CN107829355A - 一种聚合物光纤监测道路裂缝的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚合物光纤监测道路裂缝的装置及方法，第一聚合物光纤呈抛物线结构，且第一聚合物光纤的两端位于超车道上，第一聚合物光纤的中部位于行车道上，第二聚合物光纤及第三聚合物光纤均呈正弦曲线结构，且第二聚合物光纤的波峰正对第三聚合物光纤的波谷，第二聚合物光纤的波谷正对第三聚合物光纤的波峰，第一聚合物光纤的端部、第二聚合物光纤的端部及第三聚合物光纤的端部均与光时域反射仪相连接，光时域反射仪与监测电脑相连接，该装置及方法能够基于聚合物光纤实现道路裂缝的监测，并且能够对各方向的裂缝进行监测。
Description
技术领域
本发明属于道路结构病害监测技术领域，涉及一种聚合物光纤监测道路裂缝的装置及方法。
背景技术
道路在运营期间会受到各种自然灾害及车辆的磨损作用而产生病害，其中裂缝是道路病害中较为常见、影响较为严重的一种。
道路裂缝监测技术是公路运营管理与后期养护维修的关键。通过有效的监测技术，管理者能够及时地掌握道路裂缝的信息，从而评价路面结构的损伤状态和安全性能，并且做出合适的养护决策，防止路面遭受进一步破坏，提高运营管理水平。在相当长的一段时间内，路面裂缝信息的获取主要依靠人工检测。该方法耗时长、费人力、检测滞后，存在不安全，妨碍交通，结果不准确等缺点，越来越不适应现代道路发展的要求。
随着我国公路建设事业的蓬勃发展，道路裂缝信息溃泛的问题日益突出，道路裂缝监测系统亟待更新。路面检测车的出现解决了人工检测的一些弊端，实现了道路裂缝的半自动化检测。而目前大部分的路面检测车都是基于数字图像处理，该技术后期处理工作量大，检测精度低，受环境干扰大，也无法满足现阶段道路裂缝检测的要求。
光纤传感器根据纤芯原料的不同，大致为石英光纤。其中，石英光纤开发较早，研究也较成熟，目前利用FBG和向后散射的分布式光纤传感技术监测裂缝的传感器已经商品化，且精度较高，在建筑、桥梁、水坝和电站等大型结构工程中广泛应用。但是石英光纤比较纤细，光纤比较脆弱，最大的拉伸率不足1％，光纤在裂缝开裂至4mm处即发生断裂，监测范围小。光纤在粗犷的施工环境下存活率低，这些缺点导致光纤传感技术无法大规模的推广与使用，因此需要开发出一种道路裂缝监测装置，以提高光纤传感器的使用寿命，另外，需要说明的是，现有的监测装置不能对所有方向的裂纹进行检测，聚合物光纤由于其具有一定的延展性，因此需要开发出一种基于聚合物光纤的道路裂缝监测装置，将极大的提高光纤传感器的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种聚合物光纤监测道路裂缝的装置及方法，该装置及方法能够基于聚合物光纤实现道路裂缝的监测，并且能够对各方向的裂缝进行监测。
为达到上述目的，本发明所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置包括第一聚合物光纤传感器、第二聚合物光纤传感器、光时域反射仪及监测电脑，其中，第一聚合物光纤传感器位于基层与下面层之间，第二聚合物光纤传感器位于下面层与上面层之间，第一聚合物光纤传感器及第二聚合物光纤传感器均包括第一聚合物光纤、第二聚合物光纤及第三聚合物光纤，其中，第一聚合物光纤呈抛物线结构，且第一聚合物光纤的两端位于超车道上，第一聚合物光纤的中部位于行车道上，第二聚合物光纤及第三聚合物光纤均呈正弦曲线结构，且第二聚合物光纤的波峰正对第三聚合物光纤的波谷，第二聚合物光纤的波谷正对第三聚合物光纤的波峰，第一聚合物光纤的端部、第二聚合物光纤的端部及第三聚合物光纤的端部均与光时域反射仪相连接，光时域反射仪与监测电脑相连接。
还包括主控电脑，其中，监测电脑通过GPRS模块与主控电脑相连接。
监测电脑还连接有数据库。
第一聚合物光纤的弯曲半径为第一聚合物光纤直径的11倍；
第二聚合物光纤的弯曲半径为第二聚合物光纤直径的11倍；
第三聚合物光纤的弯曲半径为第三聚合物光纤直径的11倍。
第一聚合物光纤的波峰及第三聚合物光纤的波峰均位于超车道上，第一聚合物光纤的波谷及第三聚合物光纤的波谷均位于行车道上。
本发明所述的聚合物光纤监测道路裂缝的方法包括以下步骤：
光时域反射仪发射脉冲激光，所述脉冲激光在第一聚合物光纤、第二聚合物光纤及第三聚合物光纤内传播过程中会产生瑞丽色散及自发拉曼色散，当脉冲激光的光功率超过预设频率时，则脉冲激光在传播过程中产生受激拉曼色散及受激布里渊色散，其中，色散光中的后向色散光会沿着反方向传播至第一聚合物光纤的首端、第二聚合物光纤的首端及第三聚合物光纤的首端，光时域反射仪通过光电转化将所述后向色散光转换为电信号，然后将所述电信号发送至监测电脑中，监测电脑根据所述电信号监测道路的裂缝。
当道路裂缝的宽度越大，则聚合物光纤的光损耗值越大；当道路裂缝的宽度固定时，聚合物光纤与裂缝的夹角越小，则聚合物光纤的光损耗值越大。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置及方法在具体操作时，采用第一聚合物光纤传感器及第二聚合物光纤传感器进行道路裂缝的检测，具体的，第一聚合物光纤传感器及第二聚合物光纤传感器均包括第一聚合物光纤、第二聚合物光纤及第三聚合物光纤，通过第一聚合物光纤、第二聚合物光纤及第三聚合物光纤替换传统的石英光纤，以提高光纤传感器的使用寿命。同时第一聚合物光纤呈抛物线结构，第二聚合物光纤及第三聚合物光纤均呈正弦曲线结构，且第二聚合物光纤的波峰正对第三聚合物光纤的波谷，从而使第一聚合物光纤、第二聚合物光纤及第三聚合物光纤与垂直于行车的方向呈一定夹角，从而更好的达到监测的目的。另外，本发明中通过第三聚合物光纤及第二聚合物光纤监测横向裂缝，通过第一聚合物光纤监测其他方向裂缝，从而实现各方向裂缝的精确监测。
附图说明
图1为本发明的侧视图；
图2为本发明中道路的俯视图；
图3为聚合物光纤与裂缝夹角确定时的示意图；
图4为聚合物光纤弯曲半径确定时的示意图；
图5为聚合物光纤损耗与弯曲直径D的关系图；
图6为聚合物光纤损耗与弯曲直径D关系Gomperz模型拟合结果图。
其中，1为基层、2为下面层、3为上面层、4为GPRS模块、5为主控电脑、6为第一聚合物光纤传感器、7为第二聚合物光纤传感器、8为光时域反射仪、9为监测电脑、10为数据库、11为第一聚合物光纤、12为第二聚合物光纤、13为第三聚合物光纤、14为玻璃板、15为光功率计、16为光源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置包括第一聚合物光纤传感器6、第二聚合物光纤传感器7、光时域反射仪8及监测电脑9，其中，第一聚合物光纤传感器6位于基层1与下面层2之间，第二聚合物光纤传感器7位于下面层2与上面层3之间，第一聚合物光纤传感器6及第二聚合物光纤传感器7均包括第一聚合物光纤11、第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13，其中，第一聚合物光纤11呈抛物线结构，且第一聚合物光纤11的两端位于超车道上，第一聚合物光纤11的中部位于行车道上，第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13均呈正弦曲线结构，且第二聚合物光纤12的波峰正对第三聚合物光纤13的波谷，第一聚合物光纤11的端部、第二聚合物光纤12的端部及第三聚合物光纤13的端部均与光时域反射仪8相连接，光时域反射仪8与监测电脑9相连接，第一聚合物光纤12的波峰及第三聚合物光纤13的波峰均位于超车道上，第一聚合物光纤12的波谷及第三聚合物光纤13的波谷均位于行车道上。
本发明还包括主控电脑5，其中，监测电脑9通过GPRS模块4与主控电脑5相连接；监测电脑9还连接有数据库10。
第一聚合物光纤11的弯曲半径为第一聚合物光纤11直径的11倍；第二聚合物光纤12的弯曲半径为第二聚合物光纤12直径的11倍；第三聚合物光纤13的弯曲半径为第三聚合物光纤13直径的11倍。
本发明所述的聚合物光纤监测道路裂缝的方法包括以下步骤：
光时域反射仪8发射脉冲激光，所述脉冲激光在第一聚合物光纤11、第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13内传播过程中会产生瑞丽色散及自发拉曼色散，当脉冲激光的光功率超过预设频率时，则脉冲激光在传播过程中产生受激拉曼色散及受激布里渊色散，其中，色散光中的后向色散光会沿着反方向传播至第一聚合物光纤11的首端、第二聚合物光纤12的首端及第三聚合物光纤13的首端，光时域反射仪8通过光电转化将所述后向色散光转换为电信号，然后将所述电信号发送至监测电脑9中，监测电脑9根据所述电信号监测道路的裂缝。
当道路裂缝的宽度越大，则聚合物光纤的光损耗值越大；当道路裂缝的宽度固定时，聚合物光纤与裂缝的夹角越小，则聚合物光纤的光损耗值越大。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：
第一聚合物光纤11、第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13与垂直于行车的方向呈一定夹角，可以更好的达到监测的目的；光时域反射仪8发射脉冲激光，所述脉冲激光在第一聚合物光纤11、第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13内传播过程中会产生瑞丽色散及自发拉曼色散，当脉冲激光的光功率超过一定频率时，则在传播过程中会产生受激拉曼色散及受激布里渊色散，其中，色散光中的后向色散光会沿着反方向传播至第一聚合物光纤11的首端、第二聚合物光纤12的首端及第三聚合物光纤13的首端，从而被光时域反射仪8通过光电转化为电信号，监测电脑9根据所述电信号进行数据整合及分析，得道路结构的健康状态，再将道路结构的健康状态存入数据库10中，同时将道路结构的健康状态经GPRS模块4发送至主控电脑5中。
在实际操作时，需要将第一聚合物光纤11、第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13放松，使光纤在纵向方向上有一定的变形余量，光纤的拐弯部位选择合适的弯曲半径。
参考图3，聚合物光纤与预裂缝夹角的确定过程为：
1)使用两块玻璃板14模拟混凝土，其中，一块玻璃板14固定不动，通过移动另一块玻璃板14来模拟混凝土裂缝的开裂过程，试验前，用量角器在玻璃板14上量取一定的角度，并做好记号，再用环氧树脂将第一聚合物光纤11及第二聚合物光纤12粘贴在玻璃板14上，夹角依次取值为10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°及80°，其中，夹角的布置方案如图3所示；
2)采用游标卡尺控制预裂缝的宽度，将第一聚合物光纤11及第二聚合物光纤12分别进行三组试验，其中，三组试验的裂缝宽度分别为1.85mm、3.7mm及5.55mm，其中，每次试验时均将两块玻璃板14移动到预设的裂缝宽度，静置半个小时后再获取监测电脑9上的读数，以消除聚合物光纤蠕变对读数的影响；再通过减去初始光功率值的方法得到光损耗值。所得光损耗值的结果如下表1所示。
表1
从表1可以看出，裂缝宽度越大，则光损耗值越大。同一宽度条件下，夹角越小，光损耗值越大。在图2中，第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13主要监测横向裂缝，第一聚合物光纤11主要监测其他方向裂缝，从而避免其他方向裂缝不能被第二聚合物光纤12及第三聚合物光纤13精确监测到。
聚合物光纤弯曲半径确定方法为：
参考图4，试验所需设备为光源16、不同直径的玻璃棒、光功率计15及测试用的聚合物光纤，其中，测试用的聚合物光纤记作第一测试光纤及第二测试光纤，其中，第一测试光纤及第二测试光纤的线芯直径为0.25mm和0.5mm，将第一测试光纤及第二测试光纤在玻璃棒上缠绕十圈，测试光纤在不同弯曲直径下的弯曲损耗值，试验时，同一个弯曲半径条件下，测试三组数据，计算其平均值，将该平均值作为该半径的光纤对应的光功率值；以光纤拉直状态为参考值，将初始值减去不同弯曲半径得到的光功率值，得该弯曲半径状态下光纤的损耗值再根据光线的损耗值计算光纤的弯曲损耗系数A，其中，
所得成果如下表2所示。
表2
在同一检测波长的条件下，第一测试光纤和第二测试光纤的弯曲损耗值都随着半径的减小而增大，其中，以弯曲半径为x轴，弯曲损耗为y轴，可以绘制出弯曲半径-弯曲损耗的曲线，如图5所示。
从实测结果初步判断，光纤的弯曲损耗与弯曲半径呈非线性关系,光纤弯曲过程中，当弯曲直径小于8mm时，随着弯曲半径的逐渐增大，光线的光损耗值以指数的形式递减；当弯曲直径大于8mm时，光线的弯曲损耗值趋于平缓；第二测试光纤的弯曲损耗在微观弯曲时，明显大于第一测试光纤，这是由于第二测试光纤的纤芯直径较大，更容易受到弯曲损耗的影响。
为了进一步的分析弯曲损耗值与弯曲半径的关系，采用Gomperz模型对光损耗值与弯曲半径的结果进行拟合回归，且Gomperz模型的相关系数都在0.99以上，如图6所示。
从结果中可以直观的看到，随着弯曲直径的增大，测试光纤的损耗值先呈指数形式的减小，随后基本保持不变，并存在明显的拐点。通过对两组光纤试验结果的分析可知，当弯曲直径为光纤直径的11倍时，第一测试光纤和第二测试光纤的光损耗系数分别为0.622467及0.738274，光损耗系数均小于1dBm/m，此时测试光纤处于宏观弯曲状态，即测试光线弯曲直径的增大对光纤弯曲损耗的影响较小。
综上所示，在布设聚合物光纤时，宜将聚合物光纤的弯曲直径保持在聚合物光纤直径的11倍左右。这样可以解决弯曲直径过小导致损耗过大、测试信号失真等问题，同时可以避免弯曲直径过大导致监测覆盖面小、光纤铺张浪费、光纤利用率低等问题。
Claims (7)
1.一种聚合物光纤监测道路裂缝的装置，其特征在于，包括第一聚合物光纤传感器(6)、第二聚合物光纤传感器(7)、光时域反射仪(8)及监测电脑(9)，其中，第一聚合物光纤传感器(6)位于基层(1)与下面层(2)之间，第二聚合物光纤传感器(7)位于下面层(2)与上面层(3)之间，第一聚合物光纤传感器(6)及第二聚合物光纤传感器(7)均包括第一聚合物光纤(11)、第二聚合物光纤(12)及第三聚合物光纤(13)，其中，第一聚合物光纤(11)呈抛物线结构，且第一聚合物光纤(11)的两端位于超车道上，第一聚合物光纤(11)的中部位于行车道上，第二聚合物光纤(12)及第三聚合物光纤(13)均呈正弦曲线结构，且第二聚合物光纤(12)的波峰正对第三聚合物光纤(13)的波谷，第二聚合物光纤(12)的波谷正对第三聚合物光纤(13)的波峰，第一聚合物光纤(11)的端部、第二聚合物光纤(12)的端部及第三聚合物光纤(13)的端部均与光时域反射仪(8)相连接，光时域反射仪(8)与监测电脑(9)相连接。
2.根据权利要求1所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置，其特征在于，还包括主控电脑(5)，其中，监测电脑(9)通过GPRS模块(4)与主控电脑(5)相连接。
3.根据权利要求1所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置，其特征在于，监测电脑(9)还连接有数据库(10)。
4.根据权利要求1所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置，其特征在于，第一聚合物光纤(11)的弯曲半径为第一聚合物光纤(11)直径的11倍；
第二聚合物光纤(12)的弯曲半径为第二聚合物光纤(12)直径的11倍；
第三聚合物光纤(13)的弯曲半径为第三聚合物光纤(13)直径的11倍。
5.根据权利要求1所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置，其特征在于，第一聚合物光纤(12)的波峰及第三聚合物光纤(13)的波峰均位于超车道上，第一聚合物光纤(12)的波谷及第三聚合物光纤(13)的波谷均位于行车道上。
6.一种聚合物光纤监测道路裂缝的方法，其特征在于，基于权利要求1所述的聚合物光纤监测道路裂缝的装置，包括以下步骤：
光时域反射仪(8)发射脉冲激光，所述脉冲激光在第一聚合物光纤(11)、第二聚合物光纤(12)及第三聚合物光纤(13)内传播过程中会产生瑞丽色散及自发拉曼色散，当脉冲激光的光功率超过预设频率时，则脉冲激光在传播过程中产生受激拉曼色散及受激布里渊色散，其中，色散光中的后向色散光会沿着反方向传播至第一聚合物光纤(11)的首端、第二聚合物光纤(12)的首端及第三聚合物光纤(13)的首端，光时域反射仪(8)通过光电转化将所述后向色散光转换为电信号，然后将所述电信号发送至监测电脑(9)中，监测电脑(9)根据所述电信号监测道路的裂缝。
7.根据权利要求6所述的聚合物光纤监测道路裂缝的方法，其特征在于，当道路裂缝的宽度越大，则聚合物光纤的光损耗值越大；当道路裂缝的宽度固定时，聚合物光纤与裂缝的夹角越小，则聚合物光纤的光损耗值越大。
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