CN111366093B - 一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器 - Google Patents

Abstract

一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，它涉及一种光纤传感器，本发明为满足寒区路面结构力学性能测试和冬季抗滑融雪的需求，设计一种可同时实现对寒区路面结构内部力学响应测试和对路面冰雪融化的多功能分布式光纤传感器。本发明包括多个横向传感元件和多个纵向传感元件，多个横向传感元件并排平行设置，且多个横向传感元件的首尾依次连接形成串联结构；多个纵向传感元件沿横向传感元件的长度方向并排设置，且多个纵向传感元件的首尾依次连接，横向传感元件沿长度方向的中心线与纵向传感元件沿长度方向的中心线垂直。受力光纤负责采集寒区路面结构内部应变数据、导热电阻过通电发热进行融雪，实现寒区路面监测设备的多功能化。

Description

一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤传感器，具体涉及一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，本发明属于光纤传感器技术领域。

背景技术

掌握路面结构内部力学响应是寒区路面长期服役性能评估的必要手段。同时对于寒区路面，冬季路面的积雪和薄冰会降低路表的抗滑性能，很大程度上影响行车安全和交通通行能力，所以寒区路面的高效融雪、除冰同样是十分重要的。

随着光纤传感技术的发展，光纤传感器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、高绝缘性、测量范围广、便于复用成网等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗等领域被广泛应用。但道路在实际服役过程中，车辆荷载的不确定性，使得最大应变的方向和位置都在不断变化。然而现有的光纤光栅传感器只能获取固定点位的受力状态，无法获取路面全局的服役信息。

在另一方面，受冬季强降雪的影响，路表的积雪成冰将严重危及行车安全性和道路通行能力。现有的冬季除雪方法，如撒盐、内置热管、内置导热电阻等，都存在一定的不足。撒盐形成盐溶液，降低雪的熔点，达到融雪的效果，但是路面由于盐溶液的侵蚀，会加速损伤，耐久性降低。由于道路服役环境的复杂性，内置热管和导热电阻的长期耐久性和经济性有待考量。

发明内容

本发明为解决现有的光纤光栅传感器只能获取固定点位的受力状态，无法获取路面全局的服役信息，同时为解决寒区路面抗滑除冰雪问题，分布式光纤传感器可通电发热，进而提供一种路用应变测试和导热融雪的分布式光纤传感器。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，所述一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器包括多个横向传感元件和多个纵向传感元件，所述多个横向传感元件并排平行设置，且多个横向传感元件的首尾依次连接；多个纵向传感元件沿横向传感元件的长度方向并排设置，且多个纵向传感元件的首尾依次连接，横向传感元件沿长度方向的中心线与纵向传感元件沿长度方向的中心线垂直。

本发明的有益效果是：

1、分布式光纤传感器所测的应变为布设在路面内部光纤沿线的应变，满足道路工程领域对路面内部全局应变监测的需求；

2、本发明所提供的分布式光纤传感器中，分布式光纤传感器采用双孔形式，受力光纤监测数据与补偿光纤监测数据进行解耦计算，确定消除温度影响的路面内部应变信息；

3、本发明除了可以测量应变的大小外，还可以通电发热，进行路面融雪和防止沥青路面低温开裂；

4、根据地区降雪量差异，改变分布式光纤的间距，调整发热能量及融雪效率；

5、分布式传感器对测试方向没有要求，便于现场施工；

6、光纤传感器抗电磁干扰性能好，一般电磁辐射的频率比光波低很多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响；

7、光纤传感器电绝缘性能好、适用范围广，安全可靠，可远距离监测，光纤传输损耗小。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的主视图；

图3是图2的侧视图；

图4是图2的俯视图；

图5是横向传感元件的结构示意图；

图6是纵向传感元件的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述的一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，所述一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器包括多个横向传感元件和多个纵向传感元件，所述多个横向传感元件并排平行设置，且多个横向传感元件的首尾依次连接；多个纵向传感元件沿横向传感元件的长度方向并排设置，且多个纵向传感元件的首尾依次连接，横向传感元件沿长度方向的中心线与纵向传感元件沿长度方向的中心线垂直。

多个横向传感元件沿道路横向布置，多个纵向传感元件沿道路纵向布置， 分别测试道路服役状态下的横、纵向力学响应。横向传感元件沿长度方向的中心线与纵向传感元件沿长度方向的中心线垂直，形成网格状，调整间距用以调整发热效果。

具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式所述每个纵向传感元件包括纵向受力光纤1、纵向导热电阻2、纵向绝缘层3、纵向固定板4、纵向接线柱5、纵向通电电线6、纵向护套7和纵向补偿光纤8，所述纵向导热电阻2为长方体，纵向导热电阻2的上表面设有纵向绝缘层3，纵向导热电阻2的两侧分别设有纵向固定板4，且纵向绝缘层3的下表面与纵向固定板4的上表面固定连接，纵向导热电阻2的两端均设有纵向接线柱5，纵向接线柱5的两端分别导出纵向通电电线6，纵向护套7套装在纵向通电电线6上，纵向受力光纤1和纵向补偿光纤8均位于纵向导热电阻2的内部，纵向受力光纤1的两端分别穿过纵向接线柱5，纵向补偿光纤8的两端分别穿过纵向接线柱5，且纵向补偿光纤8位于纵向受力光纤1的一侧；每个横向传感元件包括横向受力光纤9、横向导热电阻10、横向绝缘层11、横向固定板12、横向接线柱13、横向通电电线14、横向护套15和横向补偿光纤16，所述横向导热电阻10为长方体，横向导热电阻10的上表面设有横向绝缘层11，横向导热电阻10的两侧分别设有横向固定板12，且横向绝缘层11的下表面与横向固定板12的上表面固定连接，横向导热电阻10的两端均设有横向接线柱13，横向接线柱13的两端分别导出横向通电电线14，横向护套15套装在横向通电电线14上，横向受力光纤9和横向补偿光纤16均位于横向导热电阻10的内部，横向受力光纤9的两端分别穿过横向接线柱13，横向补偿光纤16的两端分别穿过横向接线柱13，且横向补偿光纤16位于横向受力光纤9的一侧。

所述纵向受力光纤1为带有涂覆层、包层和紧套管的应变测量元件，所述纵向补偿光纤8为带有涂覆层、包层和松套管的温度测量元件。其中，所述纵向导热电阻2中的一个孔的直径与纵向受力光纤1外侧紧套管的外径相符，使纵向受力光纤1与纵向导热电阻2之间可以紧密接触；所述纵向导热电阻2中的另一个孔的直径与纵向补偿光纤8外侧松套管的外径相符，使得纵向补偿光纤8在纵向导热电阻2中自由活动，不受荷载作用，仅对温度敏感。所述纵向受力光纤1由于紧套在纵向导热电阻2内部，故其同时受荷载和温度共同作用影响。利用纵向补偿光纤8的监测数据与受力光纤的监测数据进行解耦计算，可以得到消除温度影响的路面内部的应变信息。

所述纵向导热电阻2和横向导热电阻10的厚度根据实际路面状况而定，增加导热电阻的厚度可以降低传感器的灵敏度，保护光纤在施工过程中的稳定性，埋入路面后仍有很好的使用性能，增加存活率，同时增大分布式光纤传感器的发热效率。导热电阻的材料不止局限于碳纤维，那些导电性良好、埋置路面后能与路面协调变形、可以用来保护和封装传感器的高分子聚合物材料，同样可以适用于本发明之中，同样也是在本发明保护的范围内。

此外，所述导热电阻的形状可根据施工需求更改，本设计是以碳纤维为导体材料的长方体导热电阻为例，方便施工固定。如果当传感器埋设位置较浅时，车辆荷载较大而导致传感器所在处的应力较大时，可选用圆柱体封装，用以减小应力集中的影响。考虑不同地区降雪量的差异性，可改变传感器布设的间距、网状光纤的密集度以及导热电阻中碳纤维种类和含量，以确保导热融雪的有效性。

所述绝缘层为两侧带有小孔的长方形板体，其中长度与导热电阻相当，用以固定在导热电阻上方，两侧与固定板相连，以保证受力光纤能够稳固。绝缘层上方固定多排横向导热电阻，用以测试横向应变和温度数据、增加融雪效率，绝缘板的形状和厚度可以根据导热电阻的形状改变，例如当导热电阻为长方体时，绝缘板也可为长方体布置在电阻上方，如果传感器处于应力水平较高，降雪量较小地区，可以增大绝缘层的厚度，用以降低传感器的灵敏度和导热效率，反之亦然。如若考虑协调变形的影响，则根据不同的路面结构类型，选用不同模量的绝缘层材料进行传感器的保护和绝缘，以确保测试数据的有效性。

所述固定板分别位于导热电阻的两端，胶结于绝缘板下方，用以辅助固定绝缘板。固定板另一端直接与路面相连接。应当指出的是，固定板材质不宜过硬，不宜使传感器在路面中发生径向滑动，固定板在传感器布置过程中起稳固作用的同时，路面能够将传感器很好的裹覆起来，使传感器与路面协调变形，共同受力。

所述接线柱固定在导热电阻的两端，接线柱的尺寸比导热电阻稍大，使导热电阻嵌挤在接线柱内部。接线柱两端固定有引线柱，从引线柱中将通电电线引出并与其他接线柱相连接。同时分布式光纤从接线柱中穿出，并通过熔接机熔接，与其他的分布式传感器首尾串联成光纤传感器串，数据采集端仅用一根接收端子，即可接收整个分布式传感器所监测的数据。应当指出的是，由于路面内部环境比较复杂，为了保证融雪效果的可持续性，对接线柱进行防腐蚀处理以及长期耐久性的考察。以免在路面运营过程中，接线柱发生损坏、锈蚀等不良反应，影响导热电阻的发热效率。

其它组成以及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5或图6说明本实施方式，本实施方式所述纵向受力光纤1和横向受力光纤9均为带有涂覆层、包层和紧套管的应变测量元件。

其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述纵向补偿光纤8和横向补偿光纤16均为带有涂覆层、光层和松套管的温度测量元件。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图5或图6说明本实施方式，本实施方式所述纵向导热电阻2的一端分别设有与纵向受力光纤1配合的第一通孔2-1和与纵向补偿光纤8配合的第二通孔2-2；横向导热电阻10的一端分别设有与横向受力光纤9配合的第三通孔10-1和与横向补偿光纤16配合的第四通孔10-2。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图5或图6说明本实施方式，本实施方式所述第一通孔2-1的直径与纵向受力光纤1外侧紧套管的外径相符；第三通孔10-1的直径与横向受力光纤9外侧紧套管的外径相符。

如此设置，使受力光纤与导热电阻之间可以紧密接触。所述受力光纤由于紧套在导热电阻内部，故其同时受荷载和温度共同作用影响。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图5或图6说明本实施方式，本实施方式所述第二通孔2-2的直径与纵向补偿光纤8外侧松套管的外径相符；第四通孔10-2的直径与横向补偿光纤16外侧松套管的外径相符。利用补偿光纤的监测数据与受力光纤的监测数据进行解耦计算，可以得到消除温度影响的路面内部的应变信息。

如此设置，使得补偿光纤在导热电阻中自由活动，不受荷载作用，仅对温度敏感。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图5或图6说明本实施方式，本实施方式所述纵向接线柱5嵌装在纵向导热电阻2上，且纵向接线柱5和纵向导热电阻2通过粘接固定；所述横向接线柱13嵌装在横向导热电阻10上，且横向接线柱13和横向导热电阻10通过粘接固定。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图5或图6说明本实施方式，本实施方式所述纵向通电电线6连接成并联、串联或混联电路，分别连接在纵向接线柱5的两端；所述横向通电电线14连接成并联、串联或混联电路，分别连接在横向接线柱13的两端。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：

结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式中可先将分布式光纤传感器用模具进行封装成型，待传感器冷却，将接线柱固定到导热电阻两端，在固定过程中可以通过机械加压的方式，导热电阻和接线柱互相嵌挤。

其次，在接线柱周围用绝缘材料进行涂刷，保证接线柱的长期使用性能。同时应确保绝缘材料具有足够厚度，避免在施工过程中，绝缘材料由于碎石等骨料在荷载或其他因素作用下发生刮蹭脱落。同时可以使用其他方式进行有效地绝缘保护，其本质与本实例并无显著差别。

在接线柱两端留有一定的光纤长度并进行保护，待前述部分安装完成后，可用熔接机将不同分布式光纤进行熔接，并将熔接点使用胶体和钢管进行保护，待胶黏剂固化后，橡胶管两端热塑封堵，避免钢管内部发生水的浸泡侵蚀，分布式传感器的不同排列形式与本例并无实质差别，也在本发明的保护范围之内。

绝缘层尺寸大小可根据实际加工出来的传感器尺寸进行定制，绝缘层布置于导热电阻上方，两侧胶装固定。固定板安置于绝缘层两侧，胶结剂粘结，在施工过程中起保护，固定作用，固定板与绝缘层的安置形式并不限制于此，采用其他形式的固定保护，其本质与本实例并无差异。

实际布置过程中，根据布置的密集程度可以决定多功能分布式光纤传感器的融雪效率，一般情况下碳纤维的电阻值为19.4

，若分布式传感器的全长为50 mm，则全长的电阻值为970

，两端施加电压为220V，那么根据公式：

经计算，每根分布式光纤传感器的功率为50W，对于横排布置的光纤传感器，长度约为5m，则根据上式，可知每根横向的光纤传感器的发热功率为500 W，而碳纤维的导热系数在

，沥青混合料的导热系数在

，而使1立方米空气升温1摄氏度需要的热量仅为1.29387kJ，通过碳纤维将热量传导到周围空气和沥青混合料中，然后传递至路表面，考虑到传热方向以及传热过程中的能量损失，经论证，合理的布设间距同样可以很好的实现融雪的效果，故在导热过程，该导热融雪的分布式光纤传感器具有很好的应用性能。

最后，由于导热电阻在通电情况下发热，温度升高会影响到分布式光纤传感器的数据采集，导热电阻采用双孔形式，便于利用受力光纤和补偿光纤进行应变和温度的解耦。完成以上步骤后，注意在现场布置过程中，将传感器周围干燥化处理。在实测数据之前，可通过室内解调设备进行标定，保证实际监测过程中的光电信号能够有效的转化为路面服役状态的力学响应。

其它组成及连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理：

所述受力光纤由导热电阻封装包裹，相邻两根受力光纤进行熔接，外部光纤用铠装线和金属钢管封装保护，导热电阻两端连接金属接线柱，接线柱引出电线与下一个接线柱相连，形成并联、串联或混联电路，与电源相连。横纵铺设的导热电阻之间设置绝缘层，绝缘层延伸至固定板并与其相连。

分布式光纤传感器受荷载作用后发生变形，带动内部光纤变形，从而使入射光发生散射，通过测量散射光的频率和光强变化，进而换算路面内部力学响应。同时在测试数据过程中，封装材料具有良好的导电、导热性能；通过垂直于传感器方向引出通电电线，将每个分布式光纤传感器进行连接，构成并联、串联或混联电路，再引线至电源端；通电过程中，每个分布式光纤传感器独立的进行发热，导热电阻间互不干扰，达到路面表面融雪化冰的效果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，所述一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器包括多个横向传感元件和多个纵向传感元件，所述多个横向传感元件并排平行设置，且多个横向传感元件的首尾依次连接；多个纵向传感元件沿横向传感元件的长度方向并排设置，且多个纵向传感元件的首尾依次连接，横向传感元件沿长度方向的中心线与纵向传感元件沿长度方向的中心线垂直，

其特征在于：所述每个纵向传感元件包括纵向受力光纤（1）、纵向导热电阻（2）、纵向绝缘层（3）、纵向固定板（4）、纵向接线柱（5）、纵向通电电线（6）、纵向护套（7）和纵向补偿光纤（8），所述纵向导热电阻（2）为长方体，纵向导热电阻（2）的上表面设有纵向绝缘层（3），纵向导热电阻（2）的两侧分别设有纵向固定板（4），且纵向绝缘层（3）的下表面与纵向固定板（4）的上表面固定连接，纵向导热电阻（2）的两端均设有纵向接线柱（5），纵向接线柱（5）的两端分别导出纵向通电电线（6），纵向护套（7）套装在纵向通电电线（6）上，纵向受力光纤（1）和纵向补偿光纤（8）均位于纵向导热电阻（2）的内部，纵向受力光纤（1）的两端分别穿过纵向接线柱（5），纵向补偿光纤（8）的两端分别穿过纵向接线柱（5），且纵向补偿光纤（8）位于纵向受力光纤（1）的一侧；

所述每个横向传感元件包括横向受力光纤（9）、横向导热电阻（10）、横向绝缘层（11）、横向固定板（12）、横向接线柱（13）、横向通电电线（14）、横向护套（15）和横向补偿光纤（16），所述横向导热电阻（10）为长方体，横向导热电阻（10）的上表面设有横向绝缘层（11），横向导热电阻（10）的两侧分别设有横向固定板（12），且横向绝缘层（11）的下表面与横向固定板（12）的上表面固定连接，横向导热电阻（10）的两端均设有横向接线柱（13），横向接线柱（13）的两端分别导出横向通电电线（14），横向护套（15）套装在横向通电电线（14）上，横向受力光纤（9）和横向补偿光纤（16）均位于横向导热电阻（10）的内部，横向受力光纤（9）的两端分别穿过横向接线柱（13），横向补偿光纤（16）的两端分别穿过横向接线柱（13），且横向补偿光纤（16）位于横向受力光纤（9）的一侧；

纵向导热电阻（2）的一端分别设有与纵向受力光纤（1）配合的第一通孔（2-1）和与纵向补偿光纤（8）配合的第二通孔（2-2）；第二通孔（2-2）的直径与纵向补偿光纤（8）外侧松套管的外径相符；横向导热电阻（10）的一端分别设有与横向受力光纤（9）配合的第三通孔（10-1）和与横向补偿光纤（16）配合的第四通孔（10-2）；第四通孔（10-2）的直径与横向补偿光纤（16）外侧松套管的外径相符。

2.根据权利要求1所述的一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，其特征在于：纵向受力光纤（1）和横向受力光纤（9）均为带有涂覆层、包层和紧套管的应变测量元件。

3.根据权利要求1所述的一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，其特征在于：纵向补偿光纤（8）和横向补偿光纤（16）均为带有涂覆层、光层和松套管的温度测量元件。

4.根据权利要求1所述的一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，其特征在于：所述第一通孔（2-1）的直径与纵向受力光纤（1）外侧紧套管的外径相符；第三通孔（10-1）的直径与横向受力光纤（9）外侧紧套管的外径相符。

5.根据权利要求1所述的一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，其特征在于：所述纵向接线柱（5）嵌装在纵向导热电阻（2）上，且纵向接线柱（5）和纵向导热电阻（2）通过粘接固定；

所述横向接线柱（13 ）嵌装在横向导热电阻（10）上，且横向接线柱（13）和横向导热电阻（10）通过粘接固定。

6.根据权利要求1所述的一种路用应变测试和导热融雪的多功能分布式光纤传感器，其特征在于：所述纵向通电电线（6）连接成并联、串联或混联电路，分别连接在纵向接线柱（5）的两端；所述横向通电电线（14）连接成并联、串联或混联电路，分别连接在横向接线柱（13）的两端。

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