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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(cè)的基于光纖光柵原理的新型傳感器，以及其應(yīng)用情況。我們結(jié)合公路在施工過(guò)程中溫度高，環(huán)境惡劣，以及瀝青強(qiáng)度低等特點(diǎn)，通過(guò)理論分析，提出了一種新的設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了此種方案的可行性。
關(guān)鍵詞：公路監(jiān)測(cè) 光纖光柵 應(yīng)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(lǐng)域最重要的發(fā)明”�？梢杂脕�(lái)測(cè)量多個(gè)物理量，包括應(yīng)變，應(yīng)力，溫度，振動(dòng)，壓力，以及一些化學(xué)量。其應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛。FBG 是一種全光纖器件，其可靠性好，測(cè)量精度高，線性度好，測(cè)量范圍大，而且抗電磁干擾；同時(shí)FBG 傳感器陣列最大的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)。對(duì)物體進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)量。提取相關(guān)的信號(hào)，進(jìn)行狀態(tài)分析。達(dá)到示警以及故障診斷的目的。
由于光纖光柵傳感器的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，近幾年在國(guó)內(nèi)的推廣形式非常好，以及涉及到諸多行業(yè)的健康監(jiān)測(cè)，我們也開(kāi)發(fā)了種類繁多的傳感器，并已成功應(yīng)用在諸如建筑，油田，水利，鐵路，公路等行業(yè)的健康監(jiān)測(cè)中。下文將著重闡述公路監(jiān)測(cè)專用光纖光柵傳感器的設(shè)計(jì)以及應(yīng)用情況。
1．公路健康監(jiān)測(cè)必要性
交通是與人們息息相關(guān)的事情，同樣也是制約城市發(fā)展的主要因素，可以說(shuō)交通的好壞可以直接決定一個(gè)城市的發(fā)展命運(yùn)。每年國(guó)家都要投入大量資金用在公路修建以及維護(hù)上，其中維護(hù)費(fèi)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?yàn)槠嚦d，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的質(zhì)量有很大關(guān)系。所以在公路施工過(guò)程以及使用過(guò)程中進(jìn)行健康檢測(cè)是非常有必要的。
現(xiàn)在的公路一般分三層進(jìn)行施工，分為底基層、普通層和瀝青層，在施工過(guò)程中埋入溫度以及應(yīng)變傳感器可以及時(shí)得到溫度以及應(yīng)變的變化情況，對(duì)公路質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。詳細(xì)了解施工材料的特點(diǎn)以及影響施工質(zhì)量的因素。
2．傳感器設(shè)計(jì)方案
由于公路施工過(guò)程中條件比較惡劣，主要問(wèn)題有以下幾點(diǎn)：
1. 在瀝青層鋪設(shè)過(guò)程中溫度可達(dá)160℃。
2. 在施工過(guò)程中，每層受到的壓力達(dá)20t 以上。
3. 由于瀝青層隨著環(huán)境溫度變化，其強(qiáng)度變化明顯。傳感器需要能真實(shí)反映瀝青層應(yīng)變。所以傳感器在埋入過(guò)程中的成活率是最關(guān)鍵的問(wèn)題。
首先為了解決高溫的問(wèn)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(qiáng)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(shí)反映瀝青層撓度，我們?cè)谠O(shè)計(jì)傳感器外形的時(shí)候采用的方法是增加瀝青層與傳感器的接觸面積。我們對(duì)傳感器的封裝設(shè)計(jì)提出兩種方案：
2．1 H 形FBGS-H 瀝青計(jì)
裝配圖與實(shí)物圖如下：
2．2 圓型FBGS-O 瀝青計(jì)
裝配圖與實(shí)物圖如下：
2．3 應(yīng)變計(jì)算公式
兩應(yīng)變傳感器的波長(zhǎng)變化與應(yīng)變關(guān)系式：
工字型：
如圖5 所示，設(shè)鋼板長(zhǎng)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(yīng)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(cè)物的撓度 △λB 為波長(zhǎng)變化，單位取pm。
ε為應(yīng)變量 △T為溫度變化量 u為傳感器壓變系數(shù)實(shí)測(cè)值為u=1.11pm/μm
注：以上所計(jì)算的應(yīng)變?chǔ)艦閭鞲衅鞅旧淼纳媳砻鎽?yīng)變值，傳感器鋼板厚度為3mm，長(zhǎng)度為200mm，并不代表路面的真實(shí)應(yīng)變。
圓盤式：
（5）△λB=21.T+△ε*u
△λB 為波長(zhǎng)，△ε為應(yīng)變量，△T 為溫度變化量，u 為傳感器應(yīng)變系數(shù)，實(shí)驗(yàn)中的樣品u = 1.2pm/με。
注：此方法計(jì)算的應(yīng)變值，仍為傳感器本身的應(yīng)變值。
2．4 傳感器標(biāo)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(dá)到99.9%以上。
3．現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試
我們于2005 年3 月與國(guó)內(nèi)某交通研究所展開(kāi)合作，對(duì)這兩種應(yīng)變傳感器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，測(cè)試地點(diǎn)為浙江某工路施工現(xiàn)場(chǎng)。
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(wèn)題，后面的傳感器的信號(hào)也將無(wú)法返回。所以在傳感器埋入之前需要制定一個(gè)埋入成活率高的方案。我們?cè)谶@次施工中采用的埋入方案為：
此方案中，每?jī)蓚€(gè)傳感器一組，兩端各引出一條光纜，然后通過(guò)路面接線盒在將每組傳感器串聯(lián)，將信號(hào)輸入解調(diào)儀。
上述方案經(jīng)施工驗(yàn)證，埋入的所有傳感器的成活率為100%。
3．2 測(cè)試儀器
FBG-3000 高速解調(diào)儀一臺(tái)
筆記本電腦一臺(tái)
3．3 FBGS-H 與FBGS-O 傳感器測(cè)試曲線
以下是當(dāng)中型貨車在路面碾過(guò)時(shí)兩種傳感器的測(cè)試曲線
從圖9 可以明顯看出公路共經(jīng)過(guò)四次碾壓。
為了對(duì)兩種傳感器的響應(yīng)進(jìn)行更詳細(xì)的比較，下面我們將測(cè)試曲線進(jìn)行放大分析。
對(duì)以上圖形進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)傳感器的測(cè)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(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)BGS-O 傳感器的響應(yīng)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(yuǎn)，雖然埋入到瀝青層內(nèi)，但并沒(méi)有與瀝青層融為一體，不能實(shí)現(xiàn)公路監(jiān)測(cè)的量化分析。而采用FBGS-H 的封裝形式，傳感器兩端的結(jié)構(gòu)可以使瀝青層和傳感器本身比較好的結(jié)合，使測(cè)得的數(shù)據(jù)更加接近公路的實(shí)際情況。為了進(jìn)一步驗(yàn)證FBGS-H 傳感器設(shè)計(jì)方案的可行性，我們又制作瀝青梁，將傳感器埋入進(jìn)行了多次試驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程及照片見(jiàn)附件（略）。
4．總結(jié)
現(xiàn)在公路健康監(jiān)測(cè)越來(lái)越得到重視。由于公路施工現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，對(duì)傳感器本身要求非常高，在傳感器設(shè)計(jì)，安裝以及使用中我們既積累了經(jīng)驗(yàn)，也遇到了很多困難，有不少教訓(xùn)，同時(shí)也看到了光纖光柵傳感器在公路健康監(jiān)測(cè)方面美好的應(yīng)用前景。我們將不斷的進(jìn)步和提高，將該系統(tǒng)進(jìn)一步完善。
5．未來(lái)展望
在城市交通要道以及高速公路監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋入傳感器，組建公路監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，統(tǒng)一監(jiān)控。在數(shù)據(jù)處理方面進(jìn)行研究，除了能監(jiān)測(cè)公路健康狀況，還可實(shí)現(xiàn)車流量統(tǒng)計(jì)，對(duì)公路上超速超載情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)等功能。
6．感謝
感謝在傳感器設(shè)計(jì)中國(guó)家交通院給我們提出的寶貴意見(jiàn)，以及在測(cè)試過(guò)程中給我們大力支持的中科院力學(xué)所。
