适用于沥青路面的分布式光纤传感器保护结构及安装方法

摘要

本发明涉及一种适用于沥青路面的分布式光纤传感器保护结构及安装方法，用于保护埋设于沥青路面内的分布式光纤传感器，保护结构包括第一保护层和第二保护层，所述的第一保护层为长条形，所述的分布式光纤传感器的光纤沿着第一保护层的长度方向盘绕在第一保护层上，所述的第二保护层沿着第一保护层的宽度方向缠绕在第一保护层和光纤外侧，构成传感器封装件，所述的传感器封装件通过第一粘接层固定在沥青路面的基底上，所述的沥青路面的沥青混凝土层覆盖在传感器封装件上，所述的分布式光纤传感器的光纤连接器靠近第一保护层的端部，且位于沥青路面外侧。与现有技术相比，本发明具有安装简便、准确性好、稳定耐久、精度高和成本低等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及道路监测技术领域，尤其是涉及一种适用于沥青路面的分布式光纤传感器保护结构及安装方法。

背景技术

近年来，随着交通量的增长以及超载现象不断出现，很多道路过早地出现了路面病害问题，如车辙、疲劳、裂缝、松散等。道路病害不仅影响道路的使用性能，还带来了公路交通安全隐患，道路病害大多从初期的微小损伤开始，如不及时发现并进行相应的养护，将会对整体结构造成大规模的破坏，极大的缩短公路的使用寿命。造成路面病害过早出现的很大一个原因是道路轴载数据、交通数据和相关运营数据等的缺失，难以及时形成对应的养护预防措施。因此，道路结构监测对于道路设施全寿命养护管理显得尤为重要，而监测的关键在于长期、大量、准确地获取道路数据。

随着科学的发展，光纤作为传感材料在各行业获得了极大的推广，其材料特性得到了充分的研究，很多围绕光纤材料的新技术得到了广泛的应用。目前光纤已被广泛用于航空航天、石油石化、医药医疗、土木工程、食品安全等领域，在温度监测、管井湿度监测、应力应变监测等方面都有较为丰富的应用。在道路结构监测方面，光纤作为一种新型传感材料，主要有以下几种优势：

(1)灵敏度高：由于光是一种波长极短的电磁波，通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例，由于所使用的光纤直径很小，受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化，从而引起较大的相位变化；

(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全：由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质，同时安全可靠，因此光纤传感器可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中；

(3)测量速度快：光的传播速度快且能传送二维信息，因此可用于高速测量。当信号的分析具有极高的检测速率要求时，应用电子学的方法往往难以实现，此时利用光衍射现象的高速频谱分析便可解决问题；

(4)信息容量大：被测信号以光波为载体，而光的频率极高，所容纳的频带很宽，且同一根光纤可以传输多路信号；

(5)易于进行大规模布设。光纤材料质地轻，材料柔性强，生产技术成熟且成本较低。在长距离分布式传输过程中，光纤的信号损耗较低，使得光纤传感技术应用于高速公路具有可行性。

目前，光纤作为传感材料用于工程结构检测的案例较多，但用于沥青路面长期监测时，存在光纤传感器的保护与安装的技术难点，中国发明专利申请公开说明书CN110424229A公开了这样一种分布式光纤传感器的布置方法。该方法先在现有的分布式光纤传感器的两端分别安装限制轴向移动的固定座，并对分布式光纤传感器的表面包覆热塑性胶体材料；然后对现有的路面进行开槽，对开槽路面的两端的槽口进行扩大以保证固定座顺利安装入路面的槽内；最后将安装固定座固定在路面的槽内，在路面摊铺时将混合的高温沥青混合料填入路面的槽内，由于高温使包覆在分布式光纤传感器表面的热塑性胶体材料熔化，以填补分布式光纤传感器四周的空隙。

但该专利存在以下问题：

该专利为了实现光纤传感器的定位，需要安装限制轴向移动的固定座，并对分布式光纤传感器的表面包覆热塑性胶体材料，此过程中需要用到定制的加工件，如定制的环形凹槽、半圆环等，材料准备较为复杂，且由于光纤传感器比较纤细，在其表面包覆热塑性胶体材料时难以使厚度均匀，使得光纤传感器的测量准确度低；

该专利需要对路面进行开槽，需要用到切割机等设备，还需保证开槽的宽度与分布式光纤传感器包覆热塑性胶体材料后的直径相同，过程较为繁琐，施工效率低。

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适用于沥青路面的分布式光纤传感器保护结构及安装方法，安装简便，准确性好，稳定耐久，精度高，成本低。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种适用于沥青路面的分布式光纤传感器保护结构，用于保护埋设于沥青路面内的分布式光纤传感器，所述的沥青路面包括基底以及基底上的沥青混凝土层，所述的分布式光纤传感器包括光纤以及位于光纤端部的光纤连接器，所述的保护结构包括第一保护层和第二保护层，所述的光纤沿沥青路面横向盘绕在第一保护层上，所述的第二保护层沿沥青路面纵向缠绕在第一保护层和光纤外侧，构成传感器封装件，所述的传感器封装件通过第一粘接层固定在基底上，所述的沥青混凝土层覆盖在传感器封装件上，所述的光纤连接器靠近第一保护层的端部，且位于沥青路面外侧。

由于分布式光纤传感器盘绕在第一保护层上，所述的第一保护层和第二保护层共同保护分布式光纤传感器，封装好的传感器封装件的尺寸远大于沥青颗粒，能更好的实现分布式光纤传感器和沥青混凝土层的变形协调，从而获得更准确的道路荷载响应数据。

所述的传感器封装件通过第一粘接层初步固定位置，由于传感器封装件与第一粘接层的粘接面积大，因此粘接强度高，同时沥青混凝土层自身具有硬化固结作用，因此传感器封装件埋设完成后结构稳定，不易发生滑动，存活率高，稳定耐久，有利于分布式光纤传感器对沥青路面的长期监测；

所述的传感器封装件的埋设过程中不需要额外再基底上开槽，安装简便，施工效率高；

另外，由于光纤沿着第一保护层的长度方向盘绕在第一保护层上，盘绕的安装方式大大提高了分布式光纤传感器对沥青路面监测的灵敏度，精度高。

进一步地，所述的第一保护层上设有第二粘接层，所述的光纤通过第二粘接层粘接在第一保护层上，所述的第二保护层上设有第三粘接层，所述的第二保护层通过第三粘接层与光纤以及第一保护层粘接。

进一步地，所述的第一保护层和第二粘接层通过高温胶带实现，第二保护层和第三粘接层通过高温胶带实现。

进一步地，所述的第一粘接层为双面胶带或耐高温胶料。

进一步地，由于光纤盘绕在第一保护层上，因此分布式光纤传感器的两个光纤连接器可均靠近第一保护层的同一端部，两个光纤连接器从沥青路面的同一侧伸出，相比于两个光纤连接器分布于沥青路面的相对两侧，便于分布式光纤传感器的接线，使得布设线路更加合理和简便，另外，通过防水耐腐材料缠绕包裹两个光纤连接器，或在两个光纤连接器外侧设置外壳，同时实现对两个光纤连接器的保护，便于两个光纤连接器统一管理和维护。

进一步地，由于光纤采用盘绕方式安装，所述的光纤不用完全横穿沥青路面，所述的传感器封装件采用半幅布设或全幅布设，可根据沥青路面的实际情况灵活选择布设方式，灵活性强，采用半幅布设时，大大减少了布设所需的人力和物力。

一种采用上述的保护结构的安装方法，具体包括：

将分布式光纤传感器盘绕在第一保护层上，将第二保护层沿着第一保护层的宽度方向缠绕在第一保护层和光纤外侧，构成传感器封装件；

通过第一粘接层将传感器封装件铺设在基底上，实现分布式光纤传感器位置的初步固定；

将沥青混凝土层铺设在传感器封装件表面。

与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：

(1)本发明包括第一保护层和第二保护层，光纤沿着沥青路面横向盘绕在第一保护层上，第二保护层沿沥青路面纵向缠绕在第一保护层和光纤外侧，构成传感器封装件，传感器封装件通过第一粘接层固定在基底上，沥青混凝土层覆盖在传感器封装件上，光纤连接器位于沥青路面外侧，封装好的传感器封装件的尺寸远大于沥青颗粒，能更好的实现分布式光纤传感器和沥青混凝土层的变形协调，从而获得更有效的道路荷载响应数据，准确性好，传感器封装件的埋设过程中不需要额外再基底上开槽，安装简便，施工效率高；

(2)本发明传感器封装件通过第一粘接层初步固定位置，由于传感器封装件与第一粘接层的粘接面积大，因此粘接强度高，同时沥青混凝土层自身具有硬化固结作用，因此传感器封装件埋设完成后结构稳定，不易发生滑动，存活率高，稳定耐久，有利于分布式光纤传感器对沥青路面的长期监测；

(3)本发明光纤沿着第一保护层的长度方向盘绕在第一保护层上，盘绕的安装方式大大提高了分布式光纤传感器对沥青路面监测的范围，灵敏度高；

(4)本发明光纤采用盘绕方式安装，光纤不用完全横穿沥青路面，传感器封装件采用半幅布设或全幅布设，可根据沥青路面的实际情况灵活选择布设方式，灵活性强；

(5)本发明第一保护层上设有第二粘接层，光纤通过第二粘接层粘接在第一保护层上，第二保护层上设有第三粘接层，第二保护层通过第三粘接层与光纤以及第一保护层粘接，第一保护层和第二粘接层通过高温胶带实现，第二保护层和第三粘接层通过高温胶带实现，成本低，传感器封装件的封装过程简便，施工效率高；

(6)本发明光纤盘绕在第一保护层上，因此分布式光纤传感器的两个光纤连接器可均靠近第一保护层的同一端部，两个光纤连接器从沥青路面的同一侧伸出，相比于两个光纤连接器分布于沥青路面的相对两侧，便于分布式光纤传感器的接线，使得布设线路更加合理和简便，另外，通过防水耐腐材料缠绕包裹两个光纤连接器，或在两个光纤连接器外侧设置外壳，同时实现对两个光纤连接器的保护，便于两个光纤连接器统一管理和维护。

附图说明

图1为分布式光纤传感器在第一保护层上的盘绕方式示意图；

图2为传感器封装件的俯视图；

图3为沥青路面纵向断面图；

图4为传感器封装件半幅铺设示意图；

图5为传感器封装件全幅铺设示意图；

图中标号说明：

1.分布式光纤传感器，2.第一保护层，3.第二保护层，4.传感器封装件，5.第一粘接层，6.沥青混凝土层，7.基底，8.光纤连接器，9.第二粘接层，10.第三粘接层，11.车辆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

一种适用于沥青路面的分布式光纤传感器保护结构，用于保护埋设于沥青路面内的分布式光纤传感器1，沥青路面包括基底7以及基底7上的沥青混凝土层6，分布式光纤传感器1采用直径为3mm的PVC光纤传感器，包括光纤以及光纤两端的光纤连接器8；

如图1、图2、图3和图4，保护结构包括1组第一保护层2和19组第二保护层3，第一保护层2为长条形，光纤沿着第一保护层2的长度方向盘绕在第一保护层2上，第一保护层2的长度方向即沥青路面横向，第一保护层2上设有第二粘接层9，光纤通过第二粘接层9粘接在第一保护层2上，第二保护层3上设有第三粘接层10，多组第二保护层3沿着第一保护层2的宽度方向并排缠绕在第一保护层2和光纤外侧，实现完全包裹，第一保护层2的宽度方向即沥青路面纵向，第二保护层3通过第三粘接层10与光纤以及第一保护层2粘接，构成传感器封装件4，传感器封装件4通过第一粘接层5固定在基底7上，沥青混凝土层6覆盖在传感器封装件4上，光纤连接器8靠近第一保护层2的端部，且位于沥青路面外侧；

第一保护层2和第二粘接层9通过宽度为20cm的特氟龙高温胶带实现，第二保护层3和第三粘接层10通过宽度为20cm的特氟龙高温胶带实现，第一粘接层5为环氧树脂AB胶。

如图4，传感器封装件4采用全幅布设，长度为3.5m，光纤在第一保护层2一端的盘绕圈数为4圈，另一端为3圈，由于第二粘接层9具有粘性，可实现光纤的定位，由于分布式光纤传感器1盘绕在第一保护层2上，第一保护层2和第二保护层3共同保护分布式光纤传感器1，封装好的传感器封装件4的厚度达到3mm，其尺寸远大于沥青颗粒，能更好的实现分布式光纤传感器1和沥青混凝土层6的变形协调，从而获得更有效的道路荷载响应数据，准确性好。

传感器封装件4通过第一粘接层5初步固定位置，由于传感器封装件4与第一粘接层5的粘接面积大，因此粘接强度高，同时沥青混凝土层6自身具有硬化固结作用，因此传感器封装件4埋设完成后结构稳定，不易发生滑动，存活率高，稳定耐久，有利于分布式光纤传感器1对沥青路面的长期监测。

传感器封装件4的埋设过程中不需要额外再基底7上开槽，安装简便，施工效率高。

另外，由于光纤沿着第一保护层2的长度方向盘绕在第一保护层2上，盘绕的安装方式大大提高了分布式光纤传感器1对沥青路面监测的灵敏度，精度高。

由于的光纤盘绕在第一保护层2上，因此分布式光纤传感器1的两个光纤连接器8可均靠近第一保护层2的同一端部，两个光纤连接器8从沥青路面的同一侧伸出，相比于两个光纤连接器8分布于沥青路面的相对两侧，便于分布式光纤传感器1的接线，使得布设线路更加合理和简便，另外，通过特氟龙高温胶带缠绕包裹两个光纤连接器8，同时实现对两个光纤连接器8的保护，便于两个光纤连接器8统一管理和维护。

实施例2

如图5，本实施例中传感器封装件4采用半幅布设，由于光纤采用盘绕方式安装，光纤不用完全横穿沥青路面，其它与实施例1相同。

实施例3

一种采用实施例1中的保护结构的安装方法，具体包括：

将分布式光纤传感器1盘绕在第一保护层2上，将第二保护层3沿着第一保护层2的宽度方向缠绕在第一保护层2和光纤外侧，构成传感器封装件4；

在沥青路面新建或翻修工程中对尚未铺设沥青的基底7进行处理，用铁铲对表面污垢进行清理，使基底表面没有油垢或疏松层，用记号笔在基底7上画一条垂直于道路中线的直线，用以标记需要布设传感器封装件4的位置，将封装好的传感器封装件4的一面涂上环氧树脂AB胶，依照标记的直线，将传感器封装件4粘接在基底7上，并压紧，静置一段时间，使环氧树脂AB胶固化，实现分布式光纤传感器1位置的初步固定；

将沥青混凝土层6铺设在传感器封装件4表面。

由于封装好的传感器封装件4的体积远大于沥青颗粒，待沥青混凝土层6摊铺并压实后，在初步定位的基础上结合沥青自身的硬化固结作用，可有效避免传感器封装件4在路面内产生滑动，完成分布式光纤传感器1的布设。

实施例1、实施例2和实施例3提出了一种适用于沥青路面的分布式光纤传感器保护结构及安装方法，无需额外定制定位加工件以及对沥青路面进行开槽，仅需简单的封装即可完成对分布式光纤传感器1的保护，且能够更好地实现分布式光纤传感器1与沥青混凝土层6的变形协调，具有安装便捷、存活率高、准确性好和稳定耐久等特点。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。