基于光纤传感技术的沥青路面现场径向应变测试传感器

摘要

一种基于光纤传感技术的沥青路面现场径向应变测试传感器，属于道路设备技术领域。其特征是在被测路面层铺设前埋设。放置前将灌封胶灌入灌封槽，封好灌封口及隔热层。在测试地点控制测试段铠装线的环形布置形状。完成路面结构的正常摊铺碾压后，缓慢拉紧光栅并暂时固定。拉动封固阀系统的控制线，令位于灌封槽内的光纤脱离隔封套与灌封胶直接接触。灌封胶完全达到刚度后，撤去解调仪处光纤的暂时固定。本发明的效果和益处是造价低，使用简单，布设方便，不影响路面正常施工，对路面结构本身的应力场分布影响很小。本发明避免了沥青路面结构成形过程中产生的大变形对传感器的损坏，又保持了测试时的高精度。

说明书

技术领域

本发明属于道路实验设备技术领域，涉及到的是一种基于光纤传感技术的 沥青路面现场径向应变测试传感器。

技术背景

道路是交通基础设施的重要组成部分，近年来我国公路建设投资均占我国 GDP的2％-3％。但从全世界范围来看，道路的早期病害问题从未得到根本解决。 另一方面，路面的维修对道路通行的影响变得越来越难以忍受，并容易引发恶 性交通事故。因此，随着经济的发展，以及对道路的承载重交通需求，提高道 路结构的使用性能已经成为道路工程的重点研究目标。

长期以来，国内外沥青混合料设计都以经验法为主，随着人们对道路结构 承受高交通量、重荷载以及长寿命的要求不断增加，道路结构性能及其损伤演 化规律的把握越来越受到重视，国内外道路工程界的研究工作加重了力学分析 在道路结构设计中的应用。道路结构的早期病害问题的根本解决需要对道路材 料、结构、水文地质、荷载及环境等因素综合作用力学行为的准确把握，而缺 乏有效的测试手段提供参考数据是这项工作的关键阻力之一。

动态模量、重复加载以及静态蠕变等室内实验方法的提出标志着对沥青路 面材料精细力学分析的开始，但对于高度不均匀、各向异性、拉压不同性的沥 青路面材料，现场测试更能反映道路结构在环境-交通荷载耦合作用下的实际响 应。如何将现场道路结构响应与实验室路面试件的精密测试关联，也同样具有 重要意义。

道路结构的恶劣服役环境和沥青混合料的特性要求埋在道路结构中的传感 器需能承受高温(高达160oC)、潮湿的工作环境、高碾压力、重复重荷载等， 并且有大的覆盖面，因此绝大多数传统的土木工程传感器不能直接用于道路结 构中。而现有的基于光纤技术的现场路面应变测试技术也仅限于直线型测量， 受光纤敏感元件及封装材料尺寸限制，传感器标距也很难控制到很小。

发明内容

本发明的目的是在于提供一种基于光纤传感技术的沥青路面现场径向应变 测试传感器。

本发明的技术方案如下：

一种基于光纤传感技术的沥青路面现场径向应变测试传感器，包括裸光纤 光栅、铠装保护线、形状控制器、灌封槽、单端固定块、变形缓冲槽、隔热层 及封固阀系统；裸光纤光栅作为变形敏感元件。封固阀系统包括控制线、密封 垫以及隔封套。

将裸光纤光栅或加套管保护的光纤光栅穿入用作测量部分的铠装线，确保 光栅始终位于环形测试区域。光纤光栅的一端引出线由单端固定块固定于灌封 槽内，光纤光栅的另一端作为信号传输段预先穿过灌封槽内封固阀系统的隔封 套部分，然后依次穿过变形缓冲槽和灌封槽两端的预留孔。传感器埋设前将封 固阀系统在灌封槽内的密封垫用低粘度胶固定于灌封槽内侧，位于灌封槽外的 另一密封垫紧贴灌封槽壁，确保将灌封槽外端的预留孔密封，灌封胶不从灌封 槽的预留孔中流出。封固阀系统位于灌封槽外的控制线由单独铠装保护线引出 路面结构或控制线与光纤传输线一起穿过同一铠装保护线引至连接解调仪器 点。灌封槽上部设有灌胶口。灌封槽及变形缓冲槽外部设由隔热材料构成的隔 热层。隔热层可以避免沥青路面成型时高温对灌封胶的快速固化作用。形状控 制器可以是圆柱体或圆环，用于在传感器布设时控制测试段铠装线的圆形布置 形状，传感器放置好后可撤掉。

单端固定块采用纤维强化塑料(FRP，Fiber Reinforced Polymer)、环氧树 脂材料或金属材料构成；灌封胶由低粘度环氧树脂材料构成；封固阀系统控制 线由金属丝或变形小的塑料线构成；封固阀系统隔封套由软塑料或橡胶材料构 成；封固阀系统密封垫由软塑料或橡胶材料构成；灌封槽采用金属材料或纤维 强化塑料构成；形状控制器不限材料。

该沥青路面现场径向应变测试传感器在被测路面层铺设前埋设。传感器放 置前调制好灌封胶灌入灌封槽，之后封好灌封口及隔热层。布设传感器时在测 试地点利用形状控制器控制测试段铠装线的环形布置形状，在传感器连接解调 仪处轻微拉紧光纤定型，之后去掉形状控制器。在传感器上可预铺部分沥清混 合料用于更好的定型。完成路面结构的正常摊铺碾压后，将传输光纤连接至光 栅解调仪，一边观察解调仪数据一边缓慢拉传输段光纤，直至光栅绷紧开始受 拉时停止拉伸，并在外部传输段暂时固定，保持轻微手拉状态。拉动封固阀系 统的控制线，令灌封槽内的密封垫脱离粘结的灌封槽侧壁直至到达对面侧壁， 致使位于灌封槽内的光纤脱离隔封套与灌封胶直接接触。等灌封胶完全达到刚 度后，撤去解调仪处光纤的暂时固定。测试时，可在传感器测量环中心位置进 行动静载加载，传感器测量的应变值则可以转化为测点处的径向应变值。

本发明的效果和益处是造价低，使用简单，布设方便，不影响路面正常施 工。由于光纤本身直径很小，因此本发明所涉及传感器直径也可以做小，则对 路面结构本身的应力场分布影响很小。本发明避免了沥青路面结构成形过程中 产生的大变形对传感器的损坏，又保持了测试时的高精度。本发明所涉及传感 器测量半径可调，可同时在加载点中心不同半径处连续布设，这是受限于标距 尺寸的直线型传感器很难达到的。本发明所涉及传感器的环形设计更便于与沥 青混合料室内圆柱形沥青试块加载测试结果相比较，由于环形周长是是直径的 3.14倍，故在同样标距的基础上，环形设计可以测试的区域更小，精度可控性 更高。本发明所涉及传感器即可以测量静应变，也可以测动应变，还作为现场 动态响应测试设备与沥青混合料动态模量实验相配合，也可以配合道路弯沉设 备进行道路结构内部响应测量。

附图说明

附图1是基于光纤传感技术的沥青路面现场径向应变测试传感器及封固阀 系统主要部件结构示意图。

附图2是传感器整体布设示意图。

图中：1裸光纤光栅；2铠装保护线；3单端固定块；4控制线；5隔封套； 6灌封槽；7密封垫；8变形缓冲槽；9隔热层；10光纤光栅解调仪；11形状控 制器。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图所示，主要包括裸光纤光栅1、铠装保护线2、单端固定块3、控制线 4、隔封套5、灌封槽6、密封垫7、变形缓冲槽8、隔热层9；光纤光栅解调仪 10；形状控制器11。

将光纤光栅带套管穿入用作测量部分的铠装线，确保光栅始终位于环形测 试区域。光纤光栅的一端由单端固定块固定于灌封槽内，另一端作为信号传输 段分别穿过变形缓冲槽及灌封槽内的预留孔，并预先穿过灌封槽内封固阀系统 的隔封套部分。封固阀系统的隔封套和密封垫由控制线相连。传感器埋设前封 固阀系统在灌封槽内的密封垫用低粘度胶固定于灌封槽一侧，此时灌封槽外密 封垫紧贴灌封槽壁，确保灌封胶不从灌封槽的光纤预留孔中流出。封固阀系统 位于灌封槽外的控制线由单独铠装线引出路面结构或与光纤传输线一起穿过同 一铠装线引至连接解调仪器点。灌封槽上部设有灌胶口。灌封槽及变形缓冲槽 外部设由隔热材料构成的隔热层。

该沥青路面现场径向动静态应变测试传感器在被测路面层铺设前埋设。传 感器埋设时调制好灌封胶灌入灌封槽，之后封好灌封口及隔热层。布设传感器 时在测试地点利用形状控制器控制测试段铠装线的环形布置形状，在传感器连 接解调仪处轻微拉紧光纤定型，之后去掉形状控制器。在传感器上可预铺部分 理清混合料用于更好的定型。完成路面结构的正常摊铺碾压后，将传输光纤连 接至光栅解调仪，一边观察解调仪数据一边缓慢拉紧光栅，直至光栅绷紧开始 受拉时停止拉伸，并暂时固定。拉动封固阀系统的控制线，令灌封槽内的密封 垫脱离粘结的灌封槽侧壁直至到达对面侧壁，致使位于灌封槽内的光纤脱离隔 封套与灌封胶直接接触。等灌封胶完全达到刚度后，撤去解调仪处光纤的简单 固定。测试时，可在传感器测量环对应中心位置进行动静载加载，传感器测量 的应变值则可以转化为测点处的径向应变值。

其中灌封槽和变形缓冲槽可以是一体，仅以侧壁隔开，也可以是独立槽。 变形缓冲槽布设前后均为密封，灌封槽在埋设前设有灌胶开口。变形缓冲槽与 灌封槽正对的外壁中部设有开口，孔径大小为刚好允许铠装线通过，且铠装线 可在孔处自由进出，保证路面碾压时测试圈可随测试部分膨胀，伸入变形缓冲 槽的铠装线的长度要保证路面碾压完毕后仍要有铠装线留在变形缓冲槽内部。 变形缓冲槽与灌封槽分隔的侧壁中部预留小口，孔径大小为仅允许光纤通过， 孔内壁可粘有橡胶层，防止灌封槽内的灌封胶流入变形缓冲槽。

该沥青路面现场径向应变测试传感器测量半径可根据需求改变。同一测试 地点可沿不同深度、不同半径布设多个传感器以测量应变场分布情况。径向应 变可根据下式求得。

ε_r＝ε/(2π)

式中ε_r表示测点处径向应变，ε表示光栅测得的应变值。