CN110424227A - 用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，包括透水砖铺装、透水混凝土铺装、透水沥青铺装等人工海绵设施。光纤传感系统由光纤信号线、嵌入式光纤应力传感装置、光纤信号解调装置组成。嵌入式光纤应力传感装置沿不同角度铺设在透水铺装上下表面，光纤信号解调装置连接于输出光纤。本系统根据透水铺装上下表面的嵌入式光纤应力传感装置输出波长信号的波动变化确定时间差，进而评价透水铺装面层透水性能；综合考量透水铺装面层工作状况，并由此确定透水铺装面层冲洗周期及维护更换周期。

Description

用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统

技术领域

本发明属于海绵城市技术领域，尤其涉及一种用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统。

背景技术

随着城市化的快速推进，大量面积的硬质不透水水泥路面相继铺设，这不仅影响了原地面的水文特性，还干预了自然的水文循环。由于传统的水泥路面无法快速渗透及排放雨水，无法满足雨水排放量要求，导致暴雨时易引起城市给水内涝等灾害，对人民的生命财产安全造成了极其严重的危害。

针对近年来城市中的硬质路面造成的雨水排放问题，提出了海绵城市技术。海绵城市是指城市在适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的“弹性”，通用术语为“低影响开发雨水系统构建”。海绵城市技术主要通过渗、滞、蓄、净、用、排等措施，将降雨就地消纳和利用。海绵城市建设主要包括透水铺装、下凹式绿地、绿色屋顶等技术，因地制宜，就地取材地建设海绵设施，是解决城市内涝问题，高效解决城市雨水污染的必要途径。而透水铺装具有良好的透水、透气性能，可使雨水迅速渗入地下，补充土壤水和地下水被广泛使用。但在使用过程中，天然雨水中夹携的SS等多种固态杂质，在渗透过程中易造成透水面层堵塞，从而导致透水性能下降，需要进行及时的冲洗维护，因此，需要对透水面层透水性能进行及时高效的监测评估。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其不仅可以利用光纤灵敏、精确的特点对透水性能进行准确的监测及反馈，并能够根据反馈的结果对面层冲洗及维护周期提供方案，保证透水铺装正常发挥效能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，包括光纤信号线、嵌入式光纤应力传感装置，光纤信号解调装置通过光纤信号线与嵌入式光纤应力传感装置连接，嵌入式光纤应力传感装置沿多种角度设置在透水铺装中。

按上述技术方案，嵌入式光纤应力传感装置包括包括外壳及设置在其内部的阻尼、悬臂梁、布拉格光栅、质量块，光纤信号解调装置用于测量布拉格光栅的发射光波长并记录变化时间节点。雨水直接作用在嵌入式光纤应力传感装置的外壳，再通过外壳传到各个部件，外壳起到保护和固定传感器的作用。

按上述技术方案，所用阻尼为液体阻尼，用于隔绝压力。

按上述技术方案，悬臂梁的一端用于固定布拉格光栅，悬臂梁的另一端固定质量块，悬臂梁通过固定基座固定在嵌入式光纤应力传感装置的外壳上。

按上述技术方案，质量块用于感知外部应力变化。

按上述技术方案，光纤布拉格光栅用于感知外部压力变化并转化为反射波长偏移量。液体阻尼填满在嵌入式光纤应力传感装置的整个外壳中。

按上述技术方案，外壳材质为铝合金。

当雨水落下打至传感装置时，此处的外界应力环境会发生变化，导致布拉格光栅内部折射率发生变化，从而改变布拉格光栅反射的光中心波长，此时由光纤信号解调装置输出的光信号通过布拉格光栅反射回来，并通过光接收器的作用使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所监测的测量点接触到雨水的时刻。由于在雨水渗透量不同的条件下，雨水由透水铺装的上端测量点渗透至下端测量点的时间差不同，由此可以建立此时间差与透水铺装面层透水性能之间的数学模型关系，继而根据时间差直接确定面层的工作状况，并以此数据为依据判断面层的冲洗周期及维护更换周期。

本发明产生的有益效果是：1、由于透水铺装的厚度较小，雨水下渗的时间间隔较短，本系统中采用光纤作为传输信号的介质，不仅灵敏度高，测量速度快，而且测量的结果准确度高。2、传感系统通过布拉格光栅确定上下侧两处的雨水落下及渗出，传输信息更加准确及时。3、本系统通过两个测量点与雨水相遇的时间差与雨水渗透量之间的数学模型关系，根据监测到的时间差来确定雨水渗透量的大小；通过光纤信号与雨水流量及透水铺装渗透性的数学模型，确定当前雨水流量及透水铺装工作状况，综合考量可以实现对系统的准确和智能化运行控制。5、通过两个测量点的时间差的大小及下侧面的应力变化比较，可以评估透水铺装面层透水性能。6、通过对透水面层性能的评估，对面层冲洗维护周期进行判断，可以优化透水铺装效能，降低因使用年限的增加导致的性能损耗。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1为本发明实施例系统结构示意图；

图2为一体化传感系统结构示意图；

其中，1、透水铺装面层；2、嵌入式光纤应力传感装置；3、输出光纤；4、光纤信号解调装置；5、阻尼；6、悬臂梁；7、布拉格光栅；8、质量块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例中，如图1、图2所示为本发明实施例用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的传感控制系统，包括透水铺装面层1、嵌入式光纤应力传感装置2、输出光纤3、光纤信号解调装置4。嵌入式光纤应力传感装置2嵌入在透水铺装面层1的上下侧面；光纤信号解调装置4通过输出光纤与嵌入式光纤应力传感装置2相连。嵌入式光纤应力传感装置包括包括外壳及设置在其内部的阻尼5、悬臂梁6、布拉格光栅7、质量块8，外壳材质为铝合金。光纤信号解调装置用于测量布拉格光栅的发射光波长并记录变化时间节点。雨水直接作用在嵌入式光纤应力传感装置的外壳，再通过外壳传到各个部件，外壳起到保护和固定传感器的作用。悬臂梁的一端用于固定布拉格光栅，悬臂梁的另一端固定质量块，悬臂梁通过固定基座固定在嵌入式光纤应力传感装置的外壳上。所用阻尼为液体阻尼，用于隔绝压力。

嵌入式光纤应力传感装置2沿多种角度铺设在透水铺装面层1表面及下侧面，用于解决光纤布拉格光栅的温度应力交叉敏感问题及保护内部布拉格光栅，用于评估透水铺装渗透工况。

透水铺装面层1以透水砖1为例，当雨水打至位于透水砖1上侧面的嵌入式光纤应力传感装置2时，此处的外界应力环境会发生变化，导致位于嵌入式光纤应力传感装置2内部的质量块8带动悬臂梁6产生形变，从而导致布拉格光栅7折射率发生变化，从而改变布拉格光栅反射的光中心波长，此时由光纤信号解调装置4输出的光信号通过布拉格光栅反射回来，并通过光接收器的作用使光信号变为电信号，最后经信号处理得到该测量点接触雨水的时刻t1。同样，当雨水渗透至透水砖1的下端测量点时，可以确定雨水渗透至透水砖1下端的时刻t2，因此雨水由透水砖1的上端渗透至下端的时间为t2-t1，即时间差△t。因而可以建立此时间差△t与透水铺装面层透水性能之间的数学模型关系，继而根据已建立好的模型关系，依据时间差△t确定面层性能，并以此确定该透水面层的冲洗周期及维护更换周期，确保透水铺装满足海绵城市建设需求，又能实现低影响开发的理念，避免内涝等灾害的发生，经济便捷的解决透水铺砖随使用年限增加效能降低的问题。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其特征在于，包括光纤信号线、嵌入式光纤应力传感装置，光纤信号解调装置通过光纤信号线与嵌入式光纤应力传感装置连接，嵌入式光纤应力传感装置沿多种角度设置在透水铺装中。

2.根据权利要求1所述的用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其特征在于，嵌入式光纤应力传感装置包括外壳及设置在其内部的阻尼、悬臂梁、布拉格光栅、质量块，光纤信号解调装置用于测量布拉格光栅的发射光波长并记录变化时间节点。

3.根据权利要求2所述的用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其特征在于，所用阻尼为液体阻尼，用于隔绝压力。

4.根据权利要求2或3所述的用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其特征在于，悬臂梁的一端用于固定布拉格光栅，悬臂梁的另一端固定质量块，悬臂梁通过固定基座固定在嵌入式光纤应力传感装置的外壳上。

5.根据权利要求2或3所述的用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其特征在于，质量块用于感知外部应力变化。

6.根据权利要求2或3所述的用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其特征在于，光纤布拉格光栅用于感知外部压力变化并转化为反射波长偏移量。

7.根据权利要求2或3所述的用于评估海绵城市透水铺装面层透水性能的光纤传感系统，其特征在于，外壳材质为铝合金。