用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器

摘要

一种用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器，该传感器包括三根弹簧光纤光栅、三根纯光纤光栅、预制的沥青混凝土封装结构、六个贯通槽、感温槽、温度传感器、铠装光缆。三根弹簧光纤光栅、三根纯光纤光栅分别埋入上下两层贯通槽中，之后用胶将弹簧光纤光栅、纯光纤光栅的一端与所处沥青混凝土封装结构固结，后对弹簧光纤光栅、纯光纤光栅施加预应力，再固结六组光纤光栅的另一端，然后将温度传感器埋入感温区中，最后用铠装光缆连接引出的六组光纤光栅及温度传感器。该传感器工艺简单、布设方便、精确度高、量程大，可实现对沥青混凝土路面主应力方向及大小的监测，适用于土木工程结构健康监测的沥青混凝土路面内部变化，适合产业化。

权利要求

1.一种用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器，其特征在于，该用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器包括弹簧光纤光栅（1）、三根纯光纤光栅（2）、预制的沥青混凝土封装结构（5）、六个贯通槽（6）、感温槽（7）、温度传感器（3）、铠装光缆（4）；预制的沥青混凝土封装结构带有六个贯通槽和一个感温槽，六个贯通槽分成上、下二层，上层和下层各三个；三根处于张拉状态的弹簧光纤光栅置于上层的三个贯通槽中，组成弹簧光栅应变花；三根纯光纤光栅置于下层的三个贯通槽中，组成纯光栅应变花；弹簧光纤光栅的两端、纯光纤光栅的两端分别与各自所处的贯通槽两端固结；温度传感器置于感温槽中，弹簧光纤光栅、纯光纤光栅及温度传感器用铠装光缆连接引出。

说明书

用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器，具体说就是通过基于光纤光栅(FBG)的应变传感技术，利用纯光纤光栅及与微弹簧固结的光栅光纤组成的两组应变花实现对沥青混凝土路面主应力方向及大小的监测。本传感器使用沥青混凝土对内部不同功能的光栅光纤进行封装，实现对光纤光栅的保护。

背景技术

[0002] 从光纤光栅的出现到现在只经历了短短的十几年，但由于光纤光栅的精确耐久等一系列优点使其迅速发展成为人类科学领域的聚焦点。光纤在通信领域的运用已影响到千千万万人的日常生活，光纤光栅也逐渐展现出其在监测领域的重要性而被广泛应用。

[0003] 埋入式光纤光栅传感器是一种基于光纤光栅技术的新型应变传感器，被广泛应用于工程监测领域，逐步取代了传统应变片。但大部分光纤光栅传感器运用于对大型桥梁、大坝、公路、隧道、高层建筑等混凝土结构的应力状态实施监测，对于沥青混凝土路面的监测却极少涉及。同时，仅有的一些用于测量沥青混凝土内部应变的光纤光栅传感器也存在着以下两种问题：

[0004] (1)封装材料所导致的误差：由于裸光纤光栅过于纤细，埋入沥青混凝土路面时极易在路面施工过程中损坏，因此必须对光纤光栅进行封装，以保护其不受外界侵害。现有的传感器多采用复合材料、钢管、钢片等非沥青混凝土材料作为封装材料，由于此类材料的弹性模量与待测环境中的沥青混凝土弹性模量不一致，传感器会使其附近区域的应力场和应变场重新分布，导致其测得的应变结果与真实值存在较大差异。

[0005] (2)测量应变范围的限制：由于光纤光栅本身拉伸长度限制，现有光纤光栅应变传感器只能监测沥青混凝土结构中的微小应变。但对于路面等受外界荷载较大的沥青混凝土结构，内部往往产生很大的应变，甚至产生裂纹，现有传感器将不能满足监测需求。

[0006] (3)监测应变类型的限制：现有光纤光栅传感器只能监测混凝土内某一方向上的应变，无法测量混凝土平面内主应变的大小及方向。

发明内容

[0007] 本发明提供了一种能够精确监测沥青混凝土路面应变、裂纹的光纤光栅传感器。本传感器采用所监测沥青混凝土路面的本身材料沥青混凝土进行封装，利用相同的材料，克服了不同材料不同的弹性模量对监测结果的影响：传感器内光纤光栅采用三角形应变花布设方式，通过对三角形应变花内，每个应变的测量，可以准确监测到混凝土平面的主应力方向及大小。传感器中光栅均在大标距下工作，有效工作范围增加，故能够更加真实客观的反映材料应变，克服偶然因素对监测可能造成的比较大的影响；传感器内部埋设了弹簧光栅应变花，实现了对大应变、大裂纹乃至大裂纹的有效监测；传感器内部纯光栅应变花、弹簧光栅应变花、温度传感光栅的联合应用，既实现了高低精度互补工作，对大小应变进行有效监测，又实现了温度补偿，解决了测量时温度对测量结果的影响。

[0008] 本发明的技术方案如下：

[0009] 该用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器包括三根弹簧光纤光栅、三根纯光纤光栅、预制的沥青混凝土封装结构、六个贯通槽、感温槽、温度传感器和铠装光缆。预制的沥青混凝土模具带有六个贯通槽和一个感温槽，六个贯通槽分成上、下二层，上层和下层各三个；三根处于张拉状态的弹簧光纤光栅置于上层的三个贯通槽中，组成弹簧光栅应变花；三根纯光纤光栅置于下层的三个贯通槽中，组成纯光栅应变花；弹簧光纤光栅的两端、纯光纤光栅的两端分别与各自所处的贯通槽两端固结；温度传感器置于感温槽中，弹簧光纤光栅、纯光纤光栅及温度传感器用铠装光缆连接引出。

[0010] 本发明的有益效果是工艺简单，适于产业化生产，成本低廉；能够长时间监测沥青混凝土平面的主应力方向及大小；传感器所采用的封装材料为沥青混凝土，测量精确度高。

附图说明

[0011] 图1为预制的沥青混凝土封装结构示意图。

[0012] 图2为用于沥青混凝土路面应变、裂纹测试的封装FBG传感器结构示意图。

[0013] 图3为本发明的封装FBG传感器A-A剖面图。

[0014] 图4为本发明的封装FBG传感器B-B剖面图。

[0015] 图中：1弹簧光纤光栅；2纯光纤光栅；3温度传感器；4铠装光缆；5预制的沥青混凝土封装结构；6贯通槽；7感温槽。

具体实施方式

[0016] 以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

[0017] 光纤光栅应变传感器结构，结构如图1、图2、图3和图4所示，该应变传感包括三根弹簧光纤光栅1、三根纯光纤光栅2、预制的沥青混凝土封装结构5、两个贯通槽6、感温槽7、温度传感器3和铠装光缆4。首先分别将三根弹簧光纤光栅、三根纯光纤光栅埋入上下两层贯通槽中，之后用胶将弹簧光纤光栅、纯光纤光栅的一端与所处沥青混凝土封装结构固结，后对弹簧光纤光栅、纯光纤光栅施加预应力，再固结六组光纤光栅的另一端，然后将温度传感器埋入感温区中，最后用铠装光缆连接引出的六组光纤光栅及温度传感器。