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基于光纤光栅传感技术的大型路面结构形状监测传感器的设计与测试
Wanqiu Liu; Boshi Wang; Zhi Zhou; Dandan Cao; and Yanqing Zhao
摘要：现场路面结构性能监测是一项艰巨的任务。嵌入式传感器的高精度，大覆盖范围和良好的可靠性是确保监测效率的关键因素。目前，大多数用于路面结构的传感器都是针对性的。本文介绍了一种基于光纤布拉格光栅（FBG）传感技术的路面结构形状测量传感器，该传感器可以使用一个FBG传感元件进行大规模的层形测量。它可以在路面施工过程中承受较高的压实力和高温。在嵌入后可以替换核心传感元件，从而可以满足生命周期性能监控的要求。该传感器可用于长期路面车辙或子结构沉降监测。已经进行了不同种类的实验室测试和数值模型来研究所提出的传感器的性能。该传感器已经嵌入到实际的高速公路结构中，监测数据表明该传感器具有良好的应用前景。 DOI：10.1061 / JTEPBS.0000019。 copy;2017美国土木工程师学会。
关键词：路面结构；形状监测；光纤布拉格光栅；可靠性；结构健康监测
介绍
作为横跨地面的线型结构，路面结构会受到外部原因（包括不同的交通负荷，温度，水文，地质等）与内部原因（包括材料，结构等）的耦合相互作用的影响。它们的结构地位也在不断变化。唯一暴露的部分是上表面。为了监控人行道的结构性能，应使用具有透视功能的非破坏性技术或嵌入式传感器（Bakht等，2001； Rada等，2013）。挠曲仪和探地雷达是用于路面结构检查的典型无损技术（NDT）（Rada等，2013; Krysinski等，2013）。它们通常覆盖范围大，并且在检查后不会影响结构的使用条件。但是，通过这些技术收集的数据是间接的结构信息，可能容易受到噪声的影响。通常，多个参数有助于测量响应，并且通过复杂的逆函数解决问题才能获得结构条件（Ayadi等，2012； Oliveira等，2014）。
嵌入传感器可以以相对较高的精度提供实时数据（Sargand 2002）。路面结构，尤其是沥青路面结构的恶劣工作环境和独特特性，要求传感器承受高温（高达160°C），湿气，高压实力，反复的重载等，并且还需要较大的重量和覆盖范围。用于其他土木结构的大多数传统传感器不能直接用于路面结构。 MnRoad（明尼苏达州交通运输部拥有和运营的路面测试轨道）和国家沥青技术中心（NCAT）都试图使用大量嵌入式传感器来监控路面性能（Selvaraj 2012）。 MnRoad在开始建造时就嵌入了1,000多个结构性能监控传感器，但其中许多已逐渐损坏。 NCAT测试轨道中的传感器具有很高的生存率。它们是点状应变和土壤压力计，已用于结构应力场分布测量（Willis等，2011）。
基于光纤的传感器具有体积小，精度高，成本低，分布范围广，耐用性强等优点，使其成为长期路面健康监测的理想选择（Zhou et al.2012） ; Liu等人2015; Zhou等人2010）。光纤布拉格光栅（FBG）是一种典型的基于光纤的传感技术。单模光纤的光栅是通过将纤芯的侧面横向暴露在强紫外光的周期性模式下制成的.FBG可以通过检测光纤中传输的布拉格波长的变化来测量应变和温度变化（Rao 1999）。低成本和几乎绝对的测量是基于FBG的传感器的显着特性。由于FBG只能精确地测量光栅位置处的应变，因此当前用于路面结构的所有基于FBG的传感器几乎都是点向应变传感器。
本文介绍了一种基于FBG传感技术的路面结构形状测量传感器。提出的传感器仅使用一个FBG传感元件即可提供高精度的大规模层形状测量。已经进行了实验室和现场测试以研究所提出的传感器的性能，还进行了数值模拟，以验证传感器的精度并提供传感器改进指导。结果证明了该传感器在实际应用中的有效性。
传感器设计
基础理论
一些研究集中于使用光纤传感器来获得被测物体的曲率。标准FBG本身对曲率不敏感。修改光纤传感元件结构的不同方法，例如啁啾光纤布拉格光栅（CFBG）（Romero et al。2005），倾斜光纤布拉格光栅（TFBG），长周期光纤光栅（LPBG）等。（Chen等人2014年）已被证明可以开发逐点曲率传感器。但是，提出的系统通常很复杂且昂贵（Chen等人，2014），因此尚未准备好在土木结构健康监测中实际应用。
本文简单介绍了一种使用标准FBG的路面结构形状监测传感器。如前所述，FBG不适合直接测量弯曲曲率。用中等材料将主体材料的形状变化转换为FBG测得的应变变化。当介质材料是线性弹性时，质心线rho;的曲率半径与测量点ε处的应变之间的关系可以使用梁弯曲方程表示：
（1）
其中y=从测量点到弯曲平面中性轴的距离。
形状测量传感器设计
曲线的连续曲率数据可通过适当的插值方法用于重建曲线形状。因此，提出的传感器被设计为连续地测量沿着嵌入路面结构中的传感器轨道的曲率，然后测量特定路面层的形状。
选择一种具有高弹性的圆形塑料条作为介质材料，以将曲率传递到FBG测得的应变（图1中的变形体）。内部带有螺旋形金属管的商用电缆铠装已被用作特定路面结构层的形变接收元件，因为它可以保护塑料条不被挤压和自由弯曲。可以在构造特定的路面结构层之前直接放置电缆铠装。在路面结构层的压实过程之后，电缆铠装将被挤压到路面结构层中并随之变形。
图1 大规模层形测量传感器设计
将直径略小于电缆铠装的直径的变形体拧入电缆铠装。 为了防止条带与电缆铠装在横截面方向上相对旋转，将变形块刻在底部带有凹槽，以完美地位于电缆铠装中的滑道上。 该条带的顶部还有另一个凹槽，可将光纤与FBG相连。 由于变形块与电缆铠装没有固定连接，因此FBG仅应承受变形块弯曲引起的拉伸应变。 润滑剂可用于减少变形质量和电缆铠装之间的摩擦。
变形体未连接到电缆铠装，但可以通过低拉伸阻力线在电缆铠装中移动。拖曳线的两端可以从电缆铠装中伸出，然后变形块可以前后移动。拖曳线的一侧与绳上位移传感器相连，以跟踪变形体的位置。绳上位移传感器可以在每次测量期间锁定位移，因此在数据收集过程中不需要在牵引线上施加力。
通过组合来自位移传感器和FBG的数据，可以测量有关整个路线的形状变化信息。埋入后，可使用拉线将变形块沿电缆铠装线拖至路面结构的外部，并在必要时进行更换。因此，从理论上讲，传感器将没有使用寿命限制。
当路面结构层发生不均匀变形时，FBG将由于电缆装甲的弯曲而承受应变变化。传感器将检测到该变化并将其转换为每个测量点的曲率变化。因此，可以使用所提出的传感器来测量路面结构层的形状变化。
FBG可以承受的最大拉伸应变约为10,000mu;ε。使用简化的情况，如公式（1）所示。如果FBG到中性轴的距离为1mm，则FBG可以测量的最小曲率半径为0.1 m。 为了增加传感器的测量范围，FBG到传感器中性轴的距离应小于1mm。对于本文中描述的传感器，选择直径为5 mm的变形质量，并且在切割两个凹槽之后，相对于变形质量的中性轴的FBG保持小于1 mm。
传感器精度测试
塑料条的机械性能测试
塑料条是将曲率传递给FBG应变的媒介，是影响传感器精度的核心要素。塑料条机械性能的稳定性非常重要。已经在样品条上进行了具有不同加载速度的直接张力测试。
样品条的直径为5毫米，长度为10厘米。三种加载模式分别为0.0083、0.0042和0.0016 mm = s的加载速度已应用于测试样品（图2-4）。每个测试都有五个加载和卸载周期。从图4的变形力曲线可以看出，塑性相的弹性范围大，在测试中的最大应变接近30,000mu;ε。FBG可以承受的最大应变小于10,000mu;ε，因此在传感器的正常使用条件下，试条将在弹性范围内工作。
由于高聚物材料的内部摩擦，应变的变化比应力的变化要慢。 应变滞后将随着加载速度的降低而减小。 当加载速度降低到0.0016 mm = s（约16mu;ε= s）时，所有加载周期的形变力曲线几乎重叠并且接近线性。 这表明在这种加载速度下，加载和卸载过程中的应变和应力具有一对一的关系，这满足了传感器设计的基本要求。 在图4所示的加载速度下，加载和卸载曲线仍然不能重叠。但是，建议的传感器的有效应变范围比测试中的最大应变小得多。 这样，当加载速度较低时，应变磁滞水平可以较小，并且仍可以减小。
在0.0016 mm = s的加载速度下，这意味着带材的应变大约需要10分钟才能从0开始达到10,000mu;ε（FBG的上限）。可以得出结论，如果在10分钟后读取FBG的应变 ，应变将保持稳定（可以忽略应变滞后的影响），并且可以按比例减少此稳定时间随着测量应变的减少。
图2 加载速度为0.0083 mm = s时塑料条的变形力曲线
图3 加载速度为0.0042 mm = s时塑料条的变形力曲线
图4 加载速度为0.0016 mm = s时塑料条的变形力曲线
|
材料 |
弹性模量（MPa） |
泊松比 |
|
光纤芯 |
72,000 |
0.17 |
|
光纤护套 |
2,000 |
0.35 |
|
软胶 |
4.8 |
0.35 |
|
塑料条 |
50 |
0.47 |
表1 传感器材料的机械性能
数值模拟
已使用ABAQUS创建了所建议传感器的有限元模型。根据塑料条的机械性能测试，发现其稳定的弹性模量约为50 MPa。光纤的机械性能已从制造商处获取。它们与其他粘结材料的机械性能一起列在表1中。
传感器横截面的尺寸如图5所示。光纤横截面的直径为0.25 mm，光纤纤芯的直径为0.125 mm。条带的上部沟槽填充有软胶，以使光纤与条带连接，并保护光纤。
在图5中，可以将传感器视为在FBG中心附近并沿y轴沿纵向对称的模型。因此，仅对传感器的四分之一（横截面一半，长度一半）进行了建模。对于光纤的纤芯和护套，选择整体元素尺寸为0.02 mm的六面体网格，对胶和胶条分别选择为0.2 mm的六面体网格（图6）。条带的长度选择为0.08 m。
将数值模拟与传感器实验室测试进行比较
建议的传感器的曲率测量精度已通过两种方法检查固定曲率在实验室中进行了测试。 第一个仅使用变形质量以固定的曲率弯曲，第二个仅使用整个传感器（变形质量螺纹无齿铠装）测量固定曲率（图7）。选择了五个曲率进行测试。这些曲率已被测试了几次，并且每次测试之间的差异并不明显。温度补偿传感器也已放在一边。在本文中，已选择了变形质量测试和温度影响最小（每次测试中小于10mu;ε）的整个传感器测试的数据。表2列出了测试结果与数值模拟的比较，图8列出了相对数据。
应变变化是通过FBG转换布拉格波长变化来测量的。因此，FBG只能测量应变变化条件，而不能测量材料的绝对应变状态。通过选择不同的应变起点可以平移测试曲线。在图中将更清楚地设置数值曲线和测试曲线之间的距离。因此，为进行数值模拟，将infin;的曲率半径设为0mu;ε，将传感器的自由状态设为0mu;ε。从图8可以看出，在没有电缆铠装的情况下测得的数据具有很高的线性度，并且其斜率非常接近于所计算的应变。所有传感器测试的数据也与变形质量测试非常吻合。在很小的曲率下，电缆铠装的影响相对较大。测试应变-曲率曲线的高线性证明了该传感器设计的准确性，与数值模型的比较表明该数值模型的可接受精度。
在将传感器的变形质量组装到电缆铠装中之后，由于带的横截面应始终小于电缆铠装的横截面，因此会出现轻微的测量误差。但是，给出的测试结果已经显示出在路面下部结构沉降监测等应用中足够的准确性。对于其他需要更高精确度的应用，例如车辙监测，可以对传感器附件进行更精细的处理。
图5 传感器横截面尺寸（毫米级）
图6 模型网格化
|
曲率半径（mm） |
曲率（1/mm） |
无电缆铠装的应变（mu;ε） |
电缆铠装应变（mu;ε） |
数值模拟 |
|
500 |
0.002 |
-246.7 |
148.3 |
278.4 |
|
250 |
0.004 |
10 |
0.8 |
557.1 |
|
166.7 |
0.006 |
309.2 |
299.2 |
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