基于光纖傳感技術的瀝青路面連續(xù)豎向變形監(jiān)測傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于道路實驗設備技術領域，涉及到的是一種基于光纖傳感技術的瀝青路面連續(xù)豎向變形監(jiān)測傳感器。
【背景技術】
[0002]道路是交通基礎設施的重要組成部分，近年來我國公路建設投資均占我國GDP的2%-3%。但從全世界范圍來看，道路的早期病害問題從未得到根本解決。另一方面，路面的維修對道路通行的影響變得越來越難以忍受，并容易引發(fā)惡性交通事故。長期以來，國內(nèi)外瀝青混合料設計都以經(jīng)驗法為主，隨著人們對道路結(jié)構(gòu)承受高交通量、重荷載以及長壽命的要求不斷增加，道路結(jié)構(gòu)性能及其損傷演化規(guī)律的把握越來越受到重視，國內(nèi)外道路工程界的研究工作加重了力學分析在道路結(jié)構(gòu)設計中的應用。道路結(jié)構(gòu)的早期病害問題的根本解決需要對道路材料、結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)、荷載及環(huán)境等因素綜合作用力學行為的準確把握，而缺乏有效的現(xiàn)場測試手段提供參考數(shù)據(jù)是這項工作的關鍵阻力之一。
[0003]道路結(jié)構(gòu)的惡劣服役環(huán)境和瀝青混合料的特性要求埋在道路結(jié)構(gòu)中的傳感器需能承受高溫達160°C、潮濕的工作環(huán)境、高碾壓力、重復重荷載等，并且有大的覆蓋面，因此絕大多數(shù)傳統(tǒng)的土木工程傳感器不能直接用于道路結(jié)構(gòu)中。
[0004]道路結(jié)構(gòu)在承受交通荷載時豎向的變形最明顯，應力場分布觀測中豎向變形也最為重要。但現(xiàn)場布設的豎向變形傳感器在道路成型過程中要同道路結(jié)構(gòu)一起承受大變形量達到200，000個微應變以上，精細應力場測量又需要傳感器精確到幾十個甚至幾個微應變；柔性路面結(jié)構(gòu)成型時的高碾壓力要求傳感器有足夠的剛度來保護內(nèi)部敏感元件，但道路結(jié)構(gòu)成型后的柔性特質(zhì)又要求傳感器剛度不能太大以能與其協(xié)同變形。這些高精度與大量程、剛性同時兼具柔性的矛盾要求使得市場上現(xiàn)有的傳感器很難滿足，不是精度不夠高就是成活率太低。道路結(jié)構(gòu)的材料不均勻性和大尺度又要求傳感器的造價不能太高，以滿足多監(jiān)測點的需求。
[0005]同時，道路結(jié)構(gòu)的振動特征常用來做道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部模量、層厚等參數(shù)反演的重要途徑。例如彎沉儀、表面波技術等都是利用路面的動態(tài)響應反推內(nèi)部材料狀態(tài)及參數(shù)的。但是目前對于路面結(jié)構(gòu)動態(tài)響應的測量主要還是集中于表面加速度等信號的采集。道路結(jié)構(gòu)是在深度和水平方向都有很大尺寸的三維結(jié)構(gòu)，僅表面的動態(tài)信號用作結(jié)構(gòu)內(nèi)部材料參數(shù)的整體反演由于輸入信息不足必然會造成不是唯一解也就是多個解的情況出現(xiàn)。而且對各類結(jié)構(gòu)的振動測試反演研究也表明利用動態(tài)應變信息反演結(jié)構(gòu)狀態(tài)要比加速度信息精度尚O

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是在于提供一種基于光纖傳感技術的瀝青路面連續(xù)豎向變形監(jiān)測傳感器。解決了連續(xù)豎向動靜態(tài)變形監(jiān)測路面結(jié)構(gòu)難以實現(xiàn)高精度、高成活率、低造價、布設方法簡單、覆蓋范圍大的的問題。
[0007]本發(fā)明的技術方案如下:
[0008]一種基于光纖傳感技術的瀝青路面連續(xù)豎向變形監(jiān)測傳感器，包括裸光纖光柵、曲率應變轉(zhuǎn)換條、單端固定塊、螺旋鋼管、固定線、方向控制座、防水套；裸光纖光柵作為變形敏感元件。
[0009]曲率應變轉(zhuǎn)換條表面沿縱向直線貼有多個裸光纖光柵或裸光纖光柵串，穿于螺旋鋼管中。曲率應變轉(zhuǎn)換條的一端由單端固定塊與螺旋鋼管固接，保證曲率應變轉(zhuǎn)換條與螺旋鋼管不發(fā)生相對運動，且光纖光柵位于曲率應變轉(zhuǎn)換條與螺旋鋼管接觸線的正對方。固定線在特定位置從螺旋鋼管的螺旋縫隙繞緊曲率應變轉(zhuǎn)換條，固定線接頭粘于螺旋鋼管外側(cè)，固定線的作用是保證曲率應變轉(zhuǎn)換條在螺旋鋼管截面方向與螺旋鋼管不發(fā)生相對運動，但在軸向上可以自由活動，這樣在螺旋鋼管發(fā)生彎曲變形時，曲率應變轉(zhuǎn)換條也受迫只進行純彎曲變形，在軸向上并不額外受力。在螺旋鋼管外部套有薄防水套，防止布設后水份進入。分別將測試段螺旋鋼管的兩端固定在方向控制座上，傳感器布設時放置在平整面上能保證曲率應變轉(zhuǎn)換條根據(jù)布設設計要求處于螺旋鋼管的正上方或正下方。
[0010]曲率應變轉(zhuǎn)換條由高彈性纖維強化塑料(FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymer)或金屬材料構(gòu)成；單端固定塊采用環(huán)氧樹脂材料或金屬材料構(gòu)成，主要起固定作用；固定線為表面光滑、變形小、強度高的工程塑料線或金屬絲；方向控制座則由金屬材料或纖維強化塑料構(gòu)成；防水套由塑料材料構(gòu)成。
[0011]該瀝青路面連續(xù)豎向變形監(jiān)測傳感器布設在被測瀝青路面層底部。布設層下層壓實平整后，將傳感器放置于待測位置，在單個或兩個方向控制座底部與底面層固定，以穩(wěn)定傳感器布設位置及方向。光纖光柵傳輸段經(jīng)由保護線引至道路結(jié)構(gòu)外測試點。之后按瀝青路面成型程序完成被測瀝青路面層的攤鋪及碾壓。傳感器放置固定及路面層碾壓完成后分別進行光纖光柵應變測量，以獲取初始參考值，了解傳感器，即被測路面層底，初始形態(tài)。在進行道路結(jié)構(gòu)豎向應變場測試時，同時適用于動靜態(tài)加載形式，螺旋鋼管緊貼道路結(jié)構(gòu)層隨之發(fā)生彎曲變形，實時測量出各個光纖光柵的應變值。利用多項式擬合等方法以各離散點的光纖光柵應變值擬合出傳感器所在位置的整條連續(xù)應變曲線，再利用曲率應變轉(zhuǎn)換條的截面形狀可以輕易的計算出曲率應變轉(zhuǎn)換條的整條彎曲狀態(tài)曲線，也就近似等同于道路結(jié)構(gòu)層底部的動靜態(tài)豎向變化曲線。通過改變光纖光柵的放置數(shù)量、密度和測試長度可改變道路結(jié)構(gòu)層底部的動靜態(tài)變化曲線的測試精度。每次測試的變化曲線與初始狀態(tài)的傳感器測試曲線差即為被測層的連續(xù)豎向變形曲線。通過長期數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測路面結(jié)構(gòu)的豎向永久變形。
[0012]本發(fā)明還有這樣一些技術特征:
[0013]所述豎向變形監(jiān)測傳感器由多個裸光纖光柵或裸光纖光柵串同時測試，完成豎向變形重構(gòu)，不能僅用單一光纖光柵；測試精度的提高由增加光纖光柵數(shù)量和密度實現(xiàn)；
[0014]所述豎向變形監(jiān)測傳感器需有足夠的測試長度，保證至少一端方向控制座處受力或變形很小，過渡到主要變形區(qū)域的部分稀疏布置光纖光柵，主要變形區(qū)域光柵相對密集;
[0015]所述豎向變形監(jiān)測傳感器的防水套選用薄和偏硬材料，以減少吸收道路結(jié)構(gòu)傳遞給光纖敏感元件的振動響應；
[0016]本發(fā)明的效果和益處是①傳感器布設方便，不影響路面正常施工，且施工過程中的高碾壓力不會對傳感器造成破壞，成活率高由于光柵光纖本身的精確性，近似絕對測量，加上高彈性和線性度的FRP或金屬材料構(gòu)成的曲率應變轉(zhuǎn)換條，可使豎向變形測試精度很高；③螺旋鋼管本身可以輕易彎曲變形，截面尺寸較小的曲率應變轉(zhuǎn)換條彎曲變形亦不需太大的外力，因此在傳感器所在豎平面?zhèn)鞲衅鞅憩F(xiàn)很強的柔性，易于與道路結(jié)構(gòu)一起變形，且對道路結(jié)構(gòu)本身應變場影響較小傳感器不僅是測量單點的豎向變形，而且可以測量連續(xù)區(qū)域的豎向變形，傳感器螺旋鋼管亦可以起到一定的柔化過渡作用，不受單點由于材料不均勻造成的應變奇異現(xiàn)象影響；⑤傳感器可以提供結(jié)構(gòu)內(nèi)部精確的動態(tài)豎向應變值，為基于振動分析的結(jié)構(gòu)參數(shù)反演提供更多有效