專利名稱：傳感器及采用其測量路面超靜孔隙水壓力的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，該傳感器通過檢測溫度和應變光纖的波長漂移值來計算超靜孔隙水壓力。本發(fā)明還涉及采用這種傳感器測量路面超靜孔隙水壓力的方法。
背景技術(shù)：
路面中超靜孔隙水壓力的破壞是導致路面結(jié)構(gòu)水損壞的直接影響因素之一，目前其檢測手段較為成熟的是電類傳感器，電類傳感器的壓力敏感元件是壓阻元件，是基于壓阻效應工作的，大量工程實踐表明，此類傳感器存在著明顯的缺陷，表現(xiàn)在精度不高， 分辨率較低；作為該類傳感器核心部分的電阻應變片的基本電阻值太低等原因，導致對電線及其電參數(shù)要求十分苛刻；由于電式測量原理上的限制，只能做到點式測量；由于采用的測量信號是電信號，絕緣要求高，造成傳感器埋設困難，并且會受到電磁影響，無法耐高溫、防水、防潮、防雷電等。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是提供一種傳感器，該傳感器能準確、無損地測量路面的超靜孔隙水壓力的變化情況。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種傳感器包括外殼蓋子、底座、平膜片、應變光纖光柵和溫度光纖光柵，外殼蓋子與底座密封連接后在內(nèi)部形成空腔；
平膜片橫向設置在空腔內(nèi)，且平膜片的兩端分別與外殼蓋子和底座的連接端固定連
接；
底座的兩端對稱設有光纖引出孔，使得應變光纖與溫度光纖分別從光纖引出孔引出； 應變光纖設有應變光柵，該應變光柵粘貼在平膜片的中央；
溫度光纖設有溫度光柵，該溫度光柵位于應變光柵附近處于自由狀態(tài)，且不完全脫離平膜片；
外殼蓋子的上表面上設有用于向空腔進水的孔洞。作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，孔洞的個數(shù)為9個；
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，外殼蓋子和底座采用鋁合金材料； 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，應變光纖和溫度光纖用鎧裝線包裹； 作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，底座與外殼蓋子連接部位呈柱狀，柱壁外側(cè)對稱設有螺紋，且螺紋處采用密封材料包裹；
作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，平膜片為圓形，采用0.1毫米不銹鋼片材料。為此，本發(fā)明還提出了一種采用該傳感器測量路面超靜孔隙水壓力的方法， 包括以下幾個步驟
步驟一、將傳感器進行初步處理，具體為將傳感器兩端光纖分別用光纖熔接機接長， 用鐵絲將其固定并在連接處用膠布包裹，同時在光纖端頭處包裹記錄紙，區(qū)分應變光纖還是溫度光纖，并為其標號；步驟二、利用取芯機在道路基層鉆孔，并處于道路行車道外邊緣，再使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，將兩根鋼管正好并排放進槽坑里，再往鉆孔里鋪設一層石子找平，最后將傳感器置于孔內(nèi)；
步驟三、在鉆孔周圍鋪一薄層熱浙青，并用聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與基層緊密粘貼；
步驟四、在基層頂面埋設完傳感器后，進行路面下面層的鋪筑，之后利用取芯機在道路下面層鉆孔，并處于道路行車道外邊緣，再使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，將兩根鋼管正好并排放進槽坑里，再往鉆孔里鋪設一層石子找平，最后將傳感器置于孔內(nèi)；
步驟五、在鉆孔周圍鋪一薄層熱浙青，并用聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與下面層緊密粘貼；
步驟六、在路面下面層埋設傳感器完畢后，進行路面中面層的鋪筑，之后利用取芯機在道路中面層鉆孔，并處于道路行車道外邊緣，再使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，將兩根鋼管正好并排放進槽坑里，再往鉆孔里鋪設一層石子找平，最后將傳感器置于孔內(nèi)；
步驟七、在鉆孔周圍鋪一薄層熱浙青，并用聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與中面層緊密粘貼；
步驟八、在路面中面層埋設傳感器完畢后，進行路面上面層的鋪筑，之后利用取芯機在道路上面層鉆孔，并處于道路行車道外邊緣，再使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，將兩根鋼管正好并排放進槽坑里，再往鉆孔里鋪設一層石子找平，最后將傳感器置于孔內(nèi)；
步驟九、在上、中、下面層和基層的傳感器都已鋪設完畢后，利用光纖熔接機分別把每層的傳感器進行串聯(lián)，最后分別通過光纖連接插頭接入解調(diào)儀的四個通道口 ；
步驟十、一切準備工作完成后，對各個面層的鉆孔進行灌水直至飽水狀態(tài)，并用環(huán)氧樹脂對每個鋼管口進行封堵；然后，汽車輪胎荷載以不同的速度壓過埋設的傳感器上方，通過解調(diào)儀記錄各個層面不同傳感器的數(shù)據(jù)，最后整理分析得出不同速度輪胎荷載情況下產(chǎn)生的動水壓力的變化。本發(fā)明的有益效果是，可以在路面各個面層埋設傳感器，通過熱縮管串聯(lián)，測量路面各面層及基層等的超靜孔隙水壓力，靈敏度高，響應速度快、動態(tài)范圍大，線性度高，結(jié)構(gòu)簡單。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步描述。圖1是本發(fā)明傳感器的剖視圖。圖2是本發(fā)明傳感器平膜片與光纖的局部放大圖。圖3是本發(fā)明傳感器的俯視圖。圖4是本發(fā)明傳感器的側(cè)視圖。圖標號名稱1.平膜片，2.外殼蓋子，3.螺紋，4.光纖引出口，5.底座，6.應變光柵，7.應變光纖，8.孔洞，9.空腔，10.溫度光纖，11.溫度光柵。
具體實施例方式如圖1、圖2、圖3、圖4所示，本發(fā)明一種傳感器包括外殼蓋子2、底座5、平膜片1、 應變光纖7和溫度光纖10，底座5與外殼蓋子2的連接部位呈柱狀，其柱壁外側(cè)對稱設有螺紋3，使得外殼蓋子2與底座5密封連接后在內(nèi)部形成空腔9 ；平膜片1橫向設置在空腔 9內(nèi)，且平膜片1的兩端分別與外殼蓋子2與底座5的連接端固定連接；底座5的兩端對稱設有光纖引出孔4，使得應變光纖7與溫度光纖10分別從光纖引出孔4引出；應變光纖7上設有應變光柵6，應變光柵6粘貼在平膜片1的中央；溫度光纖10上設有溫度光柵11，溫度光柵11位于應變光柵6附近處于自由狀態(tài)，且不完全脫離平膜片1 ；外殼蓋子2的上表面上設有用于向空腔9進水的孔洞8。在本具體實施方式
中，通過在路面的不同面層及基層等部位分別埋置傳感器，通過串聯(lián)，在每個區(qū)域同時布置多個點，有效監(jiān)測路面超靜孔隙水壓力，從而判斷路面水損害的情況，具體步驟如下
步驟一、制作加工5個傳感器，傳感器兩端光纖分別用光纖熔接機接長至4. 5m，并用 20cm長鐵絲固定連接處且用膠布包裹，并在光纖端頭處包裹記錄紙，標簽上此光纖是應變光纖還是溫光纖，并標號為S1、S2、S3、S4、S5 ；
步驟二、在道路基層施工完畢后，利用取芯機在基層鉆孔，測孔深10cm，直徑15cm，并處于道路行車道外邊緣；為了防止高溫浙青混合料熔化損傷光纖，使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，把細長內(nèi)徑1. 5cm的兩根鋼管正好并排放進槽坑里，一根為進水通道，另一根為光纖延伸通道；往鉆孔里鋪設一層3cm左右直徑的石子找平，傳感器平穩(wěn)放置在石子上并保持低于頂面Icm ；埋設時把傳感器兩端光纖分別都放入一根鋼管延伸到外界，并在傳感器上鋪設一些Icm左右直徑的石子直至頂面平行；
步驟三、在鉆孔周圍1平方米鋪一薄層熱浙青，并用長寬各Im的聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與基層緊密粘貼，并防止上層鋪筑浙青混合料時，浙青混合料進入鉆孔；
步驟四、在基層頂面埋設完傳感器后，進行路面下面層的鋪筑，之后利用取芯機在路面下面層鉆孔，測孔深10cm，直徑15cm，并處于道路行車道外邊緣；為了防止高溫浙青混合料熔化損傷光纖，使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，把細長內(nèi)徑1.5cm 的兩根鋼管正好并排放進槽坑里，一根為進水通道，另一根為光纖延伸通道；往鉆孔里鋪設一層3cm左右直徑的石子找平，傳感器平穩(wěn)放置在石子上并保持低于頂面Icm ；埋設時把傳感器兩端光纖分別都放入一根鋼管延伸到外界，并在傳感器上鋪設一些Icm左右直徑的石子直至頂面平行；
步驟五、在鉆孔周圍1平方米鋪一薄層熱浙青，并用長寬各Im的聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與基層緊密粘貼，并防止上層鋪筑浙青混合料時，浙青混合料進入鉆孔；
步驟六、在下面層埋設完傳感器后，進行路面中面層的鋪筑，之后利用取芯機在路面中面層鉆孔，測孔深10cm，直徑15cm，并處于道路行車道外邊緣；為了防止高溫浙青混合料熔化損傷光纖，使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，把細長內(nèi)徑1.5cm的兩根鋼管正好并排放進槽坑里，一根為進水通道，另一根為光纖延伸通道；往鉆孔里鋪設一層3cm左右直徑的石子找平，傳感器平穩(wěn)放置在石子上并保持低于頂面Icm ；埋設時把傳感
6器兩端光纖分別都放入一根鋼管延伸到外界，并在傳感器上鋪設一些Icm左右直徑的石子直至頂面平行；
步驟七、在鉆孔周圍1平方米鋪一薄層熱浙青，并用長寬各Im的聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與基層緊密粘貼，并防止上層鋪筑浙青混合料時，浙青混合料進入鉆孔；
步驟八、在中面層埋設完傳感器后，進行路面上面層的鋪筑，之后利用取芯機在路面上面層并排相距Im鉆兩個孔，測孔深10cm，直徑15cm，并處于道路行車道外邊緣；為了防止高溫浙青混合料熔化損傷光纖，使用割槽機從鉆孔向行車道外緣切割淺槽坑至土路肩，把細長內(nèi)徑1. 5cm的兩根鋼管正好并排放進槽坑里，一根為進水通道，另一根為光纖延伸通道；往鉆孔里鋪設一層3cm左右直徑的石子找平，傳感器平穩(wěn)放置在石子上并保持低于頂面Icm ；埋設時把傳感器兩端光纖分別都放入一根鋼管延伸到外界，并在傳感器上鋪設一些Icm左右直徑的石子直至頂面平行；
步驟九、在上、中、下面層和基層的傳感器都已鋪設完畢后，利用光纖熔接機分別把每層的傳感器進行串聯(lián)，最后分別通過光纖連接插頭接入解調(diào)儀的四個通道口 ；
步驟十、一切準備工作完成后，對各個面層的鉆孔進行灌水直至飽水狀態(tài)，并用環(huán)氧樹脂對每個鋼管口進行封堵；然后，汽車輪胎荷載以不同的速度壓過埋設的傳感器上方，通過解調(diào)儀記錄各個層面不同傳感器的數(shù)據(jù)，最后整理分析得出不同速度輪胎荷載情況下產(chǎn)生的動水壓力的變化。由于平膜片上的光柵的波長位移要受應變及溫度的雙重影響，其值為Ale = J^f+ JT2AT ,而自由狀態(tài)下的光柵波長位移只受溫度的影響，其值為
Mfi2=JT2AT,由于兩根光柵所處環(huán)境相同，故J,值相等，所以光柵波長最終位移為
AZs=AAsi-AIjb =K1E, Mm為測得應變光纖光柵的中心波長位移量,AJ82為測得的溫
度補償光纖光柵的中心波長位移量，A為應變敏感系數(shù)，K7為溫度敏感系數(shù)，￡是光柵軸向應變，AT是溫度變化量。采用本發(fā)明傳感器及其測量路面超靜孔隙水壓力的方法，可以在路面各個面層埋設傳感器，通過熱縮管串聯(lián)，測量路面各面層及基層等的超靜孔隙水壓力，靈敏度高，響應速度快、動態(tài)范圍大，線性度高，結(jié)構(gòu)簡單。
權(quán)利要求
1.一種傳感器，其特征在于包括外殼蓋子(2)、底座(5)、平膜片(1)、應變光纖(7)和溫度光纖(10)，其中所述外殼蓋子(2)與底座(5)相互嚙合，密封連接后在內(nèi)部形成空腔(9)； 所述平膜片(1)橫向設置在空腔(9)內(nèi)，且平膜片(1)的兩端分別與外殼蓋子(2)與底座(5)的連接端固定連接；所述底座(5)的兩端對稱設有光纖引出孔(4)，使得應變光纖(7)與溫度光纖(10)分別從光纖引出孔(4)引出；所述應變光纖(7 )上設有應變光柵(6 )，應變光柵(6 )粘貼在平膜片(1)的中央； 所述溫度光纖(10 )上設有溫度光柵(11)，溫度光柵(11)位于應變光柵(6 )附近處于自由狀態(tài)，且不完全脫離平膜片(1)；所述外殼蓋子(2 )的上表面上設有用于向空腔(9 )進水的孔洞(8 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述孔洞(8)的個數(shù)為9個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述外殼蓋子(2)和底座(5)采用鋁合金材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述應變光纖(7)和溫度光纖(10)用鎧裝線包裹。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述底座(5)與外殼蓋子(2)相連接的部位呈柱狀，在柱壁外側(cè)對稱設有螺紋(3)，且螺紋(3)處采用密封材料包裹。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于所述平膜片(1)為圓形，采用0.1毫米不銹鋼片材料。
7.一種采用權(quán)利要求1所述的傳感器測量路面超靜孔隙水壓力的方法，其特征在于， 包括以下步驟步驟一、將傳感器進行初步處理； 步驟二、在道路的基層鉆孔、切槽坑、埋鋼管，最后將傳感器置于基層孔內(nèi)； 步驟三、在鉆孔周圍鋪一薄層熱浙青，并用聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與基層緊密粘貼；步驟四、在基層頂面埋設完傳感器后，進行路面下面層的鋪筑，之后在下面層鉆孔、切槽坑、埋鋼管，最后將傳感器置于路面下面層的孔內(nèi)；步驟五、在鉆孔周圍鋪一薄層熱浙青，并用聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與下面層緊密粘貼；步驟六、在路面下面層埋設傳感器完畢后，進行路面中面層的鋪筑，之后在中面層鉆孔，切槽坑，埋鋼管，將傳感器置于中面層孔內(nèi)；步驟七、在鉆孔周圍鋪一薄層熱浙青，并用聚酯玻纖布鋪在鉆孔上方，使聚酯玻纖布與中面層緊密粘貼；步驟八、在路面中面層埋設傳感器完畢后，進行路面上面層的鋪筑，之后在上面層鉆孔，切槽坑，埋鋼管，將傳感器置于上面層孔內(nèi)；步驟九、在上、中、下面層和基層的傳感器都已鋪設完畢后，利用光纖熔接機分別把每層的傳感器進行串聯(lián)，最后分別通過光纖連接插頭接入解調(diào)儀的四個通道口 ；步驟十、對各個面層的鉆孔進行灌水直至飽水狀態(tài)，并用環(huán)氧樹脂對每個鋼管口進行封堵；然后，汽車輪胎荷載以不同的速度壓過埋設的傳感器上方，通過解調(diào)儀記錄各個層面不同傳感器的數(shù)據(jù)，最后整理分析得出不同速度輪胎荷載情況下產(chǎn)生的動水壓力的變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用傳感器測量路面超靜孔隙水壓力的方法，其特征在于 所述步驟一將傳感器進行初步處理具體為將傳感器兩端光纖分別用光纖熔接機接長，用鐵絲將其固定并在連接處用膠布包裹，同時在光纖端頭處包裹記錄紙，區(qū)分應變光纖還是溫度光纖，并為其標號。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用傳感器測量路面超靜孔隙水壓力的方法，其特征在于 所述步驟二、步驟四、步驟六和步驟八中的孔位于路面行車道外邊緣。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳感器，包括外殼蓋子(2)、底座(5)、平膜片(1)、應變光纖(7)和溫度光纖(10)，平膜片(1)橫向設置在空腔(9)內(nèi)，且平膜片(1)的兩端分別與外殼蓋子(2)與底座(5)的連接端固定連接，底座(5)的兩端對稱設有光纖引出孔(4)，使得應變光纖(7)與溫度光纖(10)分別從光纖引出孔(4)引出，將光纖光柵和解調(diào)儀連接，通過檢測應變光柵的波長漂移值和溫度光柵的波長漂移值，扣除溫度引起的漂移值得到超靜孔隙水壓力引起的波長位移，即超靜孔隙水壓力的變化。
文檔編號G01B11/16GK102183211SQ201110089740
公開日2011年9月14日 申請日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者季天劍, 張春海, 盛余祥, 蔣澤民, 高俊啟 申請人:南京航空航天大學, 日照市公路管理局工程處