CN109186826A - 一种用于既有道面结构的板底弯拉应力监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于既有道面结构的板底弯拉应力监测系统及方法。系统包括多个安装于跑道中线灯光孔和接地带灯光孔内的光纤光栅传感器、铠装光纤、主光缆4、光纤光栅解调仪、主控终端、分线器、光纤跳线和温补光栅传感器；本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测系统及方法是借助于布置在机场跑道助航灯光孔中的光纤光栅传感器，以真实飞机荷载作用于道面，通过采集测点位置光栅折射光波长来实现对机场跑道板底弯拉应力的测量，不仅能够对机场道面损伤实现监测预警，还避免了对既有道面的破坏、停航检测等问题，而且检测精度高、速度快，具有广阔的应用前景。

Description

一种用于既有道面结构的板底弯拉应力监测系统及方法

技术领域

本发明属于应力监测与道面结构安全技术领域，特别是涉及一种用于既有道面结构的板底弯拉应力监测系统及方法。

背景技术

跑道是机场最主要的基础设施，承担了飞机起降、滑行和停放等任务，是机场功能可以充分发挥的基本平台。在机场跑道混凝土道面板的使用过程中，由于飞机轮载和环境因素的共同作用，道面往往在使用寿命到达之前会出现各种破坏现象，且这些破坏无法预测，从而给航空器运行安全带来非常大的威胁。因此检测其结构性能，监测其健康状况尤为重要。目前，道面应变检测主要采用电子类应变传感器和机械类应变传感器。其中电子类应变传感器抗电磁干扰能力和信号长距离传输能力弱；机械类应变传感器灵敏性差、几何尺寸大，都很难满足现有机场对道面检测的新要求。

光纤光栅传感器测量精度高，使用标准光纤作为传输介质，通过光波传递信号，不受电磁干扰的影响，而且多个光纤光栅传感器的信号传输可由一个光学通道承担，极大地减小了测试组的几何尺寸大小，对道面结构的影响小，可以满足大规模、长距离的测量要求。

目前，利用光纤光栅传感技术对道面板进行结构性能监测，主要采用将光纤光栅传感器预埋于道面板内的方式。但由于光纤光栅传感器结构性能弱，容易在预埋过程中因施工或组装原因造成损坏，无法保证传感器的成活率。而且对于机场既有道面结构，在不影响机场正常通航的情况下，维修、更换已损坏的传感器，成本高且极为困难。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种无需破坏道面结构的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测系统及方法。

为了达到上述目的(暂空)

本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测系统及方法是借助于布置在机场跑道助航灯光孔中的光纤光栅传感器，以真实飞机荷载作用于道面，通过采集测点位置光栅折射光波长来实现对机场跑道板底弯拉应力的测量，不仅能够对机场道面损伤实现监测预警，还避免了对既有道面的破坏、停航检测等问题，而且检测精度高、速度快，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置组成结构示意图。

图2为本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置中光纤光栅传感器布置状态示意图。

图3为本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置及方法进行详细说明。

如图1—图2所示，本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置包括多个安装于跑道中线灯光孔1和接地带灯光孔2内的光纤光栅传感器7、铠装光纤3、主光缆4、光纤光栅解调仪5、主控终端6、分线器8、光纤跳线9和温补光栅传感器；其中每个跑道中线灯光孔1和接地带灯光孔2的侧壁上间隔距离安装有多个光纤光栅传感器7，并且分别通过一根光纤跳线9与分线器8输出端相连而组成一个测试组；分线器8输入端通过光纤熔接机与铠装光纤3连接；铠装光纤3依次连接主光缆4和光纤光栅解调仪5；光纤光栅解调仪5通过无线方式与主控终端6相连；跑道两侧远离受力区的两个助航灯孔中各埋设一个光纤光栅传感器作为温补光栅传感器，并且温补光栅传感器依次连接主光缆4和光纤光栅解调仪5；所述的主控终端6上设有光栅折射光波长数据筛选模块；板底弯拉应力反演模块和评价预警模块；其中光栅折射光波长数据筛选模块包括波长信号处理器以及波长信号存储器；板底弯拉应力反演模块包括剪切应变与板底弯拉应变关系数据库以及板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库；评价预警模块包括机场道面板应力水平评价标准库。

所述的每个跑道中线灯光孔1和接地带灯光孔2侧壁上的多个光纤光栅传感器7分布在与机轮行驶方向相同、相垂直或呈45°角的位置。

所述的分线器8固定在跑道中线灯光孔1或接地带灯光孔2的底面上。

所述的光纤光栅解调仪5设置于飞行区以外的设备间内，以避免因信号传输对飞机的正常通航造成不利影响。

所述的温补光栅传感器与安装于跑道中线灯光孔1和接地带灯光孔2内的光纤光栅传感器7位于同等深度。

所述的光纤跳线9要求材料具有较好的耐腐蚀性、抗疲劳性，弹性范围较宽且在安装过程中保持弧线形，避免出现直角和绕环，以减少光信号传输损失。

所述的光纤光栅传感器7采用带温补的双栅铠装表面式光纤光栅传感器。

如图3所示，采用本发明提供的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置的监测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)利用安装于既有道面板上跑道中线灯光孔1和接地带灯光孔2内的光纤光栅传感器(7)采用200Hz采样频率采集飞机滑行状态下的光栅折射光波长信号，然后经过光纤跳线9、分线器8、铠装光纤3、主光缆4和光纤光栅解调仪5传送给主控终端6的S1阶段；

2)主控终端6中的波长信号处理器自动筛选有效、正确的光栅折射光波长信号，对因施工过程中引起的光纤光栅传感器(5)损坏及使用过程中出现的异常信号进行排除，并将机场跑道各测点位置的光栅折射光波长信号储存在波长信号存储器中的S2阶段；

3)利用温补光栅传感器测量机场实地温度，根据光纤光栅传感器(7)所测光栅折射光波长信号以及温补光栅传感器测量的机场实地温度与应变信号的关系将波长信号存储器中实测的有效光栅折射光波长信号转化为应变信号，从而获取飞机动荷载作用下机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值的S3阶段；

4)根据剪切应变与板底弯拉应变关系数据库中的应变关系，由上述机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值反演板底弯拉应变值的S4阶段；

5)根据板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库中的应力应变关系，由上述板底弯拉应变值反演板底弯拉应力值的S5阶段；

6)以机场道面板应力水平评价标准库中的评价标准作为评价依据，建立机场道面评价预警系统，并利用该系统和上述板底弯拉应力值确定道面板状态的S6阶段。

在步骤3)中，所述的根据光纤光栅传感器(7)所测光栅折射光波长信号以及温补光栅传感器测量的机场实地温度与应变信号的关系将波长信号存储器中实测的有效光栅折射光波长信号转化为应变信号，从而获取飞机动荷载作用下机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值的方法是：

3.1)利用温补光栅传感器测量机场实地温度，并确定温度修正系数B；

3.2)确定光纤光栅传感器7的应变系数、光纤光栅传感器7的初始波长值、光纤光栅传感器7的当前波长值、温补光栅传感器的初始波长值、温补光栅传感器的当前波长值和光纤光栅传感器材料的热膨胀系数，依据光纤光栅传感器中心波长变化和纵向应变变化的对应关系按下式进行转换：

ε＝A(λ₁-λ₀)+B(λ_t1-λ_t0)-α×ΔT

其中：ε——竖向剪切应变量，με；

A——光纤光栅传感器的应变系数，με/nm；

B——温度修正系数，με/nm，B＝1000-K×2.3，其中K是道面板开孔安装助航灯产生的修正系数；

λ₁——光纤光栅传感器的当前波长值，nm；

λ₀——光纤光栅传感器的初始波长值，nm；

λ_t1——温补光栅传感器的当前波长值，nm；

λ_t0——温补光栅传感器的初始波长值，nm；

α——制作光纤光栅传感器材料的热膨胀系数，με/℃；

在步骤4)中，所述的根据剪切应变与板底弯拉应变关系数据库中的应变关系，由上述机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值反演板底弯拉应变值的方法是：

4.1)根据机场跑道设计资料，建立机场跑道有限元模型；

4.2)拟合在飞机动态荷载作用下机场跑道各测点位置的竖向剪切应变值与板底弯拉应变值的关系，从而建立起剪切应变与板底弯拉应变关系数据库；

4.3)依据剪切应变与板底弯拉应变关系数据库中的应变关系，由实测竖向剪切应变值反演板底弯拉应变值。

在步骤5)中，所述的根据板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库中的应力应变关系，由上述板底弯拉应变值反演板底弯拉应力值的方法是：

5.1)根据机场跑道设计资料，建立机场跑道仿真模型；

5.2)拟合在不同机型飞机动态荷载作用下机场跑道各测点位置的板底弯拉应变值与板底弯拉应力值的关系；

5.3)依据上述关系，建立起不同机型的飞机在机场道面滑行时的板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库；

5.4)根据板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库中的应力应变关系，由上述板底弯拉应变值反演板底弯拉应力值。

在步骤6)中，以机场道面板应力水平评价标准库中的评价标准作为评价依据，建立机场道面评价预警系统，并利用该系统和上述板底弯拉应力值确定道面板状态的方法是：

6.1)根据机场跑道设计资料以及道面应力水平评价标准，建立不同受力状态下道面承载极限应力数据库；

6.2)建立仿真模型，考虑区域、季节在内的影响因素及模拟在飞机动态荷载作用下机场跑道各测点位置的受力状态，确定仿真结果预警值；

6.3)综合道面应力水平评价标准以及仿真结果预警值建立机场道面评价预警系统，对比上述实测板底弯拉应力值与预警值，若实测板底弯拉应力值小于预警值，则判定道面板状态良好，若实测板底弯拉应力值大于预警值，则进行报警，以提示道面板处于损伤状态。

Claims (10)

1.一种用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置，其特征在于：所述的板底弯拉应力监测装置包括多个安装于跑道中线灯光孔(1)和接地带灯光孔(2)内的光纤光栅传感器(7)、铠装光纤(3)、主光缆(4)、光纤光栅解调仪(5)、主控终端(6)、分线器(8)、光纤跳线(9)和温补光栅传感器；其中每个跑道中线灯光孔(1)和接地带灯光孔(2)的侧壁上间隔距离安装有多个光纤光栅传感器(7)，并且分别通过一根光纤跳线(9)与分线器(8)输出端相连而组成一个测试组；分线器(8)输入端通过光纤熔接机与铠装光纤(3)连接；铠装光纤(3)依次连接主光缆(4)和光纤光栅解调仪(5)；光纤光栅解调仪(5)通过无线方式与主控终端(6)相连；跑道两侧远离受力区的两个助航灯孔中各埋设一个光纤光栅传感器作为温补光栅传感器，并且温补光栅传感器依次连接主光缆(4)和光纤光栅解调仪(5)；所述的主控终端(6)上设有光栅折射光波长数据筛选模块；板底弯拉应力反演模块和评价预警模块；其中光栅折射光波长数据筛选模块包括波长信号处理器以及波长信号存储器；板底弯拉应力反演模块包括剪切应变与板底弯拉应变关系数据库以及板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库；评价预警模块包括机场道面板应力水平评价标准库。

2.根据权利要求1所述的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置，其特征在于：所述的每个跑道中线灯光孔(1)和接地带灯光孔(2)侧壁上的多个光纤光栅传感器(7)分布在与机轮行驶方向相同、相垂直或呈45°角的位置；所述的温补光栅传感器与安装于跑道中线灯光孔(1)和接地带灯光孔(2)内的光纤光栅传感器(7)位于同等深度。

3.根据权利要求1所述的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置，其特征在于：所述的分线器(8)固定在跑道中线灯光孔(1)或接地带灯光孔(2)的底面上；所述的光纤光栅解调仪(5)设置于飞行区以外的设备间内。

4.根据权利要求1所述的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置，其特征在于：所述的光纤跳线(9)为弧线形。

5.根据权利要求1所述的用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置，其特征在于：所述的光纤光栅传感器(7)采用带温补的双栅铠装表面式光纤光栅传感器。

6.一种采用权利要求1所述用于既有道面结构的板底弯拉应力监测装置的监测方法，其特征在于：所述的监测方法包括按顺序进行的下列步骤：

1)利用安装于既有道面板上跑道中线灯光孔(1)和接地带灯光孔(2)内的光纤光栅传感器(7)采用200Hz采样频率采集飞机滑行状态下的光栅折射光波长信号，然后经过光纤跳线(9)、分线器(8)、铠装光纤(3)、主光缆(4)和光纤光栅解调仪(5)传送给主控终端(6)的S1阶段；

2)主控终端(6)中的波长信号处理器自动筛选有效、正确的光栅折射光波长信号，对因施工过程中引起的光纤光栅传感器(5)损坏及使用过程中出现的异常信号进行排除，并将机场跑道各测点位置的光栅折射光波长信号储存在波长信号存储器中的S2阶段；

3)利用温补光栅传感器测量机场实地温度，根据光纤光栅传感器(7)所测光栅折射光波长信号以及温补光栅传感器测量的机场实地温度与应变信号的关系将波长信号存储器中实测的有效光栅折射光波长信号转化为应变信号，从而获取飞机动荷载作用下机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值的S3阶段；

4)根据剪切应变与板底弯拉应变关系数据库中的应变关系，由上述机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值反演板底弯拉应变值的S4阶段；

5)根据板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库中的应力应变关系，由上述板底弯拉应变值反演板底弯拉应力值的S5阶段；

6)以机场道面板应力水平评价标准库中的评价标准作为评价依据，建立机场道面评价预警系统，并利用该系统和上述板底弯拉应力值确定道面板状态的S6阶段。

7.根据权利要求6所述监测方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的利用温补光栅传感器测量机场实地温度，根据光纤光栅传感器(7)所测光栅折射光波长信号以及温补光栅传感器测量的机场实地温度与应变信号的关系将波长信号存储器中实测的有效光栅折射光波长信号转化为应变信号，从而获取飞机动荷载作用下机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值的方法是：

3.1)利用温补光栅传感器测量机场实地温度，并确定温度修正系数B；

3.2)确定光纤光栅传感器7的应变系数、光纤光栅传感器(7)的初始波长值、光纤光栅传感器(7)的当前波长值、温补光栅传感器的初始波长值、温补光栅传感器的当前波长值和光纤光栅传感器材料的热膨胀系数，依据光纤光栅传感器中心波长变化和纵向应变变化的对应关系按下式进行转换：

ε＝A(λ₁-λ₀)+B(λ_t1-λ_t0)-α×ΔT

其中：ε——竖向剪切应变量，με；

A——光纤光栅传感器的应变系数，με/nm；

B——温度修正系数，με/nm，B＝1000-K×2.3，其中K是道面板开孔安装助航灯产生的修正系数；

λ₁——光纤光栅传感器的当前波长值，nm；

λ₀——光纤光栅传感器的初始波长值，nm；

λ_t1——温补光栅传感器的当前波长值，nm；

λ_t0——温补光栅传感器的初始波长值，nm；

α——制作光纤光栅传感器材料的热膨胀系数，με/℃。

8.根据权利要求6所述监测方法，其特征在于：在步骤4)中，所述的根据剪切应变与板底弯拉应变关系数据库中的应变关系，由上述机场跑道各测点位置的实测竖向剪切应变值反演板底弯拉应变值的方法是：

4.1)根据机场跑道设计资料，建立机场跑道有限元模型；

4.2)拟合在飞机动态荷载作用下机场跑道各测点位置的竖向剪切应变值与板底弯拉应变值的关系，从而建立起剪切应变与板底弯拉应变关系数据库；

4.3)依据剪切应变与板底弯拉应变关系数据库中的应变关系，由实测竖向剪切应变值反演板底弯拉应变值。

9.根据权利要求6所述监测方法，其特征在于：在步骤5)中，所述的根据板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库中的应力应变关系，由上述板底弯拉应变值反演板底弯拉应力值的方法是：

5.1)根据机场跑道设计资料，建立机场跑道仿真模型；

5.2)拟合在不同机型飞机动态荷载作用下机场跑道各测点位置的板底弯拉应变值与板底弯拉应力值的关系；

5.3)依据上述关系，建立起不同机型的飞机在机场道面滑行时的板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库；

5.4)根据板底弯拉应变与板底弯拉应力关系数据库中的应力应变关系，由上述板底弯拉应变值反演板底弯拉应力值。

10.根据权利要求6所述监测方法，其特征在于：在步骤6)中，以机场道面板应力水平评价标准库中的评价标准作为评价依据，建立机场道面评价预警系统，并利用该系统和上述板底弯拉应力值确定道面板状态的方法是：

6.1)根据机场跑道设计资料以及道面应力水平评价标准，建立不同受力状态下道面承载极限应力数据库；

6.2)建立仿真模型，考虑区域、季节在内的影响因素及模拟在飞机动态荷载作用下机场跑道各测点位置的受力状态，确定仿真结果预警值；

6.3)综合道面应力水平评价标准以及仿真结果预警值建立机场道面评价预警系统，对比上述实测板底弯拉应力值与预警值，若实测板底弯拉应力值小于预警值，则判定道面板状态良好，若实测板底弯拉应力值大于预警值，则进行报警，以提示道面板处于损伤状态。