响；2.实际沥青路面的荷载是动态的，静态标定方法无法与实际情况对应；3.沥青混合料本身是一种粘弹性材料，基于弹性假设得到的应变无法作为标准应变；4.现有方法没有考虑到被测材料与植入传感器的交互作用。

发明内容

本发明为了解决现有的沥青路面用传感器标定方法没有考虑传感器自身的存在对被测沥青路面材料应变的影响、致使修正后的数值无法反应实际应变的动态本质、被测材料的粘弹特性问题，进而提供了一种沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：本发明所述的沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法的具体过程为：

步骤一、光纤光栅应变传感器的植入与沥青混合料成型：将光纤光栅应变传感器植入装有沥青混合料的成型模具内形成圆柱体试件；压实成型模具内的沥青混合料使其真实模拟待测的沥青路面；

步骤二、外接高精度位移计的安装：圆柱体试件的侧壁上均布刻有与高精度位移计数量一致洞口，将多个高精度位移计均布一一安装在所述洞口内；

步骤三、光纤光栅应变传感器实测数据的采集：采用连续的正弦波荷载对圆柱体试件施加动态荷载并控制荷载的幅值；通过与光纤光栅应变传感器连接的光栅解调仪，在加载的同时记录相应的传感器数据；

步骤四、高精度位移计的测得数据的采集，将多个高精度位移计连接线连接于数据采集设备上，在加载的同时记录相应的位移数据；

步骤五、试验条件的选择：上述试验选择与沥青混合料动态模量相同的试验条件，即在5个温度下进行，分别为4℃、15℃、25℃、40℃和55℃，在每一个温度下，又采用7个不同加载频率：25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz进行分别测定；试验时间为相应频率下20个周期荷载时间；

步骤六、光纤光栅应变传感器数据的标定：

a.固定温度单一频率下的数据标定，以最后10个周期的传感器与位移计数据序列为基准进行标定；通过高精度位移计、光纤光栅应变传感器得到的两组数组分别为：x_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，y_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，其中n＝10f₁/f₂，f₁为采样频率，f₂为加载频率；高精度应变计数据除以试件高度得到基准应变数据序列z_i＝x_i/H(i＝1，2，3，…，n-1，n)，通过调整比例系数使得传感器数据数列与高精度位移计数据序列均方差满足设定要求 $\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[z_i\left(t\right)-y_i\left(t\right)]}^2}\≤\left[\mathrm{\ζ}\right],$ 得到该温度及频率条件下的修正系数r_ij，以此类推，得到该温度不同频率下的修正系数序列r_ij(j＝1，2，3…7)，分别对应25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz 7个不同加载频率；

b.将所述的修正系数r_ij乘以相应的y_i就得到反应待测路面结构的真实受力状态修正后的测量值。

本发明具有以下有益效果：本发明利用沥青混合料圆柱体试件单轴压缩模式下受力简单的特点，将传感器植入该圆柱体试件中，通过外界高精度位移传感器数据计算得到的应变修正植入的光纤光栅应变传感器的采集数据。本发明方法避免了过去传感器标定方法中没有考虑传感器自身的存在对被测沥青路面材料应变的影响、实际应变的动态本质、被测材料的粘弹特性问题等不足。如图2所示，图2表明用本法修后的光纤光栅应变传感器数值与高精度位移计数值完全一致。

附图说明

图1是光纤光栅应变传感器植入的实验示意照片，图2是传感器数据修正后的数值转化移位值与高精度位移计的测得数据进行对比图(横坐标为时间，单位为秒；纵坐标为位移值，单位为mm；实线表示修正后的光纤光栅应变传感器测量值，黑点表示高精度位移计测得的移位值)。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1，本实施方式所述的沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法的具体过程为：

步骤一、光纤光栅应变传感器的植入与沥青混合料成型：将光纤光栅应变传感器植入装有沥青混合料的成型模具内形成圆柱体试件；压实成型模具内的沥青混合料使其真实模拟待测的沥青路面；

步骤二、外接高精度位移计的安装：圆柱体试件的侧壁上均布刻有与高精度位移计数量一致洞口，将多个高精度位移计均布一一安装在所述洞口内；

步骤三、光纤光栅应变传感器实测数据的采集：采用连续的正弦波荷载对圆柱体试件施加动态荷载并控制荷载的幅值；通过与光纤光栅应变传感器连接的光栅解调仪，在加载的同时记录相应的传感器数据；

步骤四、高精度位移计的测得数据的采集，将多个高精度位移计连接线连接于数据采集设备上，在加载的同时记录相应的位移数据；

步骤五、试验条件的选择：上述试验选择与沥青混合料动态模量相同的试验条件，即在5个温度下进行，分别为4℃、15℃、25℃、40℃和55℃，在每一个温度下，又采用7个不同加载频率：25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz进行分别测定；试验时间为相应频率下20个周期荷载时间；

步骤六、光纤光栅应变传感器数据的标定：

a.固定温度单一频率下的数据标定，以最后10个周期的传感器与位移计数据序列为基准进行标定；通过高精度位移计、光纤光栅应变传感器得到的两组数组分别为：x_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，y_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，其中n＝10f₁/f₂，f₁为采样频率，f₂为加载频率；高精度应变计数据除以试件高度得到基准应变数据序列z_i＝x_i/H(i＝1，2，3，…，n-1，n)，通过调整比例系数使得传感器数据数列与高精度位移计数据序列均方差满足设定要求 $\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[z_i\left(t\right)-y_i\left(t\right)]}^2}\≤\left[\mathrm{\ζ}\right],$ 得到该温度及频率条件下的修正系数r_ij，以此类推，得到该温度不同频率下的修正系数序列r_ij(j＝1，2，3…7)，分别对应25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz 7个不同加载频率；

b.将所述的修正系数r_ij乘以相应的y_i就得到反应待测路面结构的真实受力状态修正后的测量值。

具体实施方式二：本实施方式所述外接高精度位移计的数量为三个或四个；所述三个或四个高精度位移计测得值的平均值作为试验结果值。如此设置，增强了整体试件位移测量的准确性。其它步骤与具体实施方式一相同。

实施例：

步骤一、传感器的植入与成型：

a.成型模具的制作，将旋转压实仪模筒的侧壁切出5mm宽、100mm深的凹槽，并将凹槽各侧壁磨光，防止尖锐部分损伤传感器接线。

b.传感器定位器的制作，采用聚丙烯制成的内径4mm、外径12mm、高10mm的环形卡箍，在卡箍的外径方向均匀分布3个聚丙烯支脚(直径为5mm，长为60mm)，支脚与卡箍通过螺纹及J39胶连接在一起。

c.混合料松铺系数的确定，按高150mm、直径100mm圆柱体，设计空隙率计算试件成型所需的沥青混合料用量，加热拌合后装入模筒内测量松散状态下混合料高度，以此确定该类型混合料的松铺系数。

d.混合料的添加，将加热拌合好的混合料逐渐装入旋转压实仪模筒内，根据混合料松铺系数确定传感器定位器高度，以此固定传感器在圆柱体试件中的位置。将传感器连接线从切好的凹槽处引出；

e.混合料的成型，将装填后混合料的模筒放入旋转压实仪中，设置旋转压实模式为“高度控制”为150mm，而后成型试件。

步骤二、外接高精度位移计的安装：

a.混合料试件表面的处理，以试件轴线为基准，以120°为间隔，在混合料试件外径方向确定三条线，在每条外径上分别距顶部、底部确定两个点，而后采用电钻刻洞。

b.位移计固定头的安装，采用J39胶将位移计固定头粘结在试件表面的刻洞上，放置4个小时。

c.位移计的安装，以前面安装好的固定头为固定点，安装上位移计；

步骤三、传感器实测数据的采集：

a.动态荷载的施加，在MTS试验机进行无侧限动态压缩试验，采用连续的正弦波荷载，荷载的幅值通过控制轴向应变125μm以下，确保沥青混合料处于线性范围内来调节。

b.光纤光栅应变传感器数据采集，将光纤光栅连接线连接于光栅解调仪SI-425，在加载的同时记录相应的传感器数据。

c.位移计数据的采集，将三个位移计连接线连接于数据采集设备上，在加载的同时记录相应的位移数据。

d.试验条件的选择，选择与沥青混合料动态模量相同的试验条件，即在5个温度下进行，分别为4℃、15℃、25℃、40℃和55℃，在每一个温度下，又采用7个不同频率(25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz)分别测定。试验时间为相应频率下20个周期荷载时间。

步骤四、光纤光栅应变传感器数据的标定：

a.固定温度单一频率下的数据标定，以最后10个周期的传感器与位移计数据序列为基准进行标定(分别为x_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，y_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，其中n＝10f₁/f₂，f₁为采样频率，f₂为加载频率)。高精度应变计数据除以试件高度得到基准应变数据序列(即z_i＝x_i/150(i＝1，2，3，…，n-1，n))，通过调整比例系数使得传感器数据数列与高精度位移计数据序列均方差满足设定要求(即 $\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[z_i\left(t\right)-y_i\left(t\right)]}^2}\≤\left[\mathrm{\ζ}\right]),$ 此时得到该温度及频率条件下的修正系数r_ij，以此类推，得到该温度不同频率下的修正系数序列r_ij(j＝1，2，3…7)(分别对应25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz、0.1Hz)；

b.单一温度下的数据标定，以修正系数为y轴，以时间(频率倒数)的对数作为x轴，通过数据拟合得到该温度下的修正曲线；

c.全温度范围内的数据标定，采用上面相同的方法即可得到不同温度下的修正曲线，可以作为现场实测数据修正的标准。

Claims (2)

1.一种沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法，其特征在于：所述方法的具体过程为：

步骤一、光纤光栅应变传感器的植入与沥青混合料成型：将光纤光栅应变传感器植入装有沥青混合料的成型模具内形成圆柱体试件；压实成型模具内的沥青混合料使其真实模拟待测的沥青路面；

步骤二、外接高精度位移计的安装：圆柱体试件的侧壁上均布刻有与高精度位移计数量一致洞口，将多个高精度位移计均布一一安装在所述洞口内；

步骤三、光纤光栅应变传感器实测数据的采集：采用连续的正弦波荷载对圆柱体试件施加动态荷载并控制荷载的幅值；通过与光纤光栅应变传感器连接的光栅解调仪，在加载的同时记录相应的传感器数据；

步骤四、高精度位移计的测得数据的采集，将多个高精度位移计连接线连接于数据采集设备上，在加载的同时记录相应的位移数据；

步骤五、试验条件的选择：上述试验选择与沥青混合料动态模量相同的试验条件，即在5个温度下进行，分别为4℃、15℃、25℃、40℃和55℃，在每一个温度下，又采用7个不同加载频率：25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz进行分别测定；试验时间为相应频率下20个周期荷载时间；

步骤六、光纤光栅应变传感器数据的标定：

a.固定温度单一频率下的数据标定，以最后10个周期的传感器与位移计数据序列为基准进行标定；通过高精度位移计、光纤光栅应变传感器得到的两组数组分别为：x_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，y_i(i＝1，2，3，…，n-1，n)，其中n＝10f₁/f₂，f₁为采样频率，f₂为加载频率；高精度应变计数据除以试件高度得到基准应变数据序列z_i＝x_i/H(i＝1，2，3，…，n-1，n)，通过调整比例系数使得传感器数据数列与高精度位移计数据序列均方差满足设定要求 $\mathrm{RMSE}=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{[z_i\left(t\right)-y_i\left(t\right)]}^2}\≤\left[\mathrm{\ζ}\right],$ 得到该温度及频率条件下的修正系数r_ij，以此类推，得到该温度不同频率下的修正系数序列r_ij(j＝1，2，3…7)，分别对应25Hz、20Hz、10Hz、5Hz、1Hz、0.5Hz和0.1Hz 7个不同加载频率；

b.将所述的修正系数r_ij乘以相应的y_i就得到反应待测路面结构的真实受力状态修正后的测量值。

2.根据权利要求1所述的沥青路面用光纤光栅应变传感器的标定方法，其特征在于：所述外接高精度位移计的数量为三个或四个；所述三个或四个高精度位移计测得值的平均值作为试验结果值。

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