CN102628673A

CN102628673A - 适合道路结构全尺度监测的铠装光纤传感器

Info

Publication number: CN102628673A
Application number: CN2012100921676A
Authority: CN
Inventors: 刘婉秋; 王花平; 周智
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2012-08-08

Abstract

用于道路结构全尺度监测的铠装光纤传感技术，属智能结构健康监测领域，其特征是利用分布式光纤或FBG，对道路结构进行大尺度或局部大应变高精度的测试；采用铠装线做保护套，抵抗测试时的恶劣服役环境；利用微型弹簧预设了微弯不受力光纤段达到提升光纤传感测试系统量程的效果，从而适用于道路结构初期成型及后期破坏的大应变监测，实现对道路结构全寿命期的力学性能的掌握。本发明的效果和益处是能极大地提高光纤和FBG在道路结构中应用的成活率，能很好地调节传感元件的测试量程，可适应道路结构铺设过程中的大变形测试，亦能实现道路结构长久稳定变形的测量。

Description

适合道路结构全尺度监测的铠装光纤传感器

技术领域

本发明属于结构智能监控监测领域，涉及到的是一种适合道路结构全尺度监测的光纤封装和传感技术。

背景技术

国内经济的快速发展，推动了公路分布范围和里程数量的急剧增长，而自然灾害、人为作用及地域气候的影响，导致了大批量路段在远远小于其服役寿命之前便退出了工作。经典计算理论中的理想假设带来的局限性，使得运营中的道路结构性能唯有通过检测技术获取。当前较常用的人工巡检、钻芯取样等传统方法则有检测效率低、准确性差、范围窄的突出缺陷，而较现代的频谱分析、探地雷达、全息成像等技术则受环境气候影响大、成本高，且不具实时和长期监测能力。光纤传感技术，作为近年来发展最快的检测手段，则有几何形状多方适应性、耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度等优点，在航空航天、海洋平台、土木工程等领域得到了广泛应用。以下公开文献也介绍了用于道路结构测试而开发的光纤传感器：防灾减灾工程学报25(2005)14-19将分布式光纤布设在钢筋表面测出连续配筋混凝土路面成型过程中的应变规律，然其测试范围受限；公开文献采用纤维增强树脂封装FBG(FRP-FBG)测试分层沥青路面结构(王赫喆，硕士论文)，然其成活率有待提升；公开文献东南大学学报(自然科学版)38(2008)799-803将套管封装分布式光纤埋设在沥青路面中进行裂缝监测，然其灵敏度及量程有待改进；公开文献采用热塑性树脂封装FBG(PP-FBG)做沥青路面的应变监测(王川，博士论文)，然其测量精度有待提高；公开文献工业建筑(2009)305-308将含分布式光纤玄武岩纤维筋用于混凝土和沥青路面监测，然其测试受工艺限制；公开文献长安大学学报(自然科学版)31(2011)17-21采用钢条封装FBG进行沥青混凝土测试，但其协同变形问题较突出。即光纤传感技术应用于道路结构，依然存在成活率、测试精度和范围、协同变形等问题。因此，在前述研究成果基础上，提出了一种成活率高、可进行分布式较高精度和局部高精度测试、耐久性好、工艺简单及成本较低的铠装光纤传感器，能抵抗道路施工的恶劣环境，且具备大应变监测功能，适合于在层状道路结构体系的健康监测。

发明内容

本发明目的是提供一种成活率高、量程可调、同步实现大尺度和局部测试的铠装光纤传感器，解决了光纤在道路施工、运营过程中易被损毁、测试范围及量程受限等应用问题。

本发明的技术方案是：

一种适合道路结构全尺度监测的铠装光纤传感器，包括大尺度测试的铠装光纤传感器和局部测试的FBG传感器两种：前者的传感元件采用光纤，铠装线作为光纤的保护管，铠装线两端通过橡胶分别与端部扩径的两夹持块连接；后者的传感元件采用FBG，铠装线作为FBG传感器的保护管，FBG两端分别与微型弹簧固结，两端的微型弹簧则分别与端部扩径的两夹持块固结，铠装线两端通过橡胶分别与两夹持块连接。上述两种传感器中，两夹持块的距离即为传感器的测试标距，两夹持块外侧(即标距范围外)的传输光纤的保护层也是铠装线，其同样采用橡胶与夹持块连接。

所述的铠装线是耐高温250℃以上、具一定刚度的空心线，其外围直径约为1cm，其长度略小于测试标距。

所述的微型弹簧是指总长约为6cm，外径为0.4cm的弹簧。

所述的橡胶是指在施加外力时能发生大形变、外力除去后变形可恢复的弹性体，可选用聚丁二烯橡胶。

所述的夹持块是指能较好夹持住光纤的、截面积约为铠装线四倍的硬质材料，可用金属或硬塑料。

所述的结构测试量程的提升是指微型弹簧的串入将分担部分FBG感知的应变，从而实现其量程的扩大。

所述的测试标距指两夹持块之间的距离。

运行时，由两夹持块间的距离变化使光纤和FBG感受应变，数据通过两夹持块外侧的自由光纤传输到光纤解调仪。其中，微型弹簧的串入，等效于降低了标距内传感元件的弹性模量，对道路结构的变形反作用也将减小，从而实现提高局部高精度测试量程的功能。本发明提供的传感器可在道路材料摊铺前的相应层位布设，直接参与路面结构碾压。

本发明的效果和益处是：能极大地提高光纤和FBG在道路结构中应用的成活率，可同步实现大尺度较高精度和局部高精度的测试；能很好地调节传感元件的测试量程，可适应道路结构铺设过程中碾压造成的大变形、高应力，亦能实现道路结构长久稳定变形的测量。

附图说明

附图1是基于道路结构全尺度监测的铠装光纤传感系统图。

附图2是基于道路结构局部高精度监测的铠装光纤传感系统图。

图中：1分布式光纤；2铠装线；3橡胶；4夹持块；5微型弹簧；6FBG。

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。

一种利用光纤传感技术对道路结构进行大尺度及局部大应变监测的系统，如附图1和图2所示，主要包括：1分布式光纤(感知光纤和传输光纤)；2铠装线；3橡胶；4夹持块；5微型弹簧；6FBG。其中，关于道路结构全尺度测试的光纤传感器的构造如附图1所示，关于道路结构局部测试的光纤传感器如附图2所示。

道路结构全尺度监测的铠装光纤传感技术，含大尺度及局部测试技术，其实施方式如下：

对于局部高精度监测，将6FBG标距范围内的两端光纤微弯，并与5微型弹簧两端连接，形成不受力光纤段；将与5微型弹簧串接的FBG置于略小于标距长度的2铠装线内部，使5微型弹簧与4夹持块固结，即保证光纤不滑动；两引出光纤分别由两个4夹持块固定，且4夹持块通过3橡胶与2铠装线连接；4夹持块外侧光纤通过2铠装线保护，同样采用3橡胶将其连接。大尺度测试部分的光纤封装方法与局部高精度监测的封装方法一致，只是标距更长，且不需串入微弹簧。至此，该光纤传感测试元件制备完毕，对该系统进行光路通畅的校核。测试时，通过4夹持块感知标距范围内的变形，进而带动2铠装线内部的1分布式光纤、或5微型弹簧和6FBG发生变化来感知应变，从而实现道路结构的大尺度及局部大应变测试的目的。

Claims

1.一种适合道路结构全尺度监测的铠装光纤传感器，包括大尺度测试的铠装光纤传感器和局部测试的FBG传感器两种：其特征在于，

大尺度测试的铠装光纤传感器的传感元件采用光纤，铠装线作为光纤的保护管，铠装线两端通过橡胶分别与端部扩径的两夹持块连接；

局部测试的FBG传感器的传感元件采用FBG，铠装线作为FBG传感器的保护管，FBG两端分别与微型弹簧固结，两端的微型弹簧则分别与端部扩径的两夹持块固结，铠装线两端通过橡胶分别与两夹持块连接；

上述两种传感器中，两夹持块的距离即为传感器的测试标距，两夹持块外侧的传输光纤的保护层也是铠装线，其同样采用橡胶与夹持块连接；

所述的铠装线是耐高温250℃以上、外围直径为1cm、长度小于测试标距的空心线；

所述的微型弹簧是指总长约为6cm，外径为0.4cm的弹簧；

所述的夹持块是指能较好夹持住光纤的、截面积约为铠装线四倍的硬质材料，采用金属或硬塑料。