CN103698223A - 荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置及试验方法，应用了激光在光纤中传播受温度变化和压力变化的影响使接收条纹产生移动的设计，利用加热器和环境温度传感器控制实验装置的温度，利用加载装置和滚轮施加载荷，通过光纤温度传感器测试路面试件在荷载下的温度变化，本发明设计合理、结构简单、使用方便，测试精度高，自动化程度高。

Description

荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于路面载荷与温度场耦合作用下温度耦合效应测试的应用技术领域，具体涉及到荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置及试验方法。 

背景技术

沥青混合料是路面铺设中最常用的基础材料，同时也是一种温度敏感性材料。外界环境温度变化时，路面内的不稳定热流形成了路面结构的温度场和温度梯度，使得路面材料发生温度变形。当温度变形受到限制而无法释放时，在路面结构内部会产生温度应力。若产生的温度应力大于材料的强度，则导致材料破坏。但是，在路面结构分析和温度场分析时，为了简化计算，往往会忽略行车荷载与温度场的耦合作用对路面温度场的影响。 

国内现有的路面温度场测试大多采用红外线测温度法和光纤传感法。红外差热图谱系统和光纤传感器已经应用于实际路面的温度场测量，但是这两种方法的共同缺点是测量精度较小，局限性较大。红外图谱测试技术的精度一般为1℃，光纤传温度传感器温度精度为0.1℃，但是荷载与温度耦合下路面温度的变化较小，现有的测试方法不能满足测试荷载与温度耦合作用下温度场微小变化的劲度要求。 

目前，大多采用有限元法进行模拟分析，评价荷载和温度耦合作用路面耦合温度效应，但这样的评价方法并不能较好的实测并量化荷载与温度耦合作用的耦合温度效应。 

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题在于克服现有荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置及试验方法精度过底的缺点，提供了一种测试精度高、稳定性好、操作简单、自动化程度高的荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置。 

本发明所要解决的另一个技术问题在于提供了一种使用荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置的试验方法。 

解决上述技术问题所采用的技术方案是： 

在底座上设置有敞口隔热容器，敞口隔热容器内设置有路面试件，路面试件内部设置有光纤温度传感器，敞口隔热容器左侧壁设置有耦合器，底座上还设置有模拟箱，模拟箱内两侧下端设置有加热器，模拟箱内两侧顶端设置有日光灯，模拟箱内顶部设置有温度传感器，模拟箱顶部设置有导轨，导轨上设置有支撑架，支撑架上设置有配重，支撑架下端设置有步进电机和与步进电机相联的轮轴，轮轴上设置位于路面试件表面上的滚轮，模拟箱内左侧壁设置有激光器，模拟箱外还设置有光谱仪、可编程控制器和计算机，步进电机和加热器通过导线与可编程控制器相连，温度传感器、光纤温度传感器通过数据线与光谱仪相连，光谱仪通过数据线与计算机相连，可编程控制器通过导线与计算机相连。 

本发明的光纤温度传感器的保护套内并列设置有温度感应光纤和温度受控光纤，温度受控光纤外部设置有控温管。 

采用本发明的试验装置的试验方法，包括以下步骤： 

采用荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置（以下简称路面耦合温度试验装置）进行实验时，将路面耦合温度试验装置与现有的实验仪器进行测试。 

1）应用实验室仪器组标定温度变化值σ_T

顺序连接激光器、耦合器、路面温度感应光纤、温度受控光纤、温度传感器、加热器、光谱仪和计算机，温度受控光纤与路面温度感应光纤并列排布，其中温度受控光纤置于玻璃水槽中，玻璃水槽中注水并安装加热器和温度传感器，加热器连接可编程控制器，计算机通过可编程控制器控制加热器电源的接通或断开，温度传感器将接收到玻璃水槽内的温度信号转换成电信号并转换成数字信号输出到计算机，打开激光器、耦合器、光谱仪，通过光谱仪观察调节耦合器出射光的干涉波纹稳定，计算机通过可编程控制器接通加热器的电源，计算机记录玻璃水槽的温度、加热器的通电时间和电流强度，通过光谱仪将光信号转换成电信号并转换成数字信号输出到计算机，计算机按照事先设定的程序进行运算输出波纹的移动数目ΔN，测出玻璃水槽、加热器、水的质量，查出玻璃水槽、加热器、水的比热容，根据热平衡原理，计算温度变化量ΔT； 

$\mathrm{\ΔT}={\∫}_0^t{I}^2\mathrm{Rdt}/(c_1{m}_1+c_2{m}_2+c_3{m}_3)$

式中m₁为玻璃水槽的质量、m₂为加热器的质量、m₃为水的质量、c₁为玻璃水槽的比热容、c₂为加热器的比热容、c₃为水的比热容、I为电流强度、R为电阻值、t为加 热时间。多次重复测量，测得多组ΔT、ΔN数值，并通过最小二乘法拟合，得到： 

${\mathrm{\σ}}_T=\frac{\stackrel{-}{\mathrm{\ΔT}}\·\stackrel{-}{\mathrm{\ΔN}}-\stackrel{-}{\mathrm{\ΔT}\·\mathrm{\ΔN}}}{{\stackrel{-}{\mathrm{\ΔN}}}^2-\stackrel{-}{{\mathrm{\ΔN}}^2}}$

2）日光灯保持恒定光源照明，温度传感器测量模拟箱内的温度记录在计算机中，温度低于设定温度时计算机根据事先设定的程序通过可编程控制器接通加热器的电源为模拟箱加热，使模拟箱中保持恒定温度，控温管恒定温度得光纤温度传感器中的路面温度感应光纤和温度受控光纤与模拟箱中温度一致，开启激光器、耦合器和光谱仪，通过控温管降低温度受控光纤的温度直到T₀，光谱仪将接收的数据输入计算机并在计算机中计算温度受控光纤降温过程中干涉波纹的移动数量ΔN₁，并通过计算机计算测试初始无载荷作用下路面温度T_原； 

T_原=T₀+σ_T+ΔN₁

3）通过配重向路面试件施加预定荷载，通过计算机记录加载过程中干涉波纹的移动数量ΔN₂，通过计算机计算荷载作用下路面温度T_加； 

T_加=T_原+σ_T×ΔN₂

加载的滚轮重复碾压100次得到100个T_加，求平均值

4）分析实验值与理论值的相对误差，计算公式为： 

式中，K₁为相对误差、T_理论为荷载作用下路面不同深度处的温度。 

5）耦合效应的分析评价 

本发明应用了激光在光纤中传播受温度变化和压力变化的影响使接收条纹产生移动的设计，利用加热器和环境温度传感器控制实验装置的温度，利用加载装置和滚轮施加载荷，通过光纤温度传感器测试路面试件在荷载下的温度变化，本发明设计合理、结构简单、使用方便，测试精度高，自动化程度高。 

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。 

图2是图1中光纤温度传感器11的结构示意图。 

具体实施方式

现结合附图和实施例对本发明进一步说明，但本发明不局限于下述的实施方式。 

实施例1 

在图1中，本发明的路面荷载与温度耦合的试验装置由底座1、激光器2、模拟箱3、日光灯4、温度传感器5、配重6、支撑架7、滚轮8、导轨9、步进电机10、光纤温度传感器11、敞口隔热容器12、计算机14、可编程控制器15、光谱仪16、耦合器17、加热器18联接构成。 

在底座1上放置有敞口隔热容器12，敞口隔热容器12为透明玻璃器皿，敞口隔热容器12内部放置路面试件13，路面试件13上面层内部水平埋设有光纤温度传感器11，光纤温度传感器11的入射端和出射端分别穿出路面试件13两侧露出，敞口隔热容器12左侧壁外侧与光纤温度传感器11入射端对应位置用螺纹紧固联接件固定安装有耦合器17，耦合器17出射端射出的激光束射入光纤温度传感器11。底座1上放置有模拟箱3，敞口隔热容器12放置在模拟箱3内，模拟箱3内两侧的下端分别用螺纹紧固联接件固定安装有加热器18，模拟箱3内两侧顶端用螺纹紧固联接件固定安装有日光灯4，日光灯4为模拟箱3内实验装置提供恒定照明光源，模拟箱3内顶部用螺纹紧固联接件固定安装有温度传感器5，模拟箱3顶部中心加工有水平导轨9，导轨9上安装有支撑架7，支撑架7为V形铁架，支撑架7可在导轨9上水平移动，支撑架7上可放置已知重量的配重6，支撑架7下端用螺纹紧固联接件固定安装有步进电机10和轮轴，步进电机10的输出轴用联接件与轮轴相联，轮轴上安装有滚轮8，滚轮8在路面试件13的上表面往复滚动，模拟箱3左侧壁内用螺纹紧固联接件固定联接有激光器2，激光器2的激光出射端对应耦合器17的入射端，模拟箱3外侧壁上用螺纹紧固联接件固定安装有可编程控制器15，底座上放置有光谱仪16和计算机14，加热器18和步进电机10通过导线与可编程控制器15相连，温度传感器5、光纤温度传感器11的出射端通过数据线与光谱仪16相连，光谱仪16通过数据线与计算机14相连，可编程控制器15通过导线与计算机14相连。温度传感器5将接收到模拟箱3内的温度信号转换成电信号并转换成数字信号 输出到计算机14，光纤温度传感器11将接收到的光信号输出到光谱仪16，光谱仪16将光信号转换成电信号并转换成数字信号输出到计算机14，计算机14按照事先设定的程序进行运算输出计算结果，计算机14通过可编程控制器控制步进电机10、加热器18的电源接通或断开。 

在图2中，本实施例的光纤温度传感器11由保护套11-1、路面温度感应光纤11-2、控温管11-3和温度受控光纤11-4联接构成。路面温度感应光纤11-2和温度受控光纤11-4在保护套11-1的内部并行排布，温度受控光纤11-4的外部还包裹有控温管11-3，控温管11-3可以调节温度受控光纤11-4的温度。 

试验时，使日光灯4保持恒定光源照明，温度传感器5测量模拟箱3内的温度输入计算机14中，温度低于设定温度时，计算机14根据事先设定的程序通过可编程控制器15接通加热器18的电源为模拟箱加热，当温度达到预定温度时停止加热，通过温度传感器5和加热器18使模拟箱3中始终保持恒定温度，打开激光器2和耦合器17，激光器2发出的激光束通过耦合器17分为两束，分别入射入光纤温度传感器11中的路面温度感应光纤11-2和温度受控光纤11-4中，可编程控制器15接通步进电机10的电源，步进电机10带动带有已知重量的配重6和支撑架7、滚轮8在导轨9上做往复运动，滚轮8碾压过路面的压力使计算机14中记录的光纤温度传感器11的相干光产生相干光波的移动，光纤温度传感器11中出射的相干光通过数据线传输入光谱仪16中，并由光谱仪16通过数据线输入计算机14中运算。 

采用上述的装置进行荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验的方法，包括以下步骤： 

采用荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置（以下简称路面耦合温度试验装置）进行实验时，将路面耦合温度试验装置与现有的实验仪器进行测试。 

1）应用实验室仪器组标定温度变化值σ_T

顺序连接激光器2、耦合器17、路面温度感应光纤11-2、温度受控光纤11-4、温度传感器5、加热器18、光谱仪16和计算机14，温度受控光纤11-4与路面温度感应光纤11-2并列排布，其中温度受控光纤11-4置于玻璃水槽中，玻璃水槽中注水并安装加热器18和温度传感器5，加热器18连接可编程控制器15，计算机14通过可编程控制器15控制加热器18电源的接通或断开，温度传感器5将接收到玻璃水槽内的温度信号转换成电信号并转换成数字信号输出到计算机14，打开激光 器2、耦合器17、光谱仪16，通过光谱仪16观察调节耦合器17出射光的干涉波纹稳定，计算机14通过可编程控制器15接通加热器18的电源，计算机14记录玻璃水槽的温度、加热器18的通电时间和电流强度，通过光谱仪16将光信号转换成电信号并转换成数字信号输出到计算机14，计算机14按照事先设定的程序进行运算输出波纹的移动数目ΔN，测出玻璃水槽、加热器18、水的质量，查出玻璃水槽、加热器18、水的比热容，根据热平衡原理，计算温度变化量ΔT； 

$\mathrm{\ΔT}={\∫}_0^t{I}^2\mathrm{Rdt}/(c_1{m}_1+c_2{m}_2+c_3{m}_3)$

式中m₁为玻璃水槽的质量、m₂为加热器18的质量、m₃为水的质量、c₁为玻璃水槽的比热容、c₂为加热器18的比热容、c₃为水的比热容、I为电流强度、R为电阻值、t为加热时间。多次重复测量，测得多组ΔT、ΔN数值，并通过最小二乘法拟合，得到： 

${\mathrm{\σ}}_T=\frac{\stackrel{-}{\mathrm{\ΔT}}\·\stackrel{-}{\mathrm{\ΔN}}-\stackrel{-}{\mathrm{\ΔT}\·\mathrm{\ΔN}}}{{\stackrel{-}{\mathrm{\ΔN}}}^2-\stackrel{-}{{\mathrm{\ΔN}}^2}}$

2）日光灯4保持恒定光源照明，温度传感器5测量模拟箱3内的温度记录在计算机14中，温度低于设定温度时计算机14根据事先设定的程序通过可编程控制器15接通加热器18的电源为模拟箱3加热，使模拟箱3中保持恒定温度，控温管11-3恒定温度使光纤温度传感器11中的路面温度感应光纤11-2和温度受控光纤11-4与模拟箱3中温度一致，开启激光器2、耦合器17和光谱仪16，通过控温管11-3降低温度受控光纤11-4的温度直到T₀，光谱仪16将接收的数据输入计算机14并在计算机14中计算温度受控光纤11-4降温过程中干涉波纹的移动数量ΔN₁，并通过计算机14计算测试初始无载荷作用下路面温度T_原； 

T_原=T₀+σ_T+ΔN₁

3）通过配重6向路面试件13施加预定荷载，通过计算机14记录加载过程中干涉波纹的移动数量ΔN₂，通过计算机14计算荷载作用下路面温度T_加； 

T_加=T_原+σ_T×ΔN₂

加载的滚轮8重复碾压100次得到100个T_加，求平均值

4）分析实验值与理论值的相对误差，计算公式为： 

式中，K₁为相对误差、T_理论为荷载作用下路面不同深度处的温度。 

5）耦合效应的分析评价 

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Claims (3)

1.一种荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置，其特征在于：在底座（1）上设置有敞口隔热容器（12），敞口隔热容器（12）内设置有路面试件（13），路面试件（13）内部设置有光纤温度传感器（11），敞口隔热容器（12）左侧壁设置有耦合器（17），底座（1）上还设置有模拟箱（3），模拟箱（3）内两侧下端设置有加热器（18），模拟箱（3）内两侧顶端设置有日光灯（4），模拟箱（3）内顶部设置有温度传感器（5），模拟箱（3）顶部设置有导轨（9），导轨（9）上设置有支撑架（7），支撑架（7）上设置有配重（6），支撑架（7）下端设置有步进电机（10）和与步进电机（10）相联的轮轴，轮轴上设置位于路面试件（13）表面上的滚轮（8），模拟箱（3）内左侧壁设置有激光器（2），模拟箱（3）外还设置有光谱仪（16）、可编程控制器（15）和计算机（14），步进电机（10）和加热器（18）通过导线与可编程控制器（15）相连，温度传感器（5）、光纤温度传感器（11）通过数据线与光谱仪（16）相连，光谱仪（16）通过数据线与计算机（14）相连，可编程控制器（15）通过导线与计算机（14）相连。 

2.根据权利要求1的荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置，其特征在于：所述的光纤温度传感器（11）的保护套（11-1）内并列设置有温度感应光纤（11-2）和温度受控光纤（11-4），温度受控光纤（11-4）外部设置有控温管（11-3）。 

3.一种使用权利要求1荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置的试验方法，包括以下步骤： 

采用荷载与温度耦合作用下路面耦合温度试验装置（以下简称路面耦合温度试验装置）进行实验时，将路面耦合温度试验装置与现有的实验仪器进行测试。 

1）应用实验室仪器组标定温度变化值σ_T

顺序连接激光器（2）、耦合器（17）、路面温度感应光纤（11-2）、温度受控光纤（11-4）、温度传感器（5）、加热器（18）、光谱仪（16）和计算机（14），温度受控光纤（11-4）与路面温度感应光纤（11-2）并列排布，其中温度受控光纤（11-4）置于玻璃水槽中，玻璃水槽中注水并安装加热器（18）和温度传感器（5），加热器（18）连接可编程控制器（15），计算机（14）通过可编程控制器（15）控制加热器（18）电源的接通或断开，温度传感器（5）将接收到玻璃水槽内的温度信号 转换成电信号并转换成数字信号输出到计算机（14），打开激光器（2）、耦合器（17）、光谱仪（16），通过光谱仪（16）观察调节耦合器（17）出射光的干涉波纹稳定，计算机（14）通过可编程控制器（15）接通加热器（18）的电源，计算机（14）记录玻璃水槽的温度、加热器（18）的通电时间和电流强度，通过光谱仪（16）将光信号转换成电信号并转换成数字信号输出到计算机（14），计算机（14）按照事先设定的程序进行运算输出波纹的移动数目ΔN，测出玻璃水槽、加热器（18）、水的质量，查出玻璃水槽、加热器（18）、水的比热容，根据热平衡原理，计算温度变化量ΔT； 

式中m₁为玻璃水槽的质量、m₂为加热器（18）的质量、m₃为水的质量、c₁为玻璃水槽的比热容、c₂为加热器（18）的比热容、c₃为水的比热容、I为电流强度、R为电阻值、t为加热时间。多次重复测量，测得多组ΔT、ΔN数值，并通过最小二乘法拟合，得到： 

2）日光灯（4）保持恒定光源照明，温度传感器（5）测量模拟箱（3）内的温度记录在计算机（14）中，温度低于设定温度时计算机（14）根据事先设定的程序通过可编程控制器（15）接通加热器（18）的电源为模拟箱（3）加热，使模拟箱（3）中保持恒定温度，控温管（11-3）恒定温度使光纤温度传感器（11）中的路面温度感应光纤（11-2）和温度受控光纤（11-4）与模拟箱（3）中温度一致，开启激光器（2）、耦合器（17）和光谱仪（16），通过控温管（11-3）降低温度受控光纤（11-4）的温度直到T₀，光谱仪（16）将接收的数据输入计算机（14）并在计算机（14）中计算温度受控光纤（11-4）降温过程中干涉波纹的移动数量ΔN₁，并通过计算机（14）计算测试初始无载荷作用下路面温度T_原； 

T_原=T₀+σ_T+ΔN₁

3）通过配重（6）向路面试件（13）施加预定荷载，通过计算机（14）记录加载过程中干涉波纹的移动数量ΔN₂，通过计算机14计算荷载作用下路面温度T_加； 

T_加=T_原+σ_T×ΔN₂

加载的滚轮（8）重复碾压100次得到100个T_加，求平均值

4）分析实验值与理论值的相对误差，计算公式为： 

式中，K₁为相对误差、T_理论为荷载作用下路面不同深度处的温度。 

5）耦合效应的分析评价 

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