CN113916147B - 嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，该方法建立了标准试件的工程理论应变数据与光纤光栅传感器的实际应变之间的关系，并以温度为修正参量，明确了沥青试件整体的理论应变与沥青试件内部的实际应变之间的量化关系，基于此能够由理论应变推知内部实际应变，为确定沥青道路内部真实力学响应、温度场分布，以及探究道路内部破坏机理、完善沥青路面设计理论和力学模型提供理论支持，为道路结构的预防养护提供依据。
Description
技术领域
本发明涉及道路工程领域，特别是一种嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法。
背景技术
目前，我国高速公路建设发展迅速，高速公路大多采用沥青路面结构。沥青路面频繁的早期损坏使的目前的研究聚焦于沥青路面结构在行车荷载和环境因素综合作用下的力学行为和受力状态。埋入式光纤光栅传感器克服了传统测量方法不能适应沥青路面服役周期长、服役环境恶劣等特点，其具有结构简单、可靠性良好、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强和高精度等优点，而嵌入式光纤光栅传感器与沥青道路材料的协同变形问题也是目前的研究热点之一。
由于嵌入式的传感元件模量与沥青道路材料模量存在较大的差异，始终无法很好的进行模量匹配，导致嵌入式的传感单元无法和沥青混合料进行协同变形，所以只完成了出厂标定的光纤光栅传感器无法直接检测沥青道路内部的受力状态，故研究沥青路面材料与嵌入式传感器协同变形能力是光纤光栅传感器在道路工程行业应用的基础和前提。则亟待提出一种有效手段用于评价沥青路面材料与嵌入式传感器协同变形程度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，用于解决现有技术无法对沥青路面内部光纤光栅传感器的协同变形程度进行准确评价的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，包括如下步骤：(1)将沥青混合料、光纤光栅传感器以及LVDT传感器装填入试件模具中，成型后获得标准试件；(2)沿竖直方向对标准试件施加模拟实际路面车辆的冲击力，同步采集标准试件的位移数据、光纤光栅传感器的应变数据以及光纤光栅传感器的温度数据；(3)根据标准试件的位移数据计算得到标准试件的工程应变数据；(4)基于标准试件的工程应变数据与光纤光栅传感器的应变数据进行回归分析，获得修正曲线；(5)采用光纤光栅传感器的温度数据对修正曲线进行温度补偿，获得二次修正曲线；(6)基于二次修正曲线对标准试件与光纤光栅传感器的协同变形程度进行评价。
优选的，步骤(1)中，试件模具中部设有供沥青混合料装填的第一模具槽，第一模具槽沿竖直方向向下延伸处第二模具槽和第三模具槽，且第二模具槽和第三模具槽平行排布。
优选的，步骤(1)中，标准试件为模拟实际路面的沥青混合料旋转压实后制成的圆柱形工件，标准试件的尺寸与第一模具槽的尺寸相适应，且标准试件的密度符合马歇尔标准击实试验中100％±1的密度要求。
优选的，步骤(1)中，第二模具槽或第三模具槽任一模具槽中，均设有一光纤光栅传感器和一LVDT传感器，光纤光栅传感器与LVDT传感器平行紧靠设置，且水平方向上两者持平。
优选的，步骤(2)中，采用MTS万能压力机，沿竖直方向对标准试件靠近LVDT传感器一侧逐级施加静态荷载的冲击力，并由LVDT传感器采集试件的位移数据；对所述标准试件逐级施加静态荷载的区间为1000～4000N。
优选的，步骤(2)中，光纤光栅传感器与解调仪信号连接，由解调仪采集光纤光栅传感器的应变数据。
优选的，步骤(3)中，根据标准试件的位移数据计算标准试件的工程应变数据，工程应变数据的计算式为：
其中，ε为标准试件的工程应变数据，δ为标准试件的位移数据，L为标准试件竖直方向的高度。
优选的，步骤(4)中，以光纤光栅传感器的应变数据为自变量，标准试件的工程应变数据为因变量，进行一元线性拟合，得到线性的修正曲线。
优选的，步骤(5)中，光纤光栅传感器的温度数据为不同温度下温度传感器接收到的信号波长，根据光纤光栅传感器的温度数据建立信号波长变化值与温度之间的补偿函数关系，将补偿函数关系与修正曲线进行线性叠加，获得二次修正曲线；补偿函数关系为波长变化值与温度之间一元线性函数关系。
优选的，光纤光栅传感器外部环设有高模量保护套。
本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供了一种嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，通过建立标准试件的工程理论应变数据与光纤光栅传感器的实际应变之间的关系，并以温度为修正参量，明确了沥青试件整体的理论应变与沥青试件内部的实际应变之间的量化关系，基于此能够由理论应变推知内部实际应变，为确定沥青道路内部真实力学响应、温度场分布，以及探究道路内部破坏机理、完善沥青路面设计理论和力学模型提供理论支持，为道路结构的预防养护提供依据。
附图说明
图1是本发明中嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法一实施方式的流程图；
图2是本发明中标准试件一实施方式的结构示意图；
图3是本发明实施例1中高模量保护套对标准试件的工程应变数据的影响对比图；
图4是本发明实施例1中光纤光栅传感器的应变数据图；
图5是本发明实施例1中修正曲线拟合图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明中嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，包括如下步骤：
S1，将试件、光纤光栅传感器以及LVDT传感器装配于试件模具中，获得标准试件。请参阅图2，本步骤中，试件模具1中部设有供沥青混合料装填的第一模具槽11，第一模具槽11沿竖直方向向下延伸处第二模具槽12和第三模具槽13，第二模具槽12和第三模具槽13平行排布；第二模具槽12或第三模具槽13任一模具槽中，均设有一光纤光栅传感器和一LVDT传感器，光纤光栅传感器与LVDT传感器平行紧靠设置，且水平方向上两者持平，在实际设置时尽可能使光纤光栅传感器与LVDT传感器两者测量方向、位置排布保持一致，以便于通过LVDT传感器所获取的位移数据能够更准确的反应光纤光栅传感器的变形程度。
本实施方式中，标准试件为模拟实际路面的沥青混合料旋转压实后制成的圆柱形工件，标准试件中第一安装槽的尺寸需与填入的沥青混合料相适应，且试件的密度符合马歇尔标准击实试验中100％±1的密度要求；由于圆柱形试件结构在受到竖直方向荷载而发生单轴压缩变形时，其受力状态简单清晰，受其他因素影响较小，所以将标准试件设计为圆柱形，能够大幅降低获取位移数据受其他因素的干扰。
本实施方式中，光纤光栅传感器中光纤结构可以是GFRP应变光缆、铠装应变光缆、铠装螺旋应变光缆等多种光缆的封装结构，将光纤光栅传感器装配至试件模具之前，对光纤光栅传感器的光栅间距和直径进行测量，以便于标准试件中第二模具槽和第三模具槽排布位置和尺寸的设置。
S2，沿竖直方向对标准试件施加模拟实际路面车辆的冲击力，同步采集试件的位移数据、光纤光栅传感器的应变数据以及光纤光栅传感器的温度数据。本步骤中，采用MTS万能压力机，沿竖直方向对标准试件靠近LVDT传感器一侧逐级施加静态荷载的冲击力，以便模拟实际路面车辆的冲击作用，并由LVDT传感器采集标准试件的位移数据；由于沥青混合料是一种黏弹性材料，在较小荷载条件下材料形变会逐渐恢复，当荷载较大时每次测试会导致部分的形变无法恢复，这样会影响重复试验的测量精度，所以设备施加荷载需要单独进行分析，找到一个适合重复试验的加载模式以及适宜的荷载区间；本实施方式中，采用动态蠕变试验对标准试件进行测试，从1000N开始逐级加载至4000N，监测加载过程中的中心波长漂移量变化，该荷载条件下标准试件能够很好地进行重复测试。同时，光纤光栅传感器与解调仪信号连接，由解调仪采集光纤光栅传感器的应变数据。
S3，根据标准试件的位移数据计算得到标准试件的工程应变数据。本步骤中，根据步骤(2)标准试件的位移数据计算试件的工程应变数据，工程应变数据的计算式为：
(1)式中，ε为标准试件的工程应变数据，具体表示沿光纤光栅传感器设置方式的理论应变；δ为标准试件的位移数据，具体表示标准试件的轴向变形；L为试件竖直方向的高度。
S4，基于标准试件的工程应变数据与光纤光栅传感器的应变数据进行回归分析，获得修正曲线。本步骤中，以光纤光栅传感器的应变数据为自变量x，标准试件的工程应变数据为因变量y，进行一元线性拟合，得到线性的修正曲线，从而建立标准试件的工程应变数据与光纤光栅传感器的应变数据之间的函数关系；具体修正曲线满足：y＝ax+b，其中，a和b均为常数。
S5，采用光纤光栅传感器的温度数据对修正曲线进行温度补偿，获得二次修正曲线。本步骤中，光纤光栅传感器的温度数据为不同温度下温度传感器接收到的信号波长，根据光纤光栅传感器的温度数据建立信号波长变化值与温度之间的补偿函数关系，将补偿函数关系与修正曲线进行线性叠加，获得二次修正曲线；本实施例方式中，补偿函数关系为波长变化值与温度之间一元线性函数关系Δλ＝c·T，其中，Δλ表示波长变化值，T表示温度，c为常数。
由于光纤光栅传感器对于应变与温度这两种因素的响应是相互独立且能够线性叠加的，虽然协同变形试验的环境条件为室温25℃，在测试过程中环境温度没有发生剧烈的变化，但是经过多次实际试验发现，光纤光栅传感器的温度敏感性非常高，温度发生0.01℃左右的波动都会导致波长的变化，所以即使在恒温环境中，较短时间内光纤光栅传感器的波长漂移量依然同时受到温度与外界荷载的影响，不能忽视温度变化对应变的影响，因此需要利用温度传感器测得的波长变化值对获得的应变数据进行温度补偿，消除温度变化对光纤光栅传感器测量应变的影响。
本实施方式中，可采用以下方式来降低温度变化对光纤光栅传感器测量应变的影响：一方面，在光纤光栅传感器外部环设有高模量保护套，利用保护套的高模量特性来抵消由外界荷载造成的中心波长漂移量，从而达到降低温度变化影响的目的；缩短施加静态荷载的冲击力的试验周期，让标准试样可发生温度变化的时间缩短，从而使环境温度的相对稳定性提高。
S6，基于二次修正曲线对标准试件与光纤光栅传感器的协同变形程度进行评价。二次修正曲线中考虑了应变与温度这两种因素，所以更准确地表示了标准试件的工程理论应变数据与光纤光栅传感器的实际应变之间的关系，进一步说，标准试件的工程理论应变所表征的是沥青试件整体的理论应变情况，而光纤光栅传感器的应变数据所表征的是沥青试件内部的实际应变情况，即能够通过二次修正曲线体现沥青试件整体的理论应变与沥青试件内部的实际应变之间的量化关系；从而在发生协同变形时能够基于二次修正曲线由理论应变推知内部实际应变，为确定沥青道路内部真实力学响应、温度场分布，以及探究道路内部破坏机理、完善沥青路面设计理论和力学模型提供理论支持，为道路结构的预防养护提供依据。
下面通过具体实施例对上述嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法的实施过程进行描述。
实施例1
本实施例中，执行上述嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法的步骤如下：
(1)选择GFRP应变光缆、铠装应变光缆、铠装螺旋应变光缆三种光纤封装结构作为光纤光栅传感器，分别进行分析并记录光栅间距与光缆封装后的总直径，光栅间距可调节，根据试件模具的大小，在光缆外部做好标记，具体各种光纤光栅传感器的结构参数如表1所示。
表1各种光纤光栅传感器的结构参数
| 光缆类型 | 光栅间距/m | 光缆直径/mm |
| 螺旋圈微应变光栅串传感光缆 | ≥1 | 6 |
| 铠装微应变光栅串传感光缆 | ≥1 | 5 |
| GFRP微应变光栅串传感光缆 | ≥1 | 3 |
本实施例中，所选择制备试件的原料包括粗集料、细集料以及沥青；粗集料为中山集料加工厂生产的辉绿岩和石灰岩，细集料为中山集料加工厂厂生产的石屑，沥青采用SBS改性沥青；采用如表2所示的AC-20集配方式，将沥青与粗细集料按照JTG E20-2911中T0702方法进行拌和，得到制备试件的沥青混合料。
表2 AC-20沥青混合料配合比
| 粒径/mm | 26.5 | 19 | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
| 通过率 | 100.0 | 97.8 | 89.5 | 78.1 | 54.4 | 34.6 | 23 | 18.8 | 13.7 | 9.5 | 7.1 | 5.5 |
将试件模具与沥青混合料放置在160℃烘箱中保温，待到温度稳定后，将拌和后的沥青混合料逐渐倒入试件模具预留的第一模具槽中，并且将光纤光栅传感器和LVDT传感器埋入第二模具槽和第三模具槽中，第二模具槽或第三模具槽每一个模具槽中，均设有一光纤光栅传感器和一LVDT传感器，两侧LVDT传感器保持统一高度，且手动整理防止光纤光栅传感器初始为弯曲状态，将试件模具和沥青混合料一起放入旋转压实仪压实试件；具体地，将沥青混合料试件制备成直径150mm和高度170mm的圆柱形工件，成型试件的密度符合马歇尔标准击实试样密度的100％±1的要求。
本实施例中，协同变形试验中标准试件及试件模具均是基于旋转压实试件的成型方法进行制备。考虑到LVDT传感器设置于沥青混合料两侧，且尽可能使测量方向、位置与光纤光栅传感器保持一致，为了尽可能使得位移传感器与光纤传感器测量位置相近，可将LVDT设置在光纤传感器近邻两侧；试件模具两侧将预制宽度为8mm的贯通型竖向槽，作为第二模具槽和第三模具槽，方便光纤光栅传感器的埋设与标准试件脱模。
将成型的标准试件在室内降温至60℃后，即刻进行脱模，由于设备压头的挤压，光纤光栅传感器位置可能发生变化，脱模时会使光纤光栅传感器发生弯折，所以需要人工再次调整光纤光栅传感器至初始状态。
(2)采用MTS万能压力机对制备好的标准试件进行测试，在圆柱试件上方逐级施加静态荷载以模拟实际路面车辆的冲击作用，通过LVDT传感器采集试件位移数据，同时采集光纤光栅传感器的应变数据和温度数据。
具体地，对于荷载区间的选择，采用动态蠕变试验对标准试件进行测试，从1000N开始逐级加载至9000N，随时间推移荷载逐级增大，监测加载过程中的中心波长漂移量变化。图4为光纤光栅传感器的应变数据随时间的变化图谱，纵轴为波长，由图4可知，中心波长的漂移量随着荷载的增大呈阶梯分布，且在400s处出现了明显的跳跃(400s处的荷载4500N，0.7MPa)，中心波长的漂移量出现显著的差值，随后增长趋势逐渐变缓，恢复后也无法回到初始值，说明试件内部已经变形，此时监测的并不是完全是由荷载引起的波长漂移，会有一部分是由混合料内部积累变形挤压光纤光栅传感器产生的，所以设备输入荷载在4000N以下比较合理。故本实施例中将荷载范围优选为1000～4000N，基于这一优选荷载范围，选取具体荷载终点值，具体协同变形试验中荷载参数如表3所示，每组试验采用4个平行试件测试后取均值。
表3协同变形试验中荷载参数
| 试验编号 | 荷载(N) | 加载/卸载时间(s) | 荷载持续时间(s) | 间歇时间(s) |
| 1 | 2000 | 60 | 120 | 180 |
| 2 | 2500 | 60 | 120 | 180 |
| 3 | 3000 | 60 | 120 | 180 |
(3)根据标准试件的位移数据计算出标准试件的工程应变数据，结果如图3所示，此处将光纤光栅传感器外部是否设有高模量保护套的两种情况进行了对比，证明了高模量保护套的设置能够抵消由外界荷载造成的中心波长漂移量。
(4)基于标准试件的工程应变数据与光纤光栅传感器的应变数据进行回归分析，获得修正曲线，以铠装微应变光栅串传感光缆，修正曲线拟合结果如图5所示，具体方程为y＝1.0539x+15.767，回归分析决定系数R2＝0.9967，说明用一元线性拟合能够很好的体现标准试件的工程应变数据与光纤光栅传感器的应变数据两者的函数关系。
(5)采用光纤光栅传感器的温度数据对修正曲线进行温度补偿，获得二次修正曲线，三种不同结构的光缆所对应的修正曲线、温度补偿函数以及二次修正曲线如表4所示。
表4不同结构光缆所对应的修正曲线、温度补偿函数以及二次修正曲线
(6)基于二次修正曲线对标准试件与光纤光栅传感器的协同变形程度进行评价，根据表4能够知晓沥青试件整体的理论应变与沥青试件内部的实际应变之间说满足的函数关系，在发生协同变形时能够基于二次修正曲线由理论应变推知内部实际应变，精确沥青道路内部真实力学响应以及温度场分布情况。
区别于现有技术的情况，本发明提供了一种嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，通过建立标准试件的工程理论应变数据与光纤光栅传感器的实际应变之间的关系，并以温度为修正参量，明确了沥青试件整体的理论应变与沥青试件内部的实际应变之间的量化关系，基于此能够由理论应变推知内部实际应变，为确定沥青道路内部真实力学响应、温度场分布，以及探究道路内部破坏机理、完善沥青路面设计理论和力学模型提供理论支持，为道路结构的预防养护提供依据。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (5)
1.一种嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将沥青混合料、光纤光栅传感器以及LVDT传感器装填入试件模具中，成型后获得标准试件；所述步骤（1）中，所述标准试件为模拟实际路面的沥青混合料旋转压实后制成的圆柱形工件，所述标准试件的尺寸与第一模具槽的尺寸相适应，且所述标准试件的密度符合马歇尔标准击实试验中100%±1的密度要求；
（2）沿竖直方向对所述标准试件施加模拟实际路面车辆的冲击力，同步采集所述标准试件的位移数据、所述光纤光栅传感器的应变数据以及所述光纤光栅传感器的温度数据；
（3）根据所述标准试件的位移数据计算得到所述标准试件的工程应变数据；
（4）基于所述标准试件的工程应变数据与所述光纤光栅传感器的应变数据进行回归分析，获得修正曲线；
（5）采用所述光纤光栅传感器的温度数据对所述修正曲线进行温度补偿，获得二次修正曲线；
（6）基于所述二次修正曲线对所述标准试件与光纤光栅传感器的协同变形程度进行评价；
所述步骤（1）中，所述试件模具中部设有供所述沥青混合料装填的第一模具槽，所述第一模具槽沿竖直方向向下延伸出第二模具槽和第三模具槽，且所述第二模具槽和第三模具槽平行排布；所述第二模具槽或第三模具槽任一模具槽中，均设有一所述光纤光栅传感器和一所述LVDT传感器，所述光纤光栅传感器与LVDT传感器平行紧靠设置，且水平方向上两者持平；所述光纤光栅传感器外部环设有高模量保护套；
所述步骤（5）中，所述光纤光栅传感器的温度数据为不同温度下温度传感器接收到的信号波长，根据所述光纤光栅传感器的温度数据建立信号波长变化值与温度之间的补偿函数关系，将所述补偿函数关系与修正曲线进行线性叠加，获得所述二次修正曲线；所述补偿函数关系为波长变化值与温度之间一元线性函数关系。
2.根据权利要求1中所述的嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，其特征在于，所述步骤（2）中，采用MTS万能压力机，沿竖直方向对所述标准试件靠近所述LVDT传感器一侧逐级施加静态荷载的冲击力，并由所述LVDT传感器采集所述试件的位移数据；
对所述标准试件逐级施加静态荷载的区间为1000~4000N。
3.根据权利要求1中所述的嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述光纤光栅传感器与解调仪信号连接，由所述解调仪采集所述光纤光栅传感器的应变数据。
4.根据权利要求1中所述的嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，其特征在于，所述步骤（3）中，根据所述标准试件的位移数据计算所述标准试件的工程应变数据，工程应变数据的计算式为：
其中，为所述标准试件的工程应变数据，/>为所述标准试件的位移数据，L为所述标准试件竖直方向的高度。
5.根据权利要求1中所述的嵌入式光纤光栅传感器与沥青路面协同变形的评价方法，其特征在于，所述步骤（4）中，以所述光纤光栅传感器的应变数据为自变量，所述标准试件的工程应变数据为因变量，进行一元线性拟合，得到线性的修正曲线。
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