CN103792149A - 基于光纤光栅的沥青路面材料侧向稳定传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于光纤光栅的沥青路面材料侧向稳定传感器，属于道路设备技术领域。其特征是采用光纤光栅作为变形敏感元件，利用高弹性薄金属圆筒作为材料侧向应力应变转换元件，并可调节圆筒直径。将套有沥青路面材料的放到材料机上，可进行加载，光纤光栅同时测得侧向应变读数，再通过套筒模量，转化为应力读数。本发明测试精度高、造价低、便携性、稳定性好，不仅能对沥青混合料的动、静态稳定性进行评价，同时也可用于单纯的骨料组合的动、静态侧向稳定性的检验；相对Hveem方法，通过改变光纤光栅敏感元件的数量可以实现竖向多截面测量，测试数据更加准确。
Description
技术领域
本发明属于道路实验设备领域，涉及到一种利用光纤光栅应变测试技术对沥青路面建筑材料的侧向稳定性的进行评价，具体涉及一种基于光纤光栅的沥青路面材料侧向稳定传感器。
技术背景
道路是交通基础设施的重要组成部分，近年来我国公路建设投资均占我国GDP的2%-3%。但从全世界范围来看，道路的早期病害问题从未得到根本解决。另一方面，路面的维修对道路通行的影响变得越来越难以忍受，并容易已发恶性交通事故。因此，随着经济的发展，以及对道路的承载重交通需求，提高道路结构的使用性能已经成为道路工程的重点研究目标之一。
车辙一直是沥青路面的主要病害之一，而层内剪应力以及剪切流动是车辙发生的主要原因。沥青路面的抗车辙设计也是从结构和材料等角度降低沥青混合料的剪应力或是提高抵抗重复重荷载的剪应力强度。车辙主要是发生在夏天高温、沥青材料粘结力变弱的情况下。但沥青却不是车辙产生的唯一影响因素，根据摩尔库仑理论，骨料的影响也是非常重要的。道路工程中一度应用最广泛的实验方法Hveem和Marshall方法都是从沥青混合料成型后的整体去考虑试样的侧向稳定性以判断材料的抗车辙能力。
Marshall方法是目前应用的最广泛的沥青路面设计工序之一。它的测试设备廉价且便携性好。但它不能够充分直接的反映沥青混合料的剪切强度信息。Hveem方法直接测量剪切强度的内摩擦部分，但其缺点是实验仪器造价较高，便携能力差，而且测试的液压数据存在精度和路面材料指标转换上不是特别明确等问题。
针对上述问题，结合光纤传感技术的性能稳定、耐久性好、灵敏度高、抗电磁干扰强、便于分布式测量、集数据传输和传感于一体的独特优势，本发明提供了一种测试沥青路面材料剪切强度信息的实验仪器，该仪器具备测试精度高、造价低、便携性、稳定性好等诸多优点。同时，该仪器不仅能对沥青混合料的稳定性进行评价，同时也可用于单纯的骨料组合侧向稳定性的检验，这是传统方法不能够做到的。Hveem方法用压缩液体体积测量测向压力，测向变形与压力之间的关系并不明确，很难模拟试件在实际路面中的受力。本发明通过改变光纤光栅敏感元件的数量可以实现竖向多截面测量，比起Hveem方法的整体均匀化，测试数据要更加准确。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅高精度应变测试技术，测试柔性路面材料侧向稳定性的传感器。
本发明的技术方案如下：
一种基于光纤光栅的沥青路面材料侧向稳定传感器，包括裸光纤光栅、侧面开口金属圆筒、光栅固定块、不受力金属片以及调节金属圆筒直径的控制装置；光纤光栅作为变形敏感元件。将多个光纤光栅沿横向外径不同截面分别绕在侧向开口金属筒上。在侧向开口金属筒上开口处设置多个固定块和两条固定带，固定块用来固定光纤光栅，固定带中间有开孔，可以允许螺栓进入，以螺栓调节金属筒的直径。其中，金属圆筒的厚度不大于1.5mm，采用弹簧钢等高弹性合金。不受力金属片设置在侧面开口金属圆筒的边沿，一条光纤光栅固定在不受力金属片上，用来温度补偿。
固定带采用纤维强化塑料(FRP，Fiber Reinforced Polymer)、环氧树脂材料或焊接金属材料构成，固定块采用纤维强化塑料或环氧树脂材料构成。
该沥青路面材料侧向稳定传感器既可以测量沥青混合料试件的侧向稳定性，也可以测量级配骨料组合的侧向稳定性。测试沥青混合料试件侧向稳定性时，将试件放入套筒中，通过螺栓调节，令套筒夹紧试件。然后就可将仪器和试件一起放到材料试验机上，进行轴向加载实验，可以完成动、静载试验下的侧向稳定参数测量。测试级配骨料组合侧向稳定性时，先调节边缘螺栓，令套筒闭合。再向套筒中加入不同混合方式的骨料，压实后可放到材料试验机上做加载试验。本发明的传感器可在套筒不同横向截面位置预制多个光纤光栅，光纤光栅测量的是套筒的应变值，而套筒是由均匀弹性金属制成，因此光纤光栅测量的应变值可以转化成应力值，多个光纤光栅就可测量多个截面的应力变化。本仪器还置有温度补偿元件，可以消除温度对测试结果的影响。
本发明测试精度高、造价低、便携性、稳定性好，可以测量动静荷载作用下得侧向稳定参数，其通过金属筒给加载中的测试对象弹性的侧向限制，再通过光纤光栅测得的应变反推出侧向限制力来判断测试对象的侧向稳定性的。通过调节金属筒的壁厚改变圆筒的膨胀模量，通常壁厚调节至膨胀模量与同温度下沥青混合料的模量一致，以更好的模拟试件在实际道路结构中的受力状态。在同样的温度和同样的竖向受力情况下，传感器测得的应力越小，说明维持试件稳定所需的测向力越小，则在道路结构中，同样材料加载处对周围材料测向力越小，周围材料发生流动性车辙变形的可能性就越小。
附图说明
附图是基于光纤光栅的沥青路面材料侧向稳定传感器结构示意图。
图中：1侧面开口金属圆筒；2裸光纤光栅；3固定块；4固定带；5螺栓；
6不受力金属片；7跳线；8光纤光栅解调仪。
具体实施方案
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施例。
如图所示，主要包括侧面开口金属圆筒1、裸光纤光栅2、固定块3、固定带4、螺栓5、不受力金属片6和跳线7。将多个裸光纤光栅沿侧向开口金属筒横向外径分别绕在不同截面，并拉紧光栅由固定块固定。金属筒的外侧开口处沿竖向由螺栓固定带上的螺栓固定闭合。
在测试沥青混合料试件侧向稳定性时，将试件放入套筒中，通过螺栓调节，令套筒夹紧试件，松紧程度可由固定在套筒上的光栅应变读数确定。然后可将仪器和试件一起放到材料试验机上，进行轴向动、静加载实验，再通过光纤光栅解调仪读出在不同荷载作用下，圆筒的侧向应变。测试级配骨料组合侧向稳定性时，先调节边缘螺栓，令套筒闭合。再向套筒中加入不同混合方式的骨料，压实后可放到材料试验机上做加载试验，并读数。光纤光栅测量的是套筒的应变值，而套筒是由均匀弹性金属制成，因此光纤光栅测量的应变值可以转化成应力值。另有一条光纤光栅固定在不受力金属片上，作为温度补偿元件，可以消除温度对测试结果的影响。
Claims (8)
1.一种基于光纤光栅的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，该沥青路面材料侧向稳定传感器包括裸光纤光栅、侧面开口金属圆筒、光栅固定块、不受力金属片以及调节金属圆筒直径的控制装置；光纤光栅作为变形敏感元件；将多个光纤光栅沿横向外径不同截面分别绕在侧向开口金属筒上；在侧向开口金属筒上开口处设置多个固定块和两条固定带，固定块用来固定光纤光栅，固定带中间有开孔，允许螺栓进入，以螺栓调节金属筒的直径；不受力金属片设置在侧面开口金属圆筒的边沿，一条光纤光栅固定在不受力金属片上，用来温度补偿。
2.根据权利要求1所述的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，所述的金属圆筒的厚度不大于1.5mm，通过调节金属筒的壁厚改变圆筒的膨胀模量，壁厚调节至膨胀模量与同温度下沥青混合料的模量一致。
3.根据权利要求1或2所述的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，所述的金属圆筒采用弹簧钢。
4.根据权利要求1或2所述的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，所述的固定带采用纤维强化塑料、环氧树脂材料或焊接金属材料构成。
5.根据权利要求3所述的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，所述的固定带采用纤维强化塑料、环氧树脂材料或焊接金属材料构成。
6.根据权利要求1、2或5所述的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，固定块采用纤维强化塑料或环氧树脂材料构成。
7.根据权利要求3所述的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，固定块采用纤维强化塑料或环氧树脂材料构成。
8.根据权利要求4所述的沥青路面材料侧向稳定传感器，其特征在于，固定块采用纤维强化塑料或环氧树脂材料构成。
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