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方正軍 劉海濤 徐志宏
北京路科銳威科技有限公司北京100085
摘要：本文著重介紹了一種用于公路監(jiān)測的基于光纖光柵原理的新型傳感器，以及其應用情況。我們結合公路在施工過程中溫度高，環(huán)境惡劣，以及瀝青強度低等特點，通過理論分析，提出了一種新的設計方案，經過多次實驗測試驗證了此種方案的可行性。
關鍵詞：公路監(jiān)測 光纖光柵 應變傳感器 撓度
引言：
光纖光柵（FBG）傳感器作為“90 年代光纖傳感領域最重要的發(fā)明”�？梢杂脕頊y量多個物理量，包括應變，應力，溫度，振動，壓力，以及一些化學量。其應用領域非常的廣泛。FBG 是一種全光纖器件，其可靠性好，測量精度高，線性度好，測量范圍大，而且抗電磁干擾；同時FBG 傳感器陣列最大的優(yōu)勢在于可以實現(xiàn)分布式的傳感網(wǎng)絡。對物體進行多點測量。提取相關的信號，進行狀態(tài)分析。達到示警以及故障診斷的目的。
由于光纖光柵傳感器的獨特優(yōu)勢，近幾年在國內的推廣形式非常好，以及涉及到諸多行業(yè)的健康監(jiān)測，我們也開發(fā)了種類繁多的傳感器，并已成功應用在諸如建筑，油田，水利，鐵路，公路等行業(yè)的健康監(jiān)測中。下文將著重闡述公路監(jiān)測專用光纖光柵傳感器的設計以及應用情況。
1．公路健康監(jiān)測必要性
交通是與人們息息相關的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說交通的好壞可以直接決定一個城市的發(fā)展命運。每年國家都要投入大量資金用在公路修建以及維護上，其中維護費用占據(jù)了很大一部分。即便是這樣，每年仍然有大量公路遭到破壞，公路的早期損壞已成為影響高速公路使用功能的發(fā)揮和誘發(fā)交通事故的一大病害。，而破壞一般都是因為汽車超載，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質量有很大關系。所以在公路施工過程以及使用過程中進行健康檢測是非常有必要的。
現(xiàn)在的公路一般分三層進行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過程中埋入溫度以及應變傳感器可以及時得到溫度以及應變的變化情況，對公路質量進行實時監(jiān)控。詳細了解施工材料的特點以及影響施工質量的因素。
2．傳感器設計方案
由于公路施工過程中條件比較惡劣，主要問題有以下幾點：
1. 在瀝青層鋪設過程中溫度可達160℃。
2. 在施工過程中，每層受到的壓力達20t 以上。
3. 由于瀝青層隨著環(huán)境溫度變化，其強度變化明顯。傳感器需要能真實反映瀝青層應變。所以傳感器在埋入過程中的成活率是最關鍵的問題。
首先為了解決高溫的問題，傳感器本身采用不銹鋼材料封裝，尾纖采用抗高溫鎧裝光纜。為了使傳感器在強壓力下仍然能繼續(xù)工作，并且和瀝青層比較好的配合，能真實反映瀝青層撓度，我們在設計傳感器外形的時候采用的方法是增加瀝青層與傳感器的接觸面積。我們對傳感器的封裝設計提出兩種方案：
2．1 H 形FBGS-H 瀝青計
裝配圖與實物圖如下：
2．2 圓型FBGS-O 瀝青計
裝配圖與實物圖如下：
2．3 應變計算公式
兩應變傳感器的波長變化與應變關系式：
工字型：
如圖5 所示，設鋼板長度：
（1） AB=弧AEB=L=0.2m
變形后高度變化：
（2） △H=EF
半徑：R=OA
3 毫米厚工字板表面的應變：
（3） ε =y/R=8 △H y/L2
（4） △λB=21△T+u *△H
y=1.5mm L=200mm △H 為壓下量即被測物的撓度 △λB 為波長變化，單位取pm。
ε為應變量 △T為溫度變化量 u為傳感器壓變系數(shù)實測值為u=1.11pm/μm
注：以上所計算的應變ε為傳感器本身的上表面應變值，傳感器鋼板厚度為3mm，長度為200mm，并不代表路面的真實應變。
圓盤式：
（5）△λB=21.T+△ε*u
△λB 為波長，△ε為應變量，△T 為溫度變化量，u 為傳感器應變系數(shù)，實驗中的樣品u = 1.2pm/με。
注：此方法計算的應變值，仍為傳感器本身的應變值。
2．4 傳感器標定擬合曲線
從擬合曲線可以看出梁傳感器都具有非常好的線性,其R值均達到99.9%以上。
3．現(xiàn)場測試
我們于2005 年3 月與國內某交通研究所展開合作，對這兩種應變傳感器進行現(xiàn)場測試，測試地點為浙江某工路施工現(xiàn)場。
3．1 傳感器布線方案
光纖光柵傳感器采用串聯(lián)連接方式，一旦中間的連線出現(xiàn)問題，后面的傳感器的信號也將無法返回。所以在傳感器埋入之前需要制定一個埋入成活率高的方案。我們在這次施工中采用的埋入方案為：
此方案中，每兩個傳感器一組，兩端各引出一條光纜，然后通過路面接線盒在將每組傳感器串聯(lián)，將信號輸入解調儀。
上述方案經施工驗證，埋入的所有傳感器的成活率為100%。
3．2 測試儀器
FBG-3000 高速解調儀一臺
筆記本電腦一臺
3．3 FBGS-H 與FBGS-O 傳感器測試曲線
以下是當中型貨車在路面碾過時兩種傳感器的測試曲線
從圖9 可以明顯看出公路共經過四次碾壓。
為了對兩種傳感器的響應進行更詳細的比較，下面我們將測試曲線進行放大分析。
對以上圖形進行分析，發(fā)現(xiàn)兩個傳感器的測試曲線都具有明顯的規(guī)律性，且變化規(guī)律一致。但是將兩種傳感器的數(shù)值進行比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BGS-O 傳感器的響應比較弱。原因是圓形的傳感器封裝與瀝青層的剛度相差很遠，雖然埋入到瀝青層內，但并沒有與瀝青層融為一體，不能實現(xiàn)公路監(jiān)測的量化分析。而采用FBGS-H 的封裝形式，傳感器兩端的結構可以使瀝青層和傳感器本身比較好的結合，使測得的數(shù)據(jù)更加接近公路的實際情況。為了進一步驗證FBGS-H 傳感器設計方案的可行性，我們又制作瀝青梁，將傳感器埋入進行了多次試驗，具體實驗過程及照片見附件（略）。
4．總結
現(xiàn)在公路健康監(jiān)測越來越得到重視。由于公路施工現(xiàn)場條件惡劣，對傳感器本身要求非常高，在傳感器設計，安裝以及使用中我們既積累了經驗，也遇到了很多困難，有不少教訓，同時也看到了光纖光柵傳感器在公路健康監(jiān)測方面美好的應用前景。我們將不斷的進步和提高，將該系統(tǒng)進一步完善。
5．未來展望
在城市交通要道以及高速公路監(jiān)測點埋入傳感器，組建公路監(jiān)測系統(tǒng)，統(tǒng)一監(jiān)控。在數(shù)據(jù)處理方面進行研究，除了能監(jiān)測公路健康狀況，還可實現(xiàn)車流量統(tǒng)計，對公路上超速超載情況進行監(jiān)測等功能。
6．感謝
感謝在傳感器設計中國家交通院給我們提出的寶貴意見，以及在測試過程中給我們大力支持的中科院力學所。
