CN202836520U - 道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置 - Google Patents
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Abstract
一种道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置，属于结构智能健康监测器件技术领域，其特征是将固定间距内有三向应变测试的光纤光栅的分布式光纤内置于铠装套管，并将封装后的传感元件以呈曲线形状的姿态分布在道路结构的多层介质中，并以末端光纤呈圆弧状迂回到铠装套管方式构建光纤测试回路，从而实现对道路结构的多层介质进行局部高精度、全尺度较高精度的监测。本实用新型的效果和益处是具有温度的自补偿特征，实现道路结构的实时和长期健康监测，集成装置成本较低，适合于道路结构健康监测领域推广应用。
Description
技术领域
本发明属于结构智能健康监测器件技术领域，涉及的是一种道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置。
背景技术
道路通常都裸露于自然界中，既受到车辆荷载作用，也直接受外界环境因素如温度、光照、雨雪等的影响。国内经济发展带来交通运输量的迅速增长，导致很多道路结构因为超限超载的反复、长期疲劳累积效应及环境因素等作用而出现不同规模和不同程度的损伤，严重影响道路结构的使用性能；而日益严峻的气候因素则加速着道路结构性能的恶化，因此，有必要对道路结构的服役状态进行监测，以便对其进行及时维修和养护。目前道路结构常规的检测技术主要有人工巡检技术、钻心取样技术、超声波技术、红外图像技术、频谱分析技术、雷达技术等，但它们都停留在检测技术层面，且检测时间和周期长、实时监测性能差、精度低。光纤传感技术因具有抗电磁干扰、耐腐蚀、高灵敏度、绝对测量等优点，在土木、交通、海洋等工程领域得到了应用。当前，有部分学者将光纤光栅传感技术应用于道路结构的测试。大连理工大学欧进萍、周智等人研制开发了玻璃纤维增强树脂光纤光栅三向应变传感器，并将其应用到山东泰莱高速公路中；山东大学姚占勇采用钢片封装的光纤光栅传感器对道路结构进行了应力测试，试验验证了光纤光栅传感器用于路面结构测试的有效性。然而道路结构属于超长距离线性工程，其损伤具有随机性强、覆盖面广的特点，局部单点光纤光栅传感器难以满足道路结构全尺度测试的要求。全尺度分布式光纤布里渊传感技术具有在一根普通单模光纤上实现光纤沿线应力场和温度场时间和空间上的连续监测。南京大学施斌采用布里渊分布式光纤传感技术对连续配筋的混凝土路面内钢筋与混凝土间粘结应力进行了监测；东南大学宋世伟等采用分布式光纤传感器埋入连续配筋混凝土路面的复合筋中，实现了道路结构配筋层的分布式测试。但他们没有考虑将分布式光纤测试技术用于道路结构的多层介质的监测。此外，考虑到布里渊传感技术存在空间分辨率低，测试精度不高的问题，周智等融合光纤光栅和光纤布里渊的优点，提出了光纤光栅和光纤布里渊共线的测试技术。本实用新型拟采用光纤传感技术，利用其分布式较高精度及准分布式高精度测试等的优越性能，研发了一种用于道路结构的多层介质全尺度监测的光纤传感装置。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置，解决道路结构多层介质全尺度监测传感器件的问题。
本实用新型的技术方案是：
一种基于道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置，利用局部刻有光纤光栅的分布式光纤作为道路结构多层介质高精度和较高精度测试的传感元件，选定铠装线作为传感元件的保护套管，通过光开关建立传感探头与光纤光栅解调仪和分布式光纤解调仪间的信号传递枢纽，对道路结构多层介质进行局部高精度、分布式较高精度的监测。其中，分布式光纤沿跨度和深度方向分布在道路结构的全尺度上；局部光纤光栅则以分布式光纤为依托，以固定间距有规律地离散在道路结构的跨度和深度方向。
上述的道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置的实施步骤是：
①考虑道路结构对象的几何和力学特征，拟制固定间距内刻有3个光纤光栅的分布式光纤，并将光纤光栅绕制成三向应变花式构建道路结构局部三向的高精度测试，即沿道路结构内部测点的竖向、纵向和横向，其中，光纤光栅处有竖向光纤光栅、纵向光纤光栅和横向光纤光栅，且均内置于质量可忽略的轻质刚性盒；
②将分布式光纤通过细铁丝牵引置于铠装套管内，后将由铠装套管封装好的分布式光纤以呈曲线形状的姿态分布在道路结构的各介质层中，即道路结构的面层、道路结构的基层和道路结构的底基层，结构两端的引出线与跳线连接，并通过跳线连接到光开关；
③然后将分布式光纤解调仪和光纤光栅解调仪与光开关连接，测试时，分布式光纤信号和局部光纤光栅信号将共线传输到光开关后，由分布式光纤解调仪和光纤光栅解调仪分别解调；
④采用分布式光纤和光纤光栅的信号互补，剔除温度引起的应变，从而可得外部荷载作用下道路结构各介质层的应变特征；
⑤关于分布式光纤的回路，可通过连接较长跳线到光开关，实际应用时，将与光开关不在同一出口的另一侧引出的分布式光纤，弯曲成直径为4cm的圆弧状，迂回铠装套管并与光开关连接；
⑥关于铠装套管，这里是直径约为3cm的空心管，关于轻质刚性盒是指重量轻且具一定柔度的小尺寸盒，可内置于铠装套管，实际可用铝盒。
本实用新型的效果和益处是：研发了一种能同时对道路结构多层介质进行局部位置高精度和分布式较高精度的全尺度测试的光纤传感装置，具温度的自补偿特征，且可实现道路结构的实时监测和长期健康监测。此外，本实用新型集成的装置成本较低，易于在道路结构的健康监测领域推广应用，使得道路结构被更加合理地管理、高效地运营。
附图说明
附图1是道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置示意图。
附图2是局部光纤光栅布设工艺示意图。
图中：1分布式光纤解调仪；2关开关；3光纤光栅解调仪；4光纤光栅；5分布式光纤；6道路结构的面层；7道路结构的基层；8道路结构的底基层；9道路结构的地基；10竖向光纤光栅；11纵向光纤光栅；12横向光纤光栅；13轻质刚性盒；14跳线；15铠装套管。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本实用新型的具体实施方式。
关于道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置如附图1所示，利用光纤传感技术，对道路结构的多层介质进行全尺度监测，其主要涵括六部分：1分布式光纤解调仪，2关开关，3光纤光栅解调仪，4光纤光栅，5分布式光纤和15铠装套管等。其中，4光纤光栅分布在内置于15铠装套管的5分布式光纤的局部位置，两者的共线传感探头通过2光开关与3光纤光栅解调仪和1分布式光纤解调仪连接。
关于道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置，其测试原理如下：
首先，当4光纤光栅和5分布式光纤按照附图1所示的形状布置在道路结构的多层介质中后，利用与引出线相连接的14跳线与2关开关相连，并通过2光开关引出两条光路分别连接到3光纤光栅解调仪和1分布式光纤解调仪。其次，进行光路校核，以避免光路中断路现象的发生。当线路都保持通路以后，开始测试：4光纤光栅和分布式光纤在感受路面荷载后，会产生光信号，由其共线传感探头传递给2光开关；2光开光将所接受的光信号进行分路传递给3光纤光栅解调仪和1分布式光纤解调，其各自将分别解调出局部信号和分布式信号；后利用光纤光栅信号和分布式光纤信号与应变转换公式，分别如式（1）和式（2）所示，可得到道路结构的应变特征。
vB(T,ε)=vB0(T0,ε0)+Cεε+CTΔt (2)
上两式中,λB,Kε,Kt,vB0(T0,ε0),Cε,CT均为已知,而ΔλB和vB(T,ε)均为测试信号。
多组数据测量后，联立上述两式，可解耦得温度引起的应变值，剔除后，即可获得外荷载作用下道路结构实时、全尺度的应变特征。至此，数据处理和分析完成。
Claims (2)
1.一种道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置，其特征是：以固定间距分布在分布式光纤（5）上的三向光纤光栅（4）内置于刚性盒（13），分布式光纤（5）则由铠装套管（15）封装，呈曲线形状跨越道路结构的多层介质，即道路结构的面层（6）、道路结构的基层（7）和道路结构的底基层（8）；将与光开关（2）不在同一出口的另一侧引出的分布式光纤（5）弯曲成直径为4cm的圆弧状，迂回铠装套管（15）并与光开关（2）连接。
2.根据权利要求1所述的一种道路结构多层介质全尺度监测的光纤传感装置，其特征是：以分布式光纤（5）为依托的光纤光栅（4）沿道路结构内部测点的竖向、纵向和横向分别布置竖向光纤光栅（10）、纵向光纤光栅（11）和横向光纤光栅（12）。
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