基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器，屬于道路設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】。其特征是在被測(cè)路面層鋪設(shè)前埋設(shè)。放置前將灌封膠灌入灌封槽，封好灌封口及隔熱層。在測(cè)試地點(diǎn)控制測(cè)試段鎧裝線(xiàn)的環(huán)形布置形狀。完成路面結(jié)構(gòu)的正常攤鋪碾壓后，緩慢拉緊光柵并暫時(shí)固定。拉動(dòng)封固閥系統(tǒng)的控制線(xiàn)，令位于灌封槽內(nèi)的光纖脫離隔封套與灌封膠直接接觸。灌封膠完全達(dá)到剛度后，撤去解調(diào)儀處光纖的暫時(shí)固定。本發(fā)明的效果和益處是造價(jià)低，使用簡(jiǎn)單，布設(shè)方便，不影響路面正常施工，對(duì)路面結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力場(chǎng)分布影響很小。本發(fā)明避免了瀝青路面結(jié)構(gòu)成形過(guò)程中產(chǎn)生的大變形對(duì)傳感器的損壞，又保持了測(cè)試時(shí)的高精度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于道路實(shí)驗(yàn)設(shè)備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及到的是一種基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器。
技術(shù)背景
[0002]道路是交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，近年來(lái)我國(guó)公路建設(shè)投資均占我國(guó)GDP的2%-3%。但從全世界范圍來(lái)看，道路的早期病害問(wèn)題從未得到根本解決。另一方面，路面的維修對(duì)道路通行的影響變得越來(lái)越難以忍受，并容易引發(fā)惡性交通事故。因此，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，以及對(duì)道路的承載重交通需求，提高道路結(jié)構(gòu)的使用性能已經(jīng)成為道路工程的重點(diǎn)研宄目標(biāo)。
[0003]長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外瀝青混合料設(shè)計(jì)都以經(jīng)驗(yàn)法為主，隨著人們對(duì)道路結(jié)構(gòu)承受高交通量、重荷載以及長(zhǎng)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(lái)越受到重視，國(guó)內(nèi)外道路工程界的研宄工作加重了力學(xué)分析在道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。道路結(jié)構(gòu)的早期病害問(wèn)題的根本解決需要對(duì)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(xué)行為的準(zhǔn)確把握，而缺乏有效的測(cè)試手段提供參考數(shù)據(jù)是這項(xiàng)工作的關(guān)鍵阻力之一O
[0004]動(dòng)態(tài)模量、重復(fù)加載以及靜態(tài)蠕變等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)方法的提出標(biāo)志著對(duì)瀝青路面材料精細(xì)力學(xué)分析的開(kāi)始，但對(duì)于高度不均勻、各向異性、拉壓不同性的瀝青路面材料，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試更能反映道路結(jié)構(gòu)在環(huán)境-交通荷載耦合作用下的實(shí)際響應(yīng)。如何將現(xiàn)場(chǎng)道路結(jié)構(gòu)響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)室路面試件的精密測(cè)試關(guān)聯(lián)，也同樣具有重要意義。
[0005]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(高達(dá)160oC)、潮濕的工作環(huán)境、高碾壓力、重復(fù)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。而現(xiàn)有的基于光纖技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)路面應(yīng)變測(cè)試技術(shù)也僅限于直線(xiàn)型測(cè)量，受光纖敏感元件及封裝材料尺寸限制，傳感器標(biāo)距也很難控制到很小。


【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(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]一種基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器，包括裸光纖光柵、鎧裝保護(hù)線(xiàn)、形狀控制器、灌封槽、單端固定塊、變形緩沖槽、隔熱層及封固閥系統(tǒng)；裸光纖光柵作為變形敏感元件。封固閥系統(tǒng)包括控制線(xiàn)、密封墊以及隔封套。
[0009]將裸光纖光柵或加套管保護(hù)的光纖光柵穿入用作測(cè)量部分的鎧裝線(xiàn)，確保光柵始終位于環(huán)形測(cè)試區(qū)域。光纖光柵的一端引出線(xiàn)由單端固定塊固定于灌封槽內(nèi)，光纖光柵的另一端作為信號(hào)傳輸段預(yù)先穿過(guò)灌封槽內(nèi)封固閥系統(tǒng)的隔封套部分，然后依次穿過(guò)變形緩沖槽和灌封槽兩端的預(yù)留孔。傳感器埋設(shè)前將封固閥系統(tǒng)在灌封槽內(nèi)的密封墊用低粘度膠固定于灌封槽內(nèi)側(cè)，位于灌封槽外的另一密封墊緊貼灌封槽壁，確保將灌封槽外端的預(yù)留孔密封，灌封膠不從灌封槽的預(yù)留孔中流出。封固閥系統(tǒng)位于灌封槽外的控制線(xiàn)由單獨(dú)鎧裝保護(hù)線(xiàn)引出路面結(jié)構(gòu)或控制線(xiàn)與光纖傳輸線(xiàn)一起穿過(guò)同一鎧裝保護(hù)線(xiàn)引至連接解調(diào)儀器點(diǎn)。灌封槽上部設(shè)有灌膠口。灌封槽及變形緩沖槽外部設(shè)由隔熱材料構(gòu)成的隔熱層。隔熱層可以避免瀝青路面成型時(shí)高溫對(duì)灌封膠的快速固化作用。形狀控制器可以是圓柱體或圓環(huán)，用于在傳感器布設(shè)時(shí)控制測(cè)試段鎧裝線(xiàn)的圓形布置形狀，傳感器放置好后可撤掉。
[0010]單端固定塊采用纖維強(qiáng)化塑料(FRP，F(xiàn)iber Reinforced Polymer)、環(huán)氧樹(shù)脂材料或金屬材料構(gòu)成；灌封膠由低粘度環(huán)氧樹(shù)脂材料構(gòu)成；封固閥系統(tǒng)控制線(xiàn)由金屬絲或變形小的塑料線(xiàn)構(gòu)成；封固閥系統(tǒng)隔封套由軟塑料或橡膠材料構(gòu)成；封固閥系統(tǒng)密封墊由軟塑料或橡膠材料構(gòu)成；灌封槽采用金屬材料或纖維強(qiáng)化塑料構(gòu)成；形狀控制器不限材料。
[0011]該瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器在被測(cè)路面層鋪設(shè)前埋設(shè)。傳感器放置前調(diào)制好灌封膠灌入灌封槽，之后封好灌封口及隔熱層。布設(shè)傳感器時(shí)在測(cè)試地點(diǎn)利用形狀控制器控制測(cè)試段鎧裝線(xiàn)的環(huán)形布置形狀，在傳感器連接解調(diào)儀處輕微拉緊光纖定型，之后去掉形狀控制器。在傳感器上可預(yù)鋪部分瀝清混合料用于更好的定型。完成路面結(jié)構(gòu)的正常攤鋪碾壓后，將傳輸光纖連接至光柵解調(diào)儀，一邊觀(guān)察解調(diào)儀數(shù)據(jù)一邊緩慢拉傳輸段光纖，直至光柵繃緊開(kāi)始受拉時(shí)停止拉伸，并在外部傳輸段暫時(shí)固定，保持輕微手拉狀態(tài)。拉動(dòng)封固閥系統(tǒng)的控制線(xiàn)，令灌封槽內(nèi)的密封墊脫離粘結(jié)的灌封槽側(cè)壁直至到達(dá)對(duì)面?zhèn)缺?，致使位于灌封槽?nèi)的光纖脫離隔封套與灌封膠直接接觸。等灌封膠完全達(dá)到剛度后，撤去解調(diào)儀處光纖的暫時(shí)固定。測(cè)試時(shí)，可在傳感器測(cè)量環(huán)中心位置進(jìn)行動(dòng)靜載加載，傳感器測(cè)量的應(yīng)變值則可以轉(zhuǎn)化為測(cè)點(diǎn)處的徑向應(yīng)變值。
[0012]本發(fā)明的效果和益處是造價(jià)低，使用簡(jiǎn)單，布設(shè)方便，不影響路面正常施工。由于光纖本身直徑很小，因此本發(fā)明所涉及傳感器直徑也可以做小，則對(duì)路面結(jié)構(gòu)本身的應(yīng)力場(chǎng)分布影響很小。本發(fā)明避免了瀝青路面結(jié)構(gòu)成形過(guò)程中產(chǎn)生的大變形對(duì)傳感器的損壞，又保持了測(cè)試時(shí)的高精度。本發(fā)明所涉及傳感器測(cè)量半徑可調(diào)，可同時(shí)在加載點(diǎn)中心不同半徑處連續(xù)布設(shè)，這是受限于標(biāo)距尺寸的直線(xiàn)型傳感器很難達(dá)到的。本發(fā)明所涉及傳感器的環(huán)形設(shè)計(jì)更便于與瀝青混合料室內(nèi)圓柱形瀝青試塊加載測(cè)試結(jié)果相比較，由于環(huán)形周長(zhǎng)是是直徑的3.14倍，故在同樣標(biāo)距的基礎(chǔ)上，環(huán)形設(shè)計(jì)可以測(cè)試的區(qū)域更小，精度可控性更高。本發(fā)明所涉及傳感器即可以測(cè)量靜應(yīng)變，也可以測(cè)動(dòng)應(yīng)變，還作為現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試設(shè)備與瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量實(shí)驗(yàn)相配合，也可以配合道路彎沉設(shè)備進(jìn)行道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部響應(yīng)測(cè)量。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]附圖1是基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器及封固閥系統(tǒng)主要部件結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]附圖2是傳感器整體布設(shè)示意圖。
[0015]圖中:1裸光纖光柵；2鎧裝保護(hù)線(xiàn)；3單端固定塊；4控制線(xiàn)；5隔封套；6灌封槽；7密封墊；8變形緩沖槽；9隔熱層；10光纖光柵解調(diào)儀；11形狀控制器。

【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0017]如圖所示，主要包括裸光纖光柵1、鎧裝保護(hù)線(xiàn)2、單端固定塊3、控制線(xiàn)4、隔封套5、灌封槽6、密封墊7、變形緩沖槽8、隔熱層9 ;光纖光柵解調(diào)儀10 ;形狀控制器11。
[0018]將光纖光柵帶套管穿入用作測(cè)量部分的鎧裝線(xiàn)，確保光柵始終位于環(huán)形測(cè)試區(qū)域。光纖光柵的一端由單端固定塊固定于灌封槽內(nèi)，另一端作為信號(hào)傳輸段分別穿過(guò)變形緩沖槽及灌封槽內(nèi)的預(yù)留孔，并預(yù)先穿過(guò)灌封槽內(nèi)封固閥系統(tǒng)的隔封套部分。封固閥系統(tǒng)的隔封套和密封墊由控制線(xiàn)相連。傳感器埋設(shè)前封固閥系統(tǒng)在灌封槽內(nèi)的密封墊用低粘度膠固定于灌封槽一側(cè)，此時(shí)灌封槽外密封墊緊貼灌封槽壁，確保灌封膠不從灌封槽的光纖預(yù)留孔中流出。封固閥系統(tǒng)位于灌封槽外的控制線(xiàn)由單獨(dú)鎧裝線(xiàn)引出路面結(jié)構(gòu)或與光纖傳輸線(xiàn)一起穿過(guò)同一鎧裝線(xiàn)引至連接解調(diào)儀器點(diǎn)。灌封槽上部設(shè)有灌膠口。灌封槽及變形緩沖槽外部設(shè)由隔熱材料構(gòu)成的隔熱層。
[0019]該瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向動(dòng)靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試傳感器在被測(cè)路面層鋪設(shè)前埋設(shè)。傳感器埋設(shè)時(shí)調(diào)制好灌封膠灌入灌封槽，之后封好灌封口及隔熱層。布設(shè)傳感器時(shí)在測(cè)試地點(diǎn)利用形狀控制器控制測(cè)試段鎧裝線(xiàn)的環(huán)形布置形狀，在傳感器連接解調(diào)儀處輕微拉緊光纖定型，之后去掉形狀控制器。在傳感器上可預(yù)鋪部分理清混合料用于更好的定型。完成路面結(jié)構(gòu)的正常攤鋪碾壓后，將傳輸光纖連接至光柵解調(diào)儀，一邊觀(guān)察解調(diào)儀數(shù)據(jù)一邊緩慢拉緊光柵，直至光柵繃緊開(kāi)始受拉時(shí)停止拉伸，并暫時(shí)固定。拉動(dòng)封固閥系統(tǒng)的控制線(xiàn)，令灌封槽內(nèi)的密封墊脫離粘結(jié)的灌封槽側(cè)壁直至到達(dá)對(duì)面?zhèn)缺?，致使位于灌封槽?nèi)的光纖脫離隔封套與灌封膠直接接觸。等灌封膠完全達(dá)到剛度后，撤去解調(diào)儀處光纖的簡(jiǎn)單固定。測(cè)試時(shí)，可在傳感器測(cè)量環(huán)對(duì)應(yīng)中心位置進(jìn)行動(dòng)靜載加載，傳感器測(cè)量的應(yīng)變值則可以轉(zhuǎn)化為測(cè)點(diǎn)處的徑向應(yīng)變值。
[0020]其中灌封槽和變形緩沖槽可以是一體，僅以側(cè)壁隔開(kāi)，也可以是獨(dú)立槽。變形緩沖槽布設(shè)前后均為密封，灌封槽在埋設(shè)前設(shè)有灌膠開(kāi)口。變形緩沖槽與灌封槽正對(duì)的外壁中部設(shè)有開(kāi)口，孔徑大小為剛好允許鎧裝線(xiàn)通過(guò)，且鎧裝線(xiàn)可在孔處自由進(jìn)出，保證路面碾壓時(shí)測(cè)試圈可隨測(cè)試部分膨脹，伸入變形緩沖槽的鎧裝線(xiàn)的長(zhǎng)度要保證路面碾壓完畢后仍要有鎧裝線(xiàn)留在變形緩沖槽內(nèi)部。變形緩沖槽與灌封槽分隔的側(cè)壁中部預(yù)留小口，孔徑大小為僅允許光纖通過(guò)，孔內(nèi)壁可粘有橡膠層，防止灌封槽內(nèi)的灌封膠流入變形緩沖槽。
[0021]該瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器測(cè)量半徑可根據(jù)需求改變。同一測(cè)試地點(diǎn)可沿不同深度、不同半徑布設(shè)多個(gè)傳感器以測(cè)量應(yīng)變場(chǎng)分布情況。徑向應(yīng)變可根據(jù)下式求得。
[0022]ε r= ε /(2 JT )
[0023]式中\(zhòng)表示測(cè)點(diǎn)處徑向應(yīng)變，ε表示光柵測(cè)得的應(yīng)變值。
【權(quán)利要求】
1.一種基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器，包括裸光纖光柵、鎧裝保護(hù)線(xiàn)、形狀控制器、灌封槽、單端固定塊、變形緩沖槽、隔熱層及封固閥系統(tǒng)；裸光纖光柵作為變形敏感元件；封固閥系統(tǒng)包括控制線(xiàn)、密封墊以及隔封套；其特征在于:將裸光纖光柵或加套管保護(hù)的光纖光柵穿入用作測(cè)量部分的鎧裝線(xiàn)，確保光柵始終位于環(huán)形測(cè)試區(qū)域；光纖光柵的一端引出線(xiàn)由單端固定塊固定于灌封槽內(nèi)，光纖光柵的另一端作為信號(hào)傳輸段預(yù)先穿過(guò)灌封槽內(nèi)封固閥系統(tǒng)的隔封套部分，然后依次穿過(guò)變形緩沖槽和灌封槽兩端的預(yù)留孔；傳感器埋設(shè)前將封固閥系統(tǒng)在灌封槽內(nèi)的密封墊用低粘度膠固定于灌封槽內(nèi)側(cè)，位于灌封槽外的另一密封墊緊貼灌封槽壁，確保將灌封槽外端的預(yù)留孔密封，灌封膠不從灌封槽的預(yù)留孔中流出；封固閥系統(tǒng)位于灌封槽外的控制線(xiàn)由單獨(dú)鎧裝保護(hù)線(xiàn)引出路面結(jié)構(gòu)或控制線(xiàn)與光纖傳輸線(xiàn)一起穿過(guò)同一鎧裝保護(hù)線(xiàn)引至連接解調(diào)儀器點(diǎn)；灌封槽上部設(shè)有灌膠口 ；灌封槽及變形緩沖槽外部設(shè)由隔熱材料構(gòu)成的隔熱層；傳感器埋設(shè)時(shí)將灌封膠灌入灌封槽，之后封好灌封槽及隔熱層；完成路面結(jié)構(gòu)的正常攤鋪碾壓后，拉緊光柵并在外部傳輸段暫時(shí)固定；拉動(dòng)封固閥系統(tǒng)的控制線(xiàn)，灌封槽內(nèi)的光纖脫離隔封套與灌封膠直接接觸；灌封膠完全達(dá)到剛度后，撤去光纖的暫時(shí)固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器，其特征在于:布設(shè)傳感器時(shí)通過(guò)形狀控制器控制測(cè)試段鎧裝保護(hù)線(xiàn)的環(huán)形布置形狀，傳感器測(cè)量半徑可調(diào)，在加載點(diǎn)中心不同半徑處連續(xù)布設(shè)傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器，其特征在于:變形緩沖槽布設(shè)前后均為密封，與灌封槽正對(duì)的外壁中部設(shè)有開(kāi)口，孔徑大小為剛好允許鎧裝線(xiàn)通過(guò)，且鎧裝保護(hù)線(xiàn)在孔處自由進(jìn)出，保證路面碾壓時(shí)測(cè)試圈可隨測(cè)試部分膨脹，伸入變形緩沖槽的鎧裝線(xiàn)的長(zhǎng)度要保證路面碾壓完畢后仍要有鎧裝線(xiàn)留在變形緩沖槽內(nèi)部。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的一種基于光纖傳感技術(shù)的瀝青路面現(xiàn)場(chǎng)徑向應(yīng)變測(cè)試傳感器，其特征在于:單端固定塊采用纖維強(qiáng)化塑料、環(huán)氧樹(shù)脂材料或金屬材料構(gòu)成；灌封膠由低粘度環(huán)氧樹(shù)脂材料構(gòu)成；封固閥系統(tǒng)控制線(xiàn)由金屬絲或變形小的塑料線(xiàn)構(gòu)成；封固閥系統(tǒng)隔封套由軟塑料或橡膠材料構(gòu)成；封固閥系統(tǒng)密封墊由軟塑料或橡膠材料構(gòu)成；灌封槽采用金屬材料或纖維強(qiáng)化塑料構(gòu)成；形狀控制器是圓柱體或圓環(huán)，不限材料。
【文檔編號(hào)】G01B11/16GK104457604SQ201410578591
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】劉婉秋, 趙延慶, 周智, 姜臻, 王博實(shí), 曹丹丹 申請(qǐng)人:大連理工大學(xué)