光纤光栅传感器在公路健康监测中的应用研究

方正军 刘海涛 徐志宏
北京路科锐威科技有限公司北京100085

摘要：本文着重介绍了一种用于公路监测的基于光纤光栅原理的新型传感器，以及其应用情况。我们结合公路在施工过程中温度高，环境恶劣，以及沥青强度低等特点，通过理论分析，提出了一种新的设计方案，经过多次实验测试验证了此种方案的可行性。
关键词：公路监测 光纤光栅 应变传感器 挠度

引言：
光纤光栅（FBG）传感器作为“90 年代光纤传感领域最重要的发明”。可以用来测量多个物理量，包括应变，应力，温度，振动，压力，以及一些化学量。其应用领域非常的广泛。FBG 是一种全光纤器件，其可靠性好，测量精度高，线性度好，测量范围大，而且抗电磁干扰；同时FBG 传感器阵列最大的优势在于可以实现分布式的传感网络。对物体进行多点测量。提取相关的信号，进行状态分析。达到示警以及故障诊断的目的。

由于光纤光栅传感器的独特优势，近几年在国内的推广形式非常好，以及涉及到诸多行业的健康监测，我们也开发了种类繁多的传感器，并已成功应用在诸如建筑，油田，水利，铁路，公路等行业的健康监测中。下文将着重阐述公路监测专用光纤光栅传感器的设计以及应用情况。

1．公路健康监测必要性
交通是与人们息息相关的事情，同样也是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样，每年仍然有大量公路遭到破坏，公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。，而破坏一般都是因为汽车超载，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。
现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。

2．传感器设计方案
由于公路施工过程中条件比较恶劣，主要问题有以下几点：
1. 在沥青层铺设过程中温度可达160℃。
2. 在施工过程中，每层受到的压力达20t 以上。
3. 由于沥青层随着环境温度变化，其强度变化明显。传感器需要能真实反映沥青层应变。所以传感器在埋入过程中的成活率是最关键的问题。

首先为了解决高温的问题，传感器本身采用不锈钢材料封装，尾纤采用抗高温铠装光缆。为了使传感器在强压力下仍然能继续工作，并且和沥青层比较好的配合，能真实反映沥青层挠度，我们在设计传感器外形的时候采用的方法是增加沥青层与传感器的接触面积。我们对传感器的封装设计提出两种方案：

2．1 H 形FBGS-H 沥青计

装配图与实物图如下：
 

2．2 圆型FBGS-O 沥青计
装配图与实物图如下：

2．3 应变计算公式
两应变传感器的波长变化与应变关系式：
工字型：
如图5 所示，设钢板长度：
（1） AB=弧AEB=L=0.2m
变形后高度变化：
（2） △H=EF
半径：R=OA
3 毫米厚工字板表面的应变：
（3） ε =y/R=8 △H y/L2
（4） △λB=21△T+u *△H
y=1.5mm  L=200mm  △H 为压下量即被测物的挠度 △λB 为波长变化，单位取pm。
ε为应变量 △T为温度变化量 u为传感器压变系数实测值为u=1.11pm/μm
注：以上所计算的应变ε为传感器本身的上表面应变值，传感器钢板厚度为3mm，长度为200mm，并不代表路面的真实应变。

圆盘式：
（5）△λB=21.T+△ε*u
△λB 为波长，△ε为应变量，△T 为温度变化量，u 为传感器应变系数，实验中的样品u = 1.2pm/με。
注：此方法计算的应变值，仍为传感器本身的应变值。

 

2．4 传感器标定拟合曲线
 

从拟合曲线可以看出梁传感器都具有非常好的线性,其R值均达到99.9%以上。

3．现场测试
我们于2005 年3 月与国内某交通研究所展开合作，对这两种应变传感器进行现场测试，测试地点为浙江某工路施工现场。

3．1 传感器布线方案
光纤光栅传感器采用串联连接方式，一旦中间的连线出现问题，后面的传感器的信号也将无法返回。所以在传感器埋入之前需要制定一个埋入成活率高的方案。我们在这次施工中采用的埋入方案为：

此方案中，每两个传感器一组，两端各引出一条光缆，然后通过路面接线盒在将每组传感器串联，将信号输入解调仪。
上述方案经施工验证，埋入的所有传感器的成活率为100%。

3．2 测试仪器
FBG-3000 高速解调仪一台
笔记本电脑一台

3．3 FBGS-H 与FBGS-O 传感器测试曲线
以下是当中型货车在路面碾过时两种传感器的测试曲线

从图9 可以明显看出公路共经过四次碾压。
为了对两种传感器的响应进行更详细的比较，下面我们将测试曲线进行放大分析。

对以上图形进行分析，发现两个传感器的测试曲线都具有明显的规律性，且变化规律一致。但是将两种传感器的数值进行比较发现，FBGS-O 传感器的响应比较弱。原因是圆形的传感器封装与沥青层的刚度相差很远，虽然埋入到沥青层内，但并没有与沥青层融为一体，不能实现公路监测的量化分析。而采用FBGS-H 的封装形式，传感器两端的结构可以使沥青层和传感器本身比较好的结合，使测得的数据更加接近公路的实际情况。为了进一步验证FBGS-H 传感器设计方案的可行性，我们又制作沥青梁，将传感器埋入进行了多次试验，具体实验过程及照片见附件（略）。

4．总结
现在公路健康监测越来越得到重视。由于公路施工现场条件恶劣，对传感器本身要求非常高，在传感器设计，安装以及使用中我们既积累了经验，也遇到了很多困难，有不少教训，同时也看到了光纤光栅传感器在公路健康监测方面美好的应用前景。我们将不断的进步和提高，将该系统进一步完善。

5．未来展望
在城市交通要道以及高速公路监测点埋入传感器，组建公路监测系统，统一监控。在数据处理方面进行研究，除了能监测公路健康状况，还可实现车流量统计，对公路上超速超载情况进行监测等功能。

6．感谢
感谢在传感器设计中国家交通院给我们提出的宝贵意见，以及在测试过程中给我们大力支持的中科院力学所。