专利名称：沥青路面压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种浙青路面压力传感器，属于土木工程传感器测试领域。
背景技术：
长周期光纤光栅(以下简称LPre)是一种基于纤芯导模与包层模式耦合理论的传 感性光栅，其传感原理为在光纤内传输的同向模式之间在外部介质参量使光纤满足相位匹 配条件时将产生谐振耦合，使光波中某频带的光耦合到包层中而损耗掉，从而对介质参量 进行检测。LPre对其所受的横向负载变化非常敏感，进而可以得到周围环境中横向负载力大 小。同时，由于光栅制作过程中紫外光单侧入射导致其写入的LPre横截面折射率分布不均 勻以及介质中存在弹性应力或应变时介质的光学性质(折射率)的变化，使得LPre谐振光 谱的横向负载灵敏度具有方向相关性。目前使用长周期光纤光栅监测横向负载的主要方法有通过谐振峰波长或谐振峰 幅值作为参变量进行监测，其中，对CO2激光脉冲写入的LPre横向负载方向特性的监测方 法为通过谐振峰波长作为参变量进行监测。2004年8月武汉理工大学何伟等人在《武汉 理工大学学报》中发表的文章“长周期光纤光栅横向压力传感特性的研究”中对LPre横向 负载特性进行了初步实验，初步验证普通单模光纤中长周期光纤光栅的双折射效应对光纤 横向压力具有很高的灵敏度和良好的线性响应，其灵敏度比光纤布喇格光栅高出2个数量 级，并得出LPre谐振峰波长与横向负载的对应关系。2005年8月，重庆大学王义平等人在 《光子学报》中发表的文章“新型长周期光纤光栅的横向负载特性及其偏振相关性研究”中 不仅验证了 LPre的横向负载敏感特性，还在国际上首次发现高频CO2激光脉冲写入的LPre 谐振波长的横向负载特性具有较强的方向相关性，即在圆周0° 180°范围内存在一个 谐振波长发生“红”移最敏感的负载方向和发生“蓝”移最敏感的负载方向，以及两个对横 向负载不敏感的方向，并且在谐振波长对横向负载比较敏感的圆周方向，谐振波长随负载 的变化线性漂移。但由于该方法是基于LPre谐振峰波长调制，且LPre谐振峰波长对传感 探头附近温度、轴向应变、折射率等变化也具有很好的灵敏性，使得该方法的易受温度等环 境参量的影响，并没有完全实现光纤光栅传感器不易受外界干扰的目的。2003年11月，重 庆大学胡爱姿等人在《光子学报》中发表的文章“基于新型长周期光纤光栅的动态横向负荷 传感器”中，初步对LPre谐振峰幅值与横向负载的关系进行了研究，但对其方向特性并未进 行相关研究。浙青路面(Asphalt Pavements)是高等级道路的主要类型。美国公路统计年报 (Highway Statistics)显示，全美390万公里铺装路面的公路中，浙青路面占94%。我国 《2005年公路水路交通行业发展统计公报》表明截止2005年底，全国公路总里程达到193 万公里，高速公路4. 1万公里，稳居世界第二，其中95%为浙青路面。浙青路面已成为我 国骨干公路路面的主要形式。然而随着公路事业的飞速发展，所暴露出的技术问题也十分 严重，浙青路面的早期损害问题越来越多地引起了道路工作者的重视，已成为影响我国公路事业健康发展的突出矛盾，主要表现在坑槽、龟裂、车辙、裂缝、隆起、松散、露骨、水损伤 等，这些道路病害直接影响道路的通车效率和行车安全。同时，由于交通荷载、环境因素的 反复作用以及路面结构本身的材料组成，结构施工和养护水平等条件的变异，导致路面产 生不同程度、不同形式的破坏，以至于丧失正常的工作能力。为了促进我国公路交通基础设施的健康发展，浙青路面内部应变场监测有着重要 的意义。研究不同路面结构层在不同荷载作用下，各层之间的荷载传递规律、应变规律以及 不同结构层应力、应变受温度影响的变化规律显得非常重要，这些规律在浙青路面的长期 运营、养护当中具有很强的指导作用。尤为重要的是，这些规律往往是变化的。因此，对于 浙青路面来说，建立一个长期、有效的内部应变监测系统具有重要的意义。目前研究最为广泛的浙青路面内部应变监测系统主要为电磁传感技术监测、传统 的电阻应变片监测和振弦式应变传感监测。以电磁传感技术为基础的监测系统，其线性度 差，对电磁的抗干扰性能差，仪器较为笨重，电测数据的稳定性和可靠性不强，无法长期稳 定并及时地提供准确的监测信息，且不适于实际工程结构，尤其是施工及服役环境恶劣的 路面工程结构。传统的电阻应变片监测系统，作为短期应变测量还是能满足工程要求的，但 其受环境影响较大，温漂和零温的影响会导致长期应变测试结果严重失真。振弦式应变传 感系统是通过传感器中钢弦在电磁激励下频率信号来反映结构的应变大小，其灵敏度和稳 定性也较好，但由于钢弦蠕变的存在，钢弦式应变传感器的正常使用寿命较短，使用也不是 很方便，不适合大规模集成使用。由于光纤传感系统具有质量轻、直径细、体积小、耐腐蚀等独特的优点，使得基于 光纤传感的浙青路面结构健康监测技术研究与应用成为当前国内外土木工程领域研究者 们重点关注的新热点。目前使用光纤光栅监测浙青路面应变的主要方法为光纤Bragg光 栅应变传感器监测。其原理为利用光纤Bragg光栅(FBG)随外界环境应变变化而按照一定 的关系调制Bragg波长λ B，即通过对波长的监测实现对待测环境应变的监测。FBG应变 传感器的主要优点是易用、不受电磁干扰、破坏应变高达2%以及容易实现多路技术。尽管 FBG传感器是智能结构应用的普遍的选择，但是它们潜在的缺陷使测得的应变具有三维特 征，即光栅的局部弯曲与冲击会影响轴向应变值，使得监测结果存在偏差，同时与LPre相 比，FBG传感器的监测精度较低，且外界干扰性较大。
发明内容本发明的目的在于克服原有LPre横向负载监测中的易受温度等环境参量影响以 及电磁干扰较大等缺点，提供一种灵敏度高、不易受干扰的LPre横向负载监测方法及浙青 路面压力传感器。一种基于谐振峰幅值调制的紫外光写入LPre横向负载方向特性的监测方法，其 特征在于包括以下过程(1)、长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域标定；(1-1)将长周期光纤光栅沿圆周360度方向标定为αη = A+(n-l)B度，其中，A为 初始任意角度，B为单次旋转变化角度，η为大于等于1的自然数，且(n-l)B < 360度；(1-2)、对上述圆周方向所有标定角度下的长周期光纤光栅横向负载特性进行实 验研究；[0014] (1-3)、通过实验数据标定上述α 角度下长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负 载关系曲线的线性区，记为 α H = (mminll, mmaxll, kn)，α 12 = (mminl2, mmaxl2，k12)，…，α 遣= (mfflinnm, mm_，kj，其中，m代表α n角度下长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线 中所包含的线性区段数，可表示为i、j、q. · ·，mmin代表关系曲线中该线性段横向负载的最小 值，mmax代表关系曲线中该线性段横向负载的最大值，k代表该线性段的斜率，即灵敏度，组 成矩阵如下
卩11, 2 ........，“I /，0,…，0
以21，以22 , ··.9 ^lj ,.··, ."，0
ap”ap2.
，Λ
pq
“/ 1，“《2 ”·”…，^ng ？ O,".” 0(2)、横向负载监测时，选择所有外加载荷变化范围全部落入线性区域的线性段， 在上述符合条件的线性段中选择灵敏度即k绝对值最高的线性段所对应的an角度作为受 力面；(3)、利用长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系特性进行压力监测。一种基于谐振峰幅值调制的紫外光写入LPre横向负载方向特性的监测方法，其 特征在于包括以下过程(1)、长周期光纤光栅0度方向标定，(1-1)将长周期光纤光栅沿圆周360度方向标定为αη = A+(n-l)B度，其中，A为 初始任意角度，B为单次旋转变化角度，η为大于等于1的自然数，且(n-l)B < 360度；(1-2)、对上述圆周方向所有标定角度下的长周期光纤光栅横向负载特性进行实 验研究；(1-3)、将长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域最长、线性度 最好的0 角度圆周方向作为长周期光纤光栅的0度方向；(2)、将长周期光纤光栅的0度方向作为初始受力面方向，旋转长周期光纤光栅的 圆周角度，进行不同圆周方向的压力监测。上述方法的有益效果是采用LPre谐振峰幅值作为特征参量对LPre横向负载特 性进行研究，消除了外界环境参量(如温度、应变、湿度、折射率等)变化对LPre监测结果 的影响；利用LPre横向负载的方向特性，分析出LPre横向负载特性与方向的相关性，即 一个谐振峰幅值增大最敏感方向和四个减小最敏感方向以及2个横向负载不敏感的方向， 便于LPre横向负载特性的进一步应用；利用LPre横向负载的方向特性，分析出圆周范围内 LPFG的0度方向标定和谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域标定，实现LPre横向负载 分段监测；通过选定不同角度、不同范围内的线性变化区域，保证LPre横向负载监测处于 线性度和重复性均较好的区域；由于采用了光纤作为传感基体，又具有抗电磁干扰能力强、 耐高压、耐腐蚀、可实现分布式测量以及远程遥测监控等优点；通过简化传感系统结构且采 用光谱检测技术，可提高测量精度，克服光强测量易受光源不稳定影响的缺点。一种利用上述基于谐振峰幅值调制的LPre横向负载方向特性的监测方法实现浙 青路面压力监测的浙青路面压力传感器，其特征在于包括浙青封装体、封装于浙青封装体内的相互平行的LPre与匹配光纤，浙青封装体内还封装有分压装置；LPre两端伸出浙青封 装体与用于调节LPre角度的角度调节装置相连，其中，匹配光纤用于保证LPre传感探头横 向受力的均勻及稳定性。上述分压装置可以为杠杆原理结构。上述装置的有益效果是采用LPre谐振峰幅值作为特征参量，消除了浙青内部环 境参量(如温度、应变、湿度、折射率等)变化对LPre浙青路面压力传感器监测结果的影 响；利用LPre对横向负载变化分辨率高、响应快、敏感、简便、对监测对象本身无损伤等优 点，实现浙青路面内部压力的监测，确定浙青内部应力分布状态，可应用于浙青路面中的应 力分布及早期损害问题(如裂缝、坑槽、松散等)预测；利用LPre横向负载的方向特性，实 现对不同等级浙青路面进行压力监测；通过简化传感系统结构且采用光谱检测技术，可提 高测量精度，克服光强测量易受光源不稳定影响的缺点；通过采用相应的封装及保护方式， 可避免由于外界应力对LPre传感器探头所带来的影响，保证压力监测的可靠性和耐久性。使用过程中，利用长周期光纤光栅对横向负载的敏感特性，将所设计封装好的长 周期光纤光栅浙青路面压力传感器埋入浙青路面结构中，检测浙青内部环境的横向压力， 两端的传导光纤分别引出。随着浙青路面中传感器上方竖直载荷的不断增加，LPre横向负 载传感探头所承受的载荷不断增加，进而影响到LPre谐振峰幅值的变化情况。通过监测谐 振峰幅值的变化情况，实现对浙青路面结构中的路压状况的实时在线监测。由于浙青路面 压力的承载范围远大于LPre外界横向附加载荷的监测范围，因此需设计分压装置对浙青 路表压力进行分压。分压装置通过杠杆原理实现，分压比例为1/16。浙青试块所受的压力 通过分压装置分解后施加在LPre传感探头上，使得LPre透射光谱的波形发生变化，谐振峰 幅值改变，进而实现浙青路面压力传感器的准确、实时监测。

图1是长周期光纤光栅横向负载传感系统组成示意图。图2是长周期光纤光栅横向负载实验装置示意图。图3是长周期光纤光栅横向负载方向性实验装置示意图。图4是基于LPR；的浙青路面压力传感器结构示意图。图5是分压装置示意图。表1是LPre横向负载方向特性第一组实验数据表2是LPR；横向负载方向特性第二组实验数据表3是LPR；横向负载方向特性第三组实验数据表4是0° 50°圆周角度下LPR；谐振峰幅值与横向负载关系曲线的线性区域表5是70° 120°圆周角度下LPTO谐振峰幅值与横向负载关系曲线的线性区 域表6是130° 180°圆周角度下LPTO谐振峰幅值与横向负载关系曲线的线性区 域表7是200° 340°圆周角度下LPTO谐振峰幅值与横向负载关系曲线的线性区 域图6是不同圆周方向施加横向负载时谐振峰幅值的变化量曲线。其中图6-1、图
66-2、图6-3、图6-4、图6-5分别为0°、20°、30°、40°及90°圆周角度下施加横向负载时 谐振峰幅值的变化量曲线。图中的标号名称1.宽带光源，2.传输光纤，3.加载装置，4.长周期光纤光栅横向 负载传感探头，5.光谱仪，6.外加载荷，7.匹配光纤，8.转盘，9.分压装置，10. LPre固定装 置，11.浙青封装装置，12.树脂分压架，13.传感平板，14.角度调节装置。
具体实施方式
由图1可知，本发明的长周期光纤光栅横向负载传感系统的具体组成是，宽带光 源1 (可采用LG150型宽带光源)，进入传输光纤2的输入端，传播到长周期光纤光栅横向负 载传感探头4，与待测环境中加载装置3产生的横向负载相互作用产生纤芯和包层的耦合 效应，透射光线进入光谱仪5 (可采用AQ6317型光谱仪)，再经过计算机6处理输出反射光 强度与光峰值之间的关系曲线，从而实现了整个测量光路部分的全光纤化。图2是长周期光纤光栅横向负载实验装置示意图。它包括宽带光源1(可采用 LG150型宽带光源)、传输光纤2、长周期光纤光栅横向负载传感探头4、直径匹配光纤7以 及光谱仪5。利用LPre对横向负载的敏感特性，将传输过来的光线经过纤芯和包层的耦合 效应透射出去，使得LPre谐振峰幅值发生变化，得到其横向负载数值。实验中将紫外光写 入的待测LPre和同种类型的匹配光纤平行地放置于底座表面，并把一薄平板放置于LPre 和匹配光纤上，在薄平板上通过逐渐添加砝码的方式向LPre施加横向负载。图3是长周期光纤光栅横向负载方向特性实验装置示意图。它的具体组成是在长 周期光纤光栅横向负载特性实验系统中的被测试的LPre两端传输光纤上分别粘贴于左右 两个转盘的轴线上，同步转动左右两个转盘可以使LPre绕轴线旋转，用以测试其不同圆周 方向的横向负载特性。图4是基于LPre的浙青路面压力传感器结构示意图。它包括宽带光源1(可采 用LG150型宽带光源)、长周期光纤光栅横向负载传感探头4、直径匹配光纤7、分压装置9、 LPFG固定装置10、浙青封装装置11、角度控制装置14以及光谱仪5。固定装置用于实现监 测过程中保持LPR；横向负载传感探头始终处于平直状态，用于避免监测过程中外界环境 温度、折射率的影响。分压装置则用于实现浙青路面压力与LPre横向负载的转换，保证该 浙青路面压力传感器的精度。研究浙青路面内部纵向应变场的分布情况，利用长周期光纤光栅对横向负载的敏 感特性，将所设计的用于检测浙青路面内部压力分布状态的长周期光纤光栅浙青路面压力 传感器探头埋入浙青路面结构中，检测待测环境的横向负载。随着浙青路面中传感器上方 竖直载荷的不断增加，LPre横向负载传感探头所承受的载荷不断增加，进而影响到LPre谐 振峰幅值的变化情况。通过检测谐振峰幅值的变化情况实现对浙青路面结构中的路压状况 的实时在线监测。图5是分压装置示意图。它的具体组成是以一个正方形树脂板作为主承力装置对 浙青路面所承受的压力进行分压，共三层分压，分压比为1/16。该结构主要用于使长周期光 纤光栅的监测范围与浙青路面压力相匹配，避免由于监测状态不匹配而影响检测结果的范 围和精度。图6是不同圆周方向0°，20°，30°，40°及90°施加横向负载时谐振峰幅值的变化量曲线。由此可知，负载范围最大的情况下，在圆周0° 180°范围内存在一个谐振 峰幅值增加最敏感的负载方向(90° )和四个减小最敏感的负载方向(0°，20°，30°， 40° )。LPFG横向负载方向特性实验采用如图3所示的实验装置。实验中将紫外光写入的待测LPre和同种类型的匹 配光纤平行地放置于底座表面，并把一薄平板放置于LPre和匹配光纤上(薄平板长度b为 40mm)，在薄平板上通过逐渐添加砝码的方式向LPR；施加横向负载，砝码每次增加200g，总 计施加4000g。实际施加在LPR；每单位长度上的横向负载为(m' +m)g/2b, m'为薄平板 上所添加的砝码质量，m为薄平板重量，b为被压的LPre长度即薄平板的长度。被测试的 LPre两端分别粘贴于左右两个转盘的轴线上，同步转动左右两个转盘可以使LPre绕轴线 旋转，用以测试其不同圆周方向的横向负载特性。由图3可知，入射光由宽带光源(安捷伦83437A，波段为600nm 1700nm)产生， 经过LPre传感探头后，由另一端进入光谱仪(AQ6317C)，用于采集LPre透射光谱的变化。 系统中采用的LPre中心波长为1550. 225nm，损耗峰幅值为-16. 581dB，栅区长度为3. 75cm。 测量时，将LPre固定后且无横向负载状态下检测的透射光谱信号作为基准信号记录，再将 不同横向载荷下得到的光谱信号与基准信号相比较，得出LPre透射光谱谐振峰幅值的变 化量ΔΑ，进而得到横向负载与ΔΑ的关系，旋转LPre—周，每隔10°重复进行实验，实验 数据见表1-表3。由表1-表3可知，在圆周0° 180°范围内存在一个谐振峰幅值增加 最敏感的负载方向(90° )和四个减小最敏感的负载方向(0°，20°，30°，40° )，以及2 个(50°，180° )对横向负载不敏感的方向，如图6所示。同时，不同圆周角度情况下LPre 谐振峰幅值与横向负载关系曲线的线性区域不同，其线性段见表4-表7所示。根据上述数据分析，将长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域 最长、线性度最好的圆周方向作为长周期光纤光栅的0度方向。同时，基于选择所有外加载 荷变化范围全部落入线性区域的线性段且灵敏度最高的原则，通过角度调节装置进行受力 面的圆周角度控制，实现不同范围、不同精度的横向负载监测。应用前景(基于LPre横向负载方向敏感特性的浙青路面压力传感器)基于LPre纤芯导模与包层模式耦合理论，利用LPre传感栅区对横向负载变化的 敏感特性，通过测量待测浙青路面中由于压力变化而引起的谐振峰幅值的变化，实现浙青 路面中竖直压力的监测。压力监测时，选择所有外加载荷变化范围全部落入线性区域的线 性段，通过角度调节装置在上述符合条件的线性段中选择灵敏度最高的圆周角度作为受力 面，进行浙青路面的压力监测。在重复加/降压过程中，该压力传感器保持良好的重复性和 灵敏性，能够满足不同等级浙青路面压力测量方面对路压传感器的要求。上述表1-7，及图6中的数据及结构是基于北京达卡有限公司提供的一匹长周期 光纤光栅所测，如改用其他批次LPre监测，实验结果可能有所不同。
权利要求一种沥青路面压力传感器，其特征在于包括沥青封装体(11)、封装于沥青封装体内的相互平行的LPFG(4)与匹配光纤(7)，沥青封装体内还封装有分压装置(9)；LPFG(4)两端伸出沥青封装体(11)并与用于调节LPFG角度的角度调节装置(14)相连。
2.根据权利要求1所述的浙青路面压力传感器，其特征在于上述分压装置为杠杆原理结构。
专利摘要本实用新型涉及一种沥青路面压力传感器，属于光学传感测试领域。其特征在于包括沥青封装体(11)、封装于沥青封装体内的相互平行的LPFG(4)与匹配光纤(7)，沥青封装体内还封装有分压装置(9)；LPFG(4)两端伸出沥青封装体(11)并与用于调节LPFG角度的角度调节装置(14)相连。该装置灵敏度高、不易受干扰。
文档编号G01L1/24GK201688929SQ201020173438
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者刘宏月, 徐海伟, 曾捷, 梁大开, 王晓洁 申请人:南京航空航天大学