CN102175367A - 道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术 - Google Patents

道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术 Download PDF

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周智
刘婉秋
王花平
何建平
黄明华
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Abstract

一种道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术，属于结构智能健康监测技术领域。其特征是利用局部刻有光纤光栅的分布式光纤以弯曲半径不小于2cm的弧度沿道路结构多层介质全尺度地布设，作为传感元件，对道路结构的多层介质进行局部高精度、全尺度较高精度的监测。本发明的效果和益处是可达到局部位置高精度的测试和全尺度较高精度的测试效果，且可实现道路结构的实时监测和长期健康监测。此外，本发明技术思路清晰、方法可行且集成的系统成本较低，易于在道路结构的健康监测领域推广应用，使得道路结构被更加合理高效地利用。

Description

道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术
技术领域
本发明属于结构智能健康监测技术领域，涉及的是一种道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术。
背景技术
道路通常都裸露于自然界中，既受到车辆荷载作用，也直接受外界环境因素如温度、光照、雨雪等的影响。国内经济发展带来交通运输量的迅速增长，导致很多道路结构因为超限超载的反复、长期疲劳累积效应及环境因素等作用而出现不同规模和不同程度的损伤，严重影响道路结构的使用性能，因此，有必要对道路结构的服役状态进行监测，以便对其进行及时维修和养护。目前道路结构常规的检测技术主要有人工巡检技术、钻心取样技术、超声波技术、红外图像技术、频谱分析技术、雷达技术等，但它们都停留在检测技术层面，且检测时间和周期长、实时监测性能差、精度低。光纤传感技术因具有抗电磁干扰、耐腐蚀、高灵敏度、绝对测量等优点，在土木、交通、海洋等工程领域得到了应用。当前，有部分学者将光纤光栅传感技术应用于道路结构的测试。大连理工大学欧进萍、周智等人研制开发了玻璃纤维增强树脂光纤光栅三向应变传感器，并将其应用到山东泰莱高速公路中；山东大学姚占勇采用钢片封装的光纤光栅传感器对道路结构进行了应力测试，试验验证了光纤光栅传感器用于路面结构测试的有效性。然而道路结构属于超长距离线性工程，其损伤具有随机性强、覆盖面广的特点，局部单点光纤光栅传感器难以满足道路结构全尺度测试的要求。全尺度分布式光纤布里渊传感技术具有在一根普通单模光纤上实现光纤沿线应力场和温度场时间和空间上的连续监测。南京大学施斌采用布里渊分布式光纤传感技术对连续配筋的混凝土路面内钢筋与混凝土间粘结应力进行了监测；东南大学宋世伟等采用分布式光纤传感器埋入连续配筋混凝土路面的复合筋中，实现了道路结构配筋层的分布式测试。但他们没有考虑将分布式光纤测试技术用于道路结构的多层介质的监测。此外，考虑到布里渊传感技术存在空间分辨率低，测试精度不高的问题，周智等融合光纤光栅和光纤布里渊的优点，提出了光纤光栅和光纤布里渊共线的测试技术。本发明拟采用光纤传感技术，利用其长距离测试、准分布及精度较高等优越性能，对道路结构的多层介质进行局部精细监测和全尺度较高精度的监测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术，解决道路结构多层介质全尺度监测的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术，利用局部刻有光纤光栅的分布式光纤作为道路结构多层介质全尺度测试的传感元件，通过光开关建立传感探头与光纤光栅解调仪和分布式光纤解调仪间的信号传递枢纽，对道路结构多层介质进行局部高精度、全尺度较高精度的监测。其中，分布式光纤沿跨度和深度方向以不小于2cm的弯曲半径分布在道路结构的全尺度上；局部光纤光栅则以分布式光纤为依托，以固定间距有规律地离散在道路结构的跨度和深度方向。
本发明包含的特征技术：
①所述的道路结构多层介质的全尺度监测是指覆盖道路结构深度方向和跨度方向的分布式光纤监测技术；
②所述的分布式光纤是考虑弯曲损耗而以弯曲半径不小于2cm的弧度布设在道路结构的全尺度上；
③所述的以分布式光纤为依托的光纤光栅是沿道路结构内部点的三向分别布置的，其结构形式呈应变花状；
④所述的光纤传感元件是经过性能稳定且耐久性的材料进行封装保护后埋设在道路结构内部的；
⑤所述的多层介质是道路结构自上向下是由不同介质组成的多层体系；
⑥所述的道路结构多介质层全尺度监测的光纤传感系统测试时，在道路结构多层介质内全尺度分布的光纤光栅与光纤通过传感探头将分布式信号和局部信号经光开关分别传输给分布式光纤解调仪和光纤光栅解调仪，信号在共线传输后被分别解调。
本发明的效果和益处是：应用光纤传感技术，对道路结构多层介质的进行状态测试，可达到局部位置高精度的测试和全尺度较高精度的测试效果，且可实现道路结构的实时监测和长期健康监测。此外，本发明技术思路清晰、方法可行且集成的系统成本较低，易于在道路结构的健康监测领域推广应用，使得道路结构被更加合理高效地利用。
附图说明
附图1是基于道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感系统示意图。
附图2是局部光纤光栅布设工艺示意图。
图中：1分布式光纤解调仪；2关开关；3光纤光栅解调仪；4光纤光栅；5分布式光纤；6道路结构的面层；7道路结构的基层；8道路结构的底基层；9道路结构的地基；10竖向光纤光栅；11纵向光纤光栅；12横向光纤光栅。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
采用道路结构多层介质全尺度光纤监测技术的传感系统如附图1所示，利用光线传感技术，对道路结构的多层介质进行全尺度的光纤监测，其主要涵括五部分：1分布式光纤解调仪，2关开关3光纤光栅解调仪，4光纤光栅和5分布式光纤等。其中，4光纤光栅分布在5分布式光纤的局部位置，两者的共线传感探头通过2光开关与3光纤光栅解调仪和1分布式光纤解调仪连接。
基于道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术的测试方法如下：
首先，当4光纤光栅和5分布式光纤按照附图1所示的形状布置在道路结构的多层介质中后，利用共线传感探头的引出线与2关开关相连，并通过2光开关引出2条光路分别连接到3光纤光栅解调仪和1分布式光纤解调仪。其次，进行光路校核，以避免光路中断路现象的发生。当线路都保持通路以后，开始测试：4光纤光栅和分布式光纤在感受路面荷载后，会产生光信号，由其共线传感探头传递给2光开关；2光开光将所接受的光信号进行分路传递给3光纤光栅解调仪和1分布式光纤解调，其各自将分别解调出局部信号和分布式信号；后将解调仪解调后的信息输入相关的数据处理设备，即可得到测试的数据结果。整个测试过程即完成。

Claims (3)

1.一种道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术，其特征是：利用分布式光纤(5)传感技术，对多层介质的道路结构进行较高精度的全尺度监测；利用局部光纤光栅(4)传感技术，对道路结构的多层介质进行高精度的局部监测。
2.根据权利要求1所述的一种道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术，其特征是：将刻有局部光纤光栅(4)的分布式光纤(5)以弯曲不小于2cm布设在道路结构多层介质的全尺度上；以分布式光纤(5)为依托的光纤光栅(4)是沿道路结构内部测点的竖向、纵向、横向三方向分别布置的，其结构形式呈应变花状。
3.根据权利要求1所述的一种道路结构多层介质的全尺度光纤监测技术，其特征是：道路结构多层介质的全尺度监测是指覆盖道路结构深度方向和跨度方向的分布式光纤监测技术。
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