CN105064187B - 基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器 - Google Patents
基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，属于道路设备技术领域。其特征是布设在被测沥青路面层底部，布设层下层压实平整后，将传感器放置于待测位置，之后直接进行道路铺设、碾压。可以适用于动静态加载形式，螺旋钢管紧贴道路结构层随之发生弯曲变形，实时测量出各个光纤光栅的应变值。利用多项式拟合等方法利用各离散点的光纤光栅应变值拟合出传感器所在位置的整条连续应变曲线，再利用曲率应变转换条的截面形状计算出道路结构层底部的动静态变化曲线。也可以通过长期数据采集，监测路面结构的竖向永久变形。本发明的效果和益处是造价低，使用简单，布设方便，不影响路面正常施工，精度高，测试范围大，动静态都可测试。
Description
技术领域
本发明属于道路实验设备技术领域，涉及到的是一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器。
背景技术
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，并容易引发恶性交通事故。长期以来，国内外沥青混合料设计都以经验法为主，随着人们对道路结构承受高交通量、重荷载以及长寿命的要求不断增加，道路结构性能及其损伤演化规律的把握越来越受到重视，国内外道路工程界的研究工作加重了力学分析在道路结构设计中的应用。道路结构的早期病害问题的根本解决需要对道路材料、结构、水文地质、荷载及环境等因素综合作用力学行为的准确把握，而缺乏有效的现场测试手段提供参考数据是这项工作的关键阻力之一。
道路结构的恶劣服役环境和沥青混合料的特性要求埋在道路结构中的传感器需能承受高温达160℃、潮湿的工作环境、高碾压力、重复重荷载等，并且有大的覆盖面，因此绝大多数传统的土木工程传感器不能直接用于道路结构中。
道路结构在承受交通荷载时竖向的变形最明显，应力场分布观测中竖向变形也最为重要。但现场布设的竖向变形传感器在道路成型过程中要同道路结构一起承受大变形量达到200,000个微应变以上，精细应力场测量又需要传感器精确到几十个甚至几个微应变；柔性路面结构成型时的高碾压力要求传感器有足够的刚度来保护内部敏感元件，但道路结构成型后的柔性特质又要求传感器刚度不能太大以能与其协同变形。这些高精度与大量程、刚性同时兼具柔性的矛盾要求使得市场上现有的传感器很难满足，不是精度不够高就是成活率太低。道路结构的材料不均匀性和大尺度又要求传感器的造价不能太高，以满足多监测点的需求。
同时，道路结构的振动特征常用来做道路结构内部模量、层厚等参数反演的重要途径。例如弯沉仪、表面波技术等都是利用路面的动态响应反推内部材料状态及参数的。但是目前对于路面结构动态响应的测量主要还是集中于表面加速度等信号的采集。道路结构是在深度和水平方向都有很大尺寸的三维结构，仅表面的动态信号用作结构内部材料参数的整体反演由于输入信息不足必然会造成不是唯一解也就是多个解的情况出现。而且对各类结构的振动测试反演研究也表明利用动态应变信息反演结构状态要比加速度信息精度高。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器。解决了连续竖向动静态变形监测路面结构难以实现高精度、高成活率、低造价、布设方法简单、覆盖范围大的的问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，包括裸光纤光栅、曲率应变转换条、单端固定块、螺旋钢管、固定线、方向控制座、防水套；裸光纤光栅作为变形敏感元件。
曲率应变转换条表面沿纵向直线贴有多个裸光纤光栅或裸光纤光栅串，穿于螺旋钢管中。曲率应变转换条的一端由单端固定块与螺旋钢管固接，保证曲率应变转换条与螺旋钢管不发生相对运动，且光纤光栅位于曲率应变转换条与螺旋钢管接触线的正对方。固定线在特定位置从螺旋钢管的螺旋缝隙绕紧曲率应变转换条，固定线接头粘于螺旋钢管外侧，固定线的作用是保证曲率应变转换条在螺旋钢管截面方向与螺旋钢管不发生相对运动，但在轴向上可以自由活动，这样在螺旋钢管发生弯曲变形时，曲率应变转换条也受迫只进行纯弯曲变形，在轴向上并不额外受力。在螺旋钢管外部套有薄防水套，防止布设后水份进入。分别将测试段螺旋钢管的两端固定在方向控制座上，传感器布设时放置在平整面上能保证曲率应变转换条根据布设设计要求处于螺旋钢管的正上方或正下方。
曲率应变转换条由高弹性纤维强化塑料(FRP，Fiber Reinforced Polymer)或金属材料构成；单端固定块采用环氧树脂材料或金属材料构成，主要起固定作用；固定线为表面光滑、变形小、强度高的工程塑料线或金属丝；方向控制座则由金属材料或纤维强化塑料构成；防水套由塑料材料构成。
该沥青路面连续竖向变形监测传感器布设在被测沥青路面层底部。布设层下层压实平整后，将传感器放置于待测位置，在单个或两个方向控制座底部与底面层固定，以稳定传感器布设位置及方向。光纤光栅传输段经由保护线引至道路结构外测试点。之后按沥青路面成型程序完成被测沥青路面层的摊铺及碾压。传感器放置固定及路面层碾压完成后分别进行光纤光栅应变测量，以获取初始参考值，了解传感器，即被测路面层底，初始形态。在进行道路结构竖向应变场测试时，同时适用于动静态加载形式，螺旋钢管紧贴道路结构层随之发生弯曲变形，实时测量出各个光纤光栅的应变值。利用多项式拟合等方法以各离散点的光纤光栅应变值拟合出传感器所在位置的整条连续应变曲线，再利用曲率应变转换条的截面形状可以轻易的计算出曲率应变转换条的整条弯曲状态曲线，也就近似等同于道路结构层底部的动静态竖向变化曲线。通过改变光纤光栅的放置数量、密度和测试长度可改变道路结构层底部的动静态变化曲线的测试精度。每次测试的变化曲线与初始状态的传感器测试曲线差即为被测层的连续竖向变形曲线。通过长期数据采集，监测路面结构的竖向永久变形。
本发明还有这样一些技术特征：
所述竖向变形监测传感器由多个裸光纤光栅或裸光纤光栅串同时测试，完成竖向变形重构，不能仅用单一光纤光栅；测试精度的提高由增加光纤光栅数量和密度实现；
所述竖向变形监测传感器需有足够的测试长度，保证至少一端方向控制座处受力或变形很小，过渡到主要变形区域的部分稀疏布置光纤光栅，主要变形区域光栅相对密集；
所述竖向变形监测传感器的防水套选用薄和偏硬材料，以减少吸收道路结构传递给光纤敏感元件的振动响应；
本发明的效果和益处是①传感器布设方便，不影响路面正常施工，且施工过程中的高碾压力不会对传感器造成破坏，成活率高；②由于光栅光纤本身的精确性，近似绝对测量，加上高弹性和线性度的FRP或金属材料构成的曲率应变转换条，可使竖向变形测试精度很高；③螺旋钢管本身可以轻易弯曲变形，截面尺寸较小的曲率应变转换条弯曲变形亦不需太大的外力，因此在传感器所在竖平面传感器表现很强的柔性，易于与道路结构一起变形，且对道路结构本身应变场影响较小；④传感器不仅是测量单点的竖向变形，而且可以测量连续区域的竖向变形，传感器螺旋钢管亦可以起到一定的柔化过渡作用，不受单点由于材料不均匀造成的应变奇异现象影响；⑤传感器可以提供结构内部精确的动态竖向应变值，为基于振动分析的结构参数反演提供更多有效数据；⑥相对其他测试竖向应变传感器，扩展到相同监控范围尺度，本传感器造价要低很多；⑦本传感器亦可用于长期永久变形监测。
附图说明
附图1是基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器主要部件结构示意图。
图中：1传输光纤；2光栅；3曲率应变转换条；4单端固定块；5螺旋钢管；6固定线；7方向控制座；8防水套。
附图2是传感器整体布设示意图。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图所示，主要包括传输光纤1、光栅2、曲率应变转换条3、单端固定块4、螺旋钢管5、固定线6、方向控制座7、防水套8。
曲率应变转换条表面沿纵向直线贴有多个裸光纤光栅或裸光纤光栅串，曲率应变转换条穿于螺旋钢管中。曲率应变转换条的一端利用单端固定块与螺旋钢管固接，保证曲率应变转换条与螺旋钢管不发生相对运动，且光纤光栅位于曲率应变转换条与螺旋钢管接触线的正对方。传感器埋设时可以根据需要设置曲率应变转换条处于螺旋钢管正上方或正下方。
利用固定线在选定位置以一定密度从螺旋钢管的螺旋缝隙绕紧曲率应变转换条，固定线接头粘于螺旋钢管外侧，固定线需表面光滑，作用是保证曲率应变转换条在螺旋钢管截面方向与螺旋钢管不发生相对运动，但在轴向上可以自由活动。因此在螺旋钢管发生弯曲变形时，曲率应变转换条也受迫只进行纯弯曲变形，在轴向上并不额外受螺旋钢管带来的拉力。因为曲率应变转换条截面尺寸固定，光栅应变只与所在点的曲率半径有关，且成反比例。在忽略光纤本身尺寸刚度影响时，按如下关系式计算：
1/ρ＝ε/y
其中ρ为所测点曲率半径，ε是光纤光栅应变，y为光栅距曲率应变转换条中性轴距离。若考虑光纤尺寸刚度影响，则光栅与所在点曲率可由有限元建模方法计算，由于所用材料的线弹性特质，光栅应变与所在点的曲率半径仍是线性关系。
在螺旋钢管外部套有薄塑料防水套，防止布设后水份进入。分别将测试段螺旋钢管的两端固定在方向控制座上，布设时传感器放置在平整面上以保证曲率应变转换条根据布设要求处于螺旋钢管的正上方或正下方。
该沥青路面连续竖向变形监测传感器适合布设在被测沥青路面层底部。布设层下层压实平整后，将传感器放置于待测位置，在单个或两个方向控制座底部与底面层固定，以稳定传感器布设位置及方向。光纤光栅传输段经由保护线引至道路结构外测试点。之后按沥青路面成型程序完成被测沥青路面层的摊铺及碾压。传感器放置固定后及路面层碾压完成后可分别进行光纤光栅应变测量，以获取初始参考值，了解传感器，即被测路面层底，初始形态。在进行道路结构竖向应变场测试时，适用于动静态加载形式，螺旋钢管紧贴道路结构层随之发生弯曲变形，实时测量出各个光纤光栅的应变响应。利用多项式拟合等方法以各离散点的光纤光栅应变值拟合出传感器所在位置的整条连续应变曲线，再利用曲率应变转换条的截面形状可以轻易的计算出曲率应变转换条的整条弯曲状态曲线，也就近似等同于道路结构层底部的动静态竖向变化曲线。道路结构层底部的动静态变化曲线的测试精度由光纤光栅的放置数量、密度和测试长度来改变。以变形很小的方向控制座处为曲线对齐点，每次测试的变化曲线与初始状态的传感器测试曲线差即为被测层的连续竖向变形曲线。通过长期数据采集，监测路面结构的竖向永久变形。
Claims (12)
1.一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，包括裸光纤光栅、曲率应变转换条、单端固定块、螺旋钢管、固定线、方向控制座、防水套；其特征在于：裸光纤光栅作为变形敏感元件；曲率应变转换条表面沿纵向直线贴有多个裸光纤光栅，曲率应变转换条穿于螺旋钢管中；曲率应变转换条的一端利用单端固定块与螺旋钢管固接，光纤光栅位于曲率应变转换条与螺旋钢管接触线的正对方；固定线在特定位置从螺旋钢管的螺旋缝隙绕紧曲率应变转换条，固定线接头粘于螺旋钢管外侧；螺旋钢管外部套有防水套；测试段螺旋钢管的两端固定在方向控制座上。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：传感器由多个裸光纤光栅同时测试，不能仅用单一光纤光栅。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：传感器的长度大于被测变形区域长度，起始端的方向控制座远离被测变形区域，变形区域光栅布置比起始区域密集。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：曲率应变转换条由高弹性纤维强化塑料或金属材料构成；单端固定块采用环氧树脂材料或金属材料构成；固定线为工程塑料线或金属丝；方向控制座则由金属材料或纤维强化塑料构成；防水套由薄硬塑料材料构成。
5.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：曲率应变转换条由高弹性纤维强化塑料或金属材料构成；单端固定块采用环氧树脂材料或金属材料构成；固定线为工程塑料线或金属丝；方向控制座则由金属材料或纤维强化塑料构成；防水套由薄硬塑料材料构成。
6.根据权利要求1、2或5所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：该传感器布设在被测沥青路面层底部；布设层下层压实平整后，将传感器放置于待测位置，在单个或两个方向控制座底部与底面层简单固定。
7.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：该传感器布设在被测沥青路面层底部；布设层下层压实平整后，将传感器放置于待测位置，在单个或两个方向控制座底部与底面层简单固定。
8.根据权利要求4所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：该传感器布设在被测沥青路面层底部；布设层下层压实平整后，将传感器放置于待测位置，在单个或两个方向控制座底部与底面层简单固定。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：用于动静态加载形式时，螺旋钢管紧贴道路结构层随之发生弯曲变形，实时测量出各个光纤光栅的应变响应；利用多项式拟合方法以各离散点的光纤光栅应变值拟合出传感器所在位置的整条连续应变曲线，再利用曲率应变转换条的截面形状计算出曲率应变转换条的整条弯曲状态曲线；以变形很小的方向控制座处为曲线对齐点，每次测试的变化曲线与初始状态的传感器测试曲线差即为被测层的连续竖向变形曲线。
10.根据权利要求3所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：用于动静态加载形式时，螺旋钢管紧贴道路结构层随之发生弯曲变形，实时测量出各个光纤光栅的应变响应；利用多项式拟合方法以各离散点的光纤光栅应变值拟合出传感器所在位置的整条连续应变曲线，再利用曲率应变转换条的截面形状计算出曲率应变转换条的整条弯曲状态曲线；以变形很小的方向控制座处为曲线对齐点，每次测试的变化曲线与初始状态的传感器测试曲线差即为被测层的连续竖向变形曲线。
11.根据权利要求4所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：用于动静态加载形式时，螺旋钢管紧贴道路结构层随之发生弯曲变形，实时测量出各个光纤光栅的应变响应；利用多项式拟合方法以各离散点的光纤光栅应变值拟合出传感器所在位置的整条连续应变曲线，再利用曲率应变转换条的截面形状计算出曲率应变转换条的整条弯曲状态曲线；以变形很小的方向控制座处为曲线对齐点，每次测试的变化曲线与初始状态的传感器测试曲线差即为被测层的连续竖向变形曲线。
12.根据权利要求6所述的一种基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器，其特征在于：用于动静态加载形式时，螺旋钢管紧贴道路结构层随之发生弯曲变形，实时测量出各个光纤光栅的应变响应；利用多项式拟合方法以各离散点的光纤光栅应变值拟合出传感器所在位置的整条连续应变曲线，再利用曲率应变转换条的截面形状计算出曲率应变转换条的整条弯曲状态曲线；以变形很小的方向控制座处为曲线对齐点，每次测试的变化曲线与初始状态的传感器测试曲线差即为被测层的连续竖向变形曲线。
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2015
- 2015-05-18 CN CN201510253059.6A patent/CN105064187B/zh active Active
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