[发明专利]基于光纤传感技术的沥青路面连续竖向变形监测传感器

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连续竖向变形监测传感器。

背景技术

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。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，而缺乏有效的现场测试手段提供参考数据是这项工作的关键阻力之一。

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达160℃、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。

道路结构在承受交通荷载时竖向的变形最明显，应力场分布观测中竖向变形也最为重要。但现场布设的竖向变形传感器在道路成型过程中要同道路结构一起承受大变形量达到200,000个微应变以上，精细应力场测量又需要传感器精确到几十个甚至几个微应变；柔性路面结构成型时的高碾压力要求传感器有足够的刚度来保护内部敏感元件，但道路结构成型后的柔性特质又要求传感器刚度不能太大以能与其协同变形。这些高精度与大量程、刚性同时兼具柔性的矛盾要求使得市场上现有的传感器很难满足，不是精度不够高就是成活率太低。道路结构的材料不均匀性和大尺度又要求传感器的造价不能太高，以满足多监测点的需求。

同时，道路结构的振动特征常用来做道路结构内部模量、层厚等参数反演的重要途径。例如弯沉仪、表面波技术等都是利用路面的动态响应反推内部材料状态及参数的。但是目前对于路面结构动态响应的测量主要还是集中于表面加速度等信号的采集。道路结构是在深度和水平方向都有很大尺寸的三维结构，仅表面的动态信号用作结构内部材料参数的整体反演由于输入信息不足必然会造成不是唯一解也就是多个解的情况出现。而且对各类结构的振动测试反演研究也表明利用动态应变信息反演结构状态要比加速度信息精度高。

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连续竖向变形监测传感器。解决了连续竖向动静态变形监测路面结构难以实现高精度、高成活率、低造价、布设方法简单、覆盖范围大的的问题。

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连续竖向变形监测传感器，包括裸光纤光栅、曲率应变转换条、单端固定块、螺旋钢管、固定线、方向控制座、防水套；裸光纤光栅作为变形敏感元件。

曲率应变转换条表面沿纵向直线贴有多个裸光纤光栅或裸光纤光栅串，穿于螺旋钢管中。曲率应变转换条的一端由单端固定块与螺旋钢管固接，保证曲率应变转换条与螺旋钢管不发生相对运动，且光纤光栅位于曲率应变转换条与螺旋钢管接触线的正对方。固定线在特定位置从螺旋钢管的螺旋缝隙绕紧曲率应变转换条，固定线接头粘于螺旋钢管外侧，固定线的作用是保证曲率应变转换条在螺旋钢管截面方向与螺旋钢管不发生相对运动，但在轴向上可以自由活动，这样在螺旋钢管发生弯曲变形时，曲率应变转换条也受迫只进行纯弯曲变形，在轴向上并不额外受力。在螺旋钢管外部套有薄防水套，防止布设后水份进入。分别将测试段螺旋钢管的两端固定在方向控制座上，传感器布设时放置在平整面上能保证曲率应变转换条根据布设设计要求处于螺旋钢管的正上方或正下方。

曲率应变转换条由高弹性纤维强化塑料(FRP，FiberReinforcedPolymer)或金属材料构成；单端固定块采用环氧树脂材料或金属材料构成，主要起固定作用；固定线为表面光滑、变形小、强度高的工程塑料线或金属丝；方向控制座则由金属材料或纤维强化塑料构成；防水套由塑料材料构成。