CN114370827A - 一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统及方法，该系统包括：道面本体：包括基层以及铺设在基层上的面层；应变计：包括布设于测点对应的面层内的X向应变计、Y向应变计和Z向应变计，用以分别检测面层X、Y和Z向的冲击应变响应；落锤式弯沉仪：用以模拟飞机的冲击荷载；高频光纤光栅解调仪：分别与X向应变计、Y向应变计和Z向应变计连接，用以采集冲击荷载作用下的应变响应。与现有技术相比，本发明具有操作简单、测试反馈实时、测量数据准确稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机场工程领域，尤其是涉及一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统及方法。
背景技术
机场道面作为重要的军事或民用基础设施，主要用于飞机的起飞和着陆，当飞机着陆时，机场路面将受到影响，其大小取决于飞机的降落高度，如果降落高度超过正常着陆规定，称为硬着陆，机场道面将承受巨大的冲击载荷，并且在使用过程中，机场道面不可避免地要承受冲击荷载的影响，影响已成为路面设计中不可忽视的因素。
目前对于机场道面冲击响应的测试，主要以室内的动力学试验为主，然而室内试验只能反映道面的材料特性，并受试件几何形状、荷载配置、加载速率、测试系统符合性和规定的失效标准的影响，不能真正表达道面在飞机冲击荷载作用下的响应。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，该系统包括：
道面本体：包括基层以及铺设在基层上的面层；
应变计：包括布设于测点对应的面层内的X向应变计、Y向应变计和Z向应变计，用以分别检测面层X、Y和Z向的冲击应变响应；
落锤式弯沉仪：用以模拟飞机的冲击荷载；
高频光纤光栅解调仪：分别与X向应变计、Y向应变计和Z向应变计连接，用以采集冲击荷载作用下的应变响应。
所述的面层用以直接承受飞机的垂直力、水平力或冲击荷载，其厚度为 20～50cm，所述的基层作为整个道路的承重层，其厚度为20～40cm。
所述的X向应变计沿道面本体的纵向，即飞机的滑跑方向布设，所述的Y向应变计沿道面本体的横向，即水平垂直于飞机的滑跑方向布设，所述的Z向应变计沿道面本体的竖直方向，即面层的厚度方向布设。
所述的X向应变计的位于距离基层顶面2～3cm处，所述的Y向应变计的位于距离基层顶面2～3cm处，所述的Z向应变计位于沿面层厚度方向的中心位置。
所述的应变计，在水泥混凝土的面层中通过绑扎带固定于钢筋支架上以保证在施工过程中保持原有状态；在沥青混凝土的道面中直接在铺设与施工完成的下面层内通过开槽的形式安装，开槽方向与对应的X向、Y向和Z向平行。
所述的落锤式弯沉仪包括落锤配重装置、落距调整装置和冲击荷载传感器，所述的配重装置通过加减配重块实现配重调整，所述的冲击荷载传感器用以显示落锤下落时的冲击荷载级别。
所述的高频光纤光栅解调仪通过光缆与每根应变计连接，其采集频率大于1000Hz。
一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试方法，该方法包括以下步骤：
S1：将道面冲击响应测试系统安装于测点对应的道面内，并在施工完成后在面层的表面标记出应变计的位置以确定冲击荷载的施加点位，进行调试检验；
S2：使落锤式弯沉仪的冲击锤落点位于面层的标记点位正上方，并通过控制落锤式弯沉仪的落锤配重装置和落距调整装置以模拟不同级别的冲击荷载；
S3：高频光纤光栅解调仪采集在不同级别的冲击荷载下X向应变计、Y向应变计和Z向应变计获取的光信号，并将其转换为冲击荷载下的应变响应。
S4：将高频光纤光栅解调仪获取的应变响应峰值与落锤式弯沉仪的冲击荷载值进行线性回归，得到表征道面冲击响应的回归方程。
在测试开始前，对设置的落锤配重和落距所产生的冲击荷载进行校正，以保证落锤式弯沉仪提供准确的冲击荷载。
所述的步骤S4中，对于每一等级冲击荷载，重复三次测量，以三次测量的算术平均值为测定值，三次测量值的最大值或最小值中如有一个与中间值之差超过中间值的10％，再重复测试一次，将获取的最终冲击荷载峰值的均值与落锤式弯沉仪的冲击荷载值建立线性回归，得到表征道面冲击响应的回归方程。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明首次提出利用光纤光栅传感器和落锤式弯沉仪测试道面板冲击响应的方法，该方法能够准确反映道面板在飞机冲击荷载作用下各维度的动力响应，弥补现在关于道面冲击动力响应只能通过数值模拟研究的缺陷，并且为构建机场道面数值孪生提供新的方向。
附图说明
图1为传感器布设的俯视示意图。
图2为传感器布设的侧视示意图。
图3为本发明的总体结构示意图。
图4为本发明测试方法的流程示意图。
图中标记说明：
1、道面本体，2、面层，3、基层，4、X向应变计，5、Y向应变计，6、Z 向应变计，7、落锤式弯沉仪，8、高频光纤光栅解调仪。
具体实施方式
为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容容易地了解本申请发明的其他优点及功效。
为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关部分，而并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。
本发明提供一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统与方法，为冲击荷载作用下机场道面响应的测试提供了一种直接的可行的方法，实时的数据获取可以准确地表征不同级别冲击荷载下道面的响应，解决了目前冲击响应只能从数值模拟或实验室测试获取的短板，真实的反应了冲击荷载作用下道面的力学性状，具有良好的应用前景。
一、对于道面冲击响应测试系统，如图1-3所示，该系统包括：
道面本体1：包括面层2和基层3；
三向应变计：包括X向应变计4、Y向应变计5和Z向应变计6，X向应变计 4、Y向应变计5和Z向应变计6均布设于测点对应的面层2内；
落锤式弯沉仪7：用以模拟飞机的冲击荷载；
高频光纤光栅解调仪8：与X向应变计4、Y向应变计5和Z向应变计6连接。
以下对各部件进行详细描述
道面本体1自上而下包括面层2和基层3，在道面本体1中，面层2通常的作用是直接承受飞机的垂直力、水平力或冲击荷载，面层2的材料可以采用水泥混凝土，也可以采用沥青混合料等，面层2厚度可以为20～50cm、20～30cm、30～40cm、或40～50cm，在道面本体1中，基层3通常的作用是作为整个道路的承重层，基层 3的材料通常可以是水泥稳定碎石等，基层3的厚度可以为20～40cm、20～25cm、 25～30cm、30～35cm、或35～40cm等。
X向通常标定为道面本体1的纵向，即飞机的滑跑方向，Y向通常标定为道面本体的横向，即垂直于飞机的滑跑方向的水平向，Z向通常标定为道面本体的竖直方向，即道面的厚度方向。X向应变计4沿道面本体X向水平布设，距离基层顶面2～3cm，以减少基层的影响，用于测试面层X向的冲击应变响应；Y向应变计5 沿道面本体Y向水平布设，距离基层顶面2～3cm，以减少基层的影响，用于测试面层Y向的冲击应变响应；Z向应变计6沿道面本体Z向布设，位于沿面层厚度方向的中心位置，用于测试面层Z向的冲击应变响应。
对于水泥混凝土面层，应变计通过绑扎带固定于钢筋支架上以保证在施工过程中应变计保持原有状态；对于沥青混凝土道面，应变计直接在铺设与施工完成的下面层之内，通过开槽的形式安装，开槽方向与X、Y、Z向平行。
落锤式弯沉仪7包括落锤配重装置、落距调整装置和冲击荷载传感器，配重装置通过添加配重块实现，落距调整装置通过仪器自带计算机控制，冲击荷载传感器与计算机相连，显示落锤下落时的冲击荷载级别。
高频光纤光栅解调仪8通过光缆与每根应变计连接，用于采集冲击荷载作用下应变的响应，其采集频率大于1000Hz。高频光纤光栅解调仪8具有数据处理功能，通过设定的每根应变计光信号与应变的转化关系，将光信号转化为应变响应。
二、对于道面冲击响应测试方法，该方法基于道面冲击响应测试系统进行冲击荷载下道面响应的测试，包括以下步骤：
S1：如图3所示，将上述测试系统安装于测点对应的道面内。在道面施工完成后，在面层表面标记出应变计的位置，以确定冲击荷载的施加点位。对上述的系统进行调试检验，以确保应变计和解调仪正常工作。记录应变计在不加荷载时的初始值，将其输入光纤光栅解调仪，用于解析冲击荷载下应变计的应变值变化。
S2：通过控制落锤式弯沉仪7的落锤配重装置和落距调整装置，模拟不同级别的冲击荷载，配重和落距的配合调整可以实现多级别的冲击荷载模拟。落锤式弯沉仪7通过机车牵引，使落锤式弯沉仪7的冲击锤落点正好位于面层2的标记点位正上方，以保证落锤冲击正好作用于应变计正上方。在测试开始前，对设置的落锤配重和落距所产生的冲击荷载进行校正，通过与计算机连接的冲击荷载传感器，感知根据某一冲击荷载级别相设置好的落锤冲击荷载，从而校核落锤式弯沉仪7的落锤配重和落距设置，以保证落锤式弯沉仪7可以提供准确的冲击荷载。
S3：高频光纤光栅解调仪8通过光缆与应变计相连，采集冲击荷载下X向应变计4、Y向应变计5和Z向应变计6获取的光信号。在施加一次冲击荷载前，开启仪器进行记录，当荷载冲击完成后，高频光纤光栅解调仪8记录了冲击荷载作用下应变计的光信号变化，并且根据输入的初始值和设定的每根应变计光信号与应变的转化关系，将光信号变化转化为冲击荷载下的应变响应。
S4：对于每一等级冲击荷载，重复上述测试三次，以三次测量的算术平均值为测定值，三次测量值的最大值或最小值中如有一个与中间值之差超过中间值的 10％，再重复上述测试步骤一次。将获取的最终冲击荷载峰值的均值与落锤式弯沉仪的冲击荷载值建立线性回归，得到表征道面冲击响应的回归方程。
实施例
本实施例中的实验段位于北京某机场，具体测试步骤如下：
1、根据混凝土道面面层板的施工图分仓情况，确定机场道面需要获取冲击响应的测试点位，在基层上标记处与面层板板块分仓相对应的区域，在该区域内标记出相应的测试点位，确定出所规定的X轴、Y轴和Z轴方向并做标记，规定X向为道面本体的纵向，即飞机的滑跑方向，Y向为道面本体的横向，即垂直于飞机的滑跑方向的水平向，Z向为道面本体的竖直方向，即道面的厚度方向。
2、应变计安装
a、道面采用普通水泥混凝土，道面板尺寸为4×5m，厚度为20m；基层采用水泥稳定碎石，厚度为20cm，按照施工规范要求进行水泥稳定碎石基层的施工和养护，基层养护满足要求后，根据确定的测试点位，采用钻孔机在基层上打孔并安装钢筋支架，钢筋支架用于固定应变计于要求的位置，安装钢筋支架的孔洞采用素水泥进行加固，以保证施工对应变计的位置和方向不会造成偏移。
b、应变计采用苏州南智传感有限公司生产的NZS-FBG-ESG型光纤光栅应变计，应变计分别沿X向、Y向和Z向各布设一根，每根应变计的两端采用绑扎带固定于钢筋支架上，对于X向和Y向布设的应变计，其距基层顶部为2cm，并且采用水平仪进行校正，以保证两根应变计均处于水平状态；对于Z向布设的应变计，位于沿面层厚度方向的中心位置，应变计一端距基层顶面4m，应变计长12cm，另一端距面层顶部4m，三根应变计采用串联的方式连接与同一条光缆，便于从面层内部接出。
c、施工过程中，应变计部位先采用混凝土预覆盖，并采用手持式振捣仪轻轻振捣，然后进行面层施工，在面层混凝土施工过程中，注意避免振捣棒破坏位移计。光缆穿过金属管，以保证施工不坏折断光缆。
3、冲击荷载试验
试验采用1000Hz的高频光纤光栅解调仪(NZS-FBG-A06)，通过光缆将高频光纤光栅解调仪与应变计连接，首先通过小负载测试应变计和解调器是否处于正常工作状态，在确定运行正常后，记录未加荷载时应变计的初始值。然后进行落锤式弯沉仪的校正，通过与计算机连接的冲击荷载传感器，感知根据某一冲击荷载级别设置好的落锤冲击荷载，从而校核落锤式弯沉仪的落锤配重和落距设置，以保证落锤式弯沉仪可以提供准确的冲击荷载。通过控制落锤式弯沉仪的落锤配重装置和落距调整装置，模拟不同级别的冲击荷载，配重和落距的配合调整可以实现多级别的冲击荷载模拟。然后进行冲击加载试验，通过牵引车将落锤式弯沉仪移动至测点位置，使落锤式弯沉仪的冲击锤落点正好位于面层的标记点位正上方，以保证落锤冲击正好作用于应变计正上方。在施加一次冲击荷载前，开启仪器进行记录，当荷载冲击完成后，高频光纤光栅解调仪记录了冲击荷载作用下应变计的光信号变化，并且根据输入的初始值和设定的每根应变计光信号与应变的转化关系，将光信号变化转化为冲击荷载下的应变响应。对于每一等级冲击荷载，重复上述测试三次，以三次测量的算术平均值为测定值，三次测量值的最大值或最小值中如有一个与中间值之差超过中间值的10％，再重复上述测试步骤一次。
4、数据处理与分析
在本次试验中，冲击荷载设置为80kN和100kN，每个冲击荷载级别进行三次测试，通过高频光纤光栅解调仪可以获取冲击荷载下应变计的响应峰值，最终的峰值结果为三次测量的算术均值，记录如表1所示。
表1不同冲击荷载下的道面应变响应
根据获取的不同级别冲击荷载下的道面响应，将其与落锤式弯沉仪的冲击荷载值建立线性回归，可以得到表征道面冲击响应的回归方程，进而可以预测不同冲击荷载下的道面响应，本发明可以真实地反应冲击荷载下道面内部的应变响应，为表征道面的冲击响应提供了一种有效的测试系统和方法。
综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，其特征在于，该系统包括：
道面本体(1)：包括基层(3)以及铺设在基层(3)上的面层(2)；
应变计：包括布设于测点对应的面层(2)内的X向应变计(4)、Y向应变计(5)和Z向应变计(6)，用以分别检测面层X、Y和Z向的冲击应变响应；
落锤式弯沉仪(7)：用以模拟飞机的冲击荷载；
高频光纤光栅解调仪(8)：分别与X向应变计(4)、Y向应变计(5)和Z向应变计(6)连接，用以采集冲击荷载作用下的应变响应。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，其特征在于，所述的面层(2)用以直接承受飞机的垂直力、水平力或冲击荷载，其厚度为20～50cm，所述的基层(3)作为整个道路的承重层，其厚度为20～40cm。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，其特征在于，所述的X向应变计(4)沿道面本体(1)的纵向，即飞机的滑跑方向布设，所述的Y向应变计(5)沿道面本体(1)的横向，即水平垂直于飞机的滑跑方向布设，所述的Z向应变计(6)沿道面本体(1)的竖直方向，即面层(2)的厚度方向布设。
4.根据权利要求3所述的一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，其特征在于，所述的X向应变计(4)的位于距离基层(3)顶面2～3cm处，所述的Y向应变计(5)的位于距离基层(3)顶面2～3cm处，所述的Z向应变计(6)位于沿面层厚度方向的中心位置。
5.根据权利要求3或4任一项所述的一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，其特征在于，所述的应变计，在水泥混凝土的面层(2)中通过绑扎带固定于钢筋支架上以保证在施工过程中保持原有状态；在沥青混凝土的道面中直接在铺设与施工完成的下面层内通过开槽的形式安装，开槽方向与对应的X向、Y向和Z向平行。
6.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，其特征在于，所述的落锤式弯沉仪(7)包括落锤配重装置、落距调整装置和冲击荷载传感器，所述的配重装置通过加减配重块实现配重调整，所述的冲击荷载传感器用以显示落锤下落时的冲击荷载级别。
7.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统，其特征在于，所述的高频光纤光栅解调仪(8)通过光缆与每根应变计连接，其采集频率大于1000Hz。
8.一种应用如权利要求1-7任一项所述的基于光纤光栅传感器的道面冲击响应测试系统的测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1：将道面冲击响应测试系统安装于测点对应的道面内，并在施工完成后在面层(2)的表面标记出应变计的位置以确定冲击荷载的施加点位，进行调试检验；
S2：使落锤式弯沉仪(7)的冲击锤落点位于面层(2)的标记点位正上方，并通过控制落锤式弯沉仪(7)的落锤配重装置和落距调整装置以模拟不同级别的冲击荷载；
S3：高频光纤光栅解调仪(8)采集在不同级别的冲击荷载下X向应变计(4)、Y向应变计(5)和Z向应变计(6)获取的光信号，并将其转换为冲击荷载下的应变响应。
S4：将高频光纤光栅解调仪(8)获取的应变响应峰值与落锤式弯沉仪(7)的冲击荷载值进行线性回归，得到表征道面冲击响应的回归方程。
9.根据权利要求8所述的道面冲击响应测试方法，其特征在于，所述的步骤S2中，在测试开始前，对设置的落锤配重和落距所产生的冲击荷载进行校正，以保证落锤式弯沉仪(7)提供准确的冲击荷载。
10.根据权利要求8所述的道面冲击响应测试方法，其特征在于，所述的步骤S4中，对于每一等级冲击荷载，重复三次测量，以三次测量的算术平均值为测定值，三次测量值的最大值或最小值中如有一个与中间值之差超过中间值的10％，再重复测试一次，将获取的最终冲击荷载峰值的均值与落锤式弯沉仪的冲击荷载值建立线性回归，得到表征道面冲击响应的回归方程。
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