专利名称：柔性道路结构内应力测试的低模量光纤传感探头的制作方法
技术领域：
本发明属于路面结构应力测试技术领域，是一种既不影响路面结构内应力分布， 还能实现与路面结构协同变形、准确测试柔性道路结构内应力的低模量封装光纤传感探头。
背景技术：
道路，尤其是高速公路，建设和长期服役性能关系到行车安全，对路面结构服役时的内应力的准确把握是了解路面结构性能的最重要手段。柔性路面如浙青混凝土路面，在我国的各种道路形式中占很大比例。由于其各层(甚至同层)材料组成的不均勻性，和环境影响导致的参数不确定性，柔性路面结构的低模量和粘弹性的迟滞响应，以及道路结构本身的大长度(动辄几百公里)、跨越不同地质区域等原因，使得现有的传统土木工程传感技术无法满足需要，存在体积大、刚度高、测点覆盖少、耐久性差等缺点。利用专门仪器设备在实验室检验路面结构样品是国内外常用的路面结构评估手段，像动态剪切流变仪，直接拉伸试验仪以及较先进的动态模量测试仪等都是典型的设备仪器。虽然实验室采样检测一般都能精确测量指定参数，但需要对路面结构进行破坏性切割，而且由于实验样品尺寸的局限性，进行模拟路面加载实验很难反映出真实路面响应情况。目前无损检测技术是路面结构检测中的主要手段，如落锤式弯沉仪被用来检测路面的弹性模量、探地雷达被用于探测路面破坏和浙青层下含水体积、电容探测法被用来测量路面厚度和柏油路面的介电常数等。遗憾的是，虽然无损检测技术一般不会给路面结构造成损伤，但其数据精度、可靠性和成本，都是制约其发展的关键问题。光纤传感器以其体积小、精度高、耐久性好、分布式大范围覆盖、绝对测量等等诸多优点显示出在路面结构内应力测试中的具大潜能。然而由于光纤材料(Si02)本身抗剪能力差，无法胜任粗放式的布设和恶劣的服役环境，必须采用封装技术才能在路面结构中铺设。以往的封装方法用于路面结构仍存在刚度过大的问题，难以实现与基体应变协调。本发明拟采用模量可调的柔性封装材料，使其既不影响路面的内应力场，也能保证传感器与其协同变形。考虑封装材料与光纤玻璃材料的模量差异，对小直径的光纤进行端部扩径，并通过有限元模拟优化其相应的尺寸，确保光纤敏感元件的变形与封装材料一致，使得路面应变准确传递到光纤敏感元件上。

发明内容
本发明是针对柔性路面结构设计的低模量光纤传感探头，能够在不影响路面结构内应力分布的条件下，与结构内应变协调，准确测量内应力。本发明中的传感探头主要由低模量封装层，光纤夹持，裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件和测试跳线四部分组成。实现方法是利用一定厚度的夹持材料将裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件的两端分别约束住，即在不破坏光纤的前提下， 令光纤敏感元件与夹持材料间不产生相对位移。然后将光纤及夹持材料一起用低模量封装材料进行封装定型。该传感器可在热拌浙青混凝土路面铺装过程中布设。传感器表面的封装材料会在铺设高温和碾压下与路面材料粘合相融而增强协同变形能力。同时，夹持材料对小直径的光纤进行了端部扩径，可以使路面结构应变较高效的传递给中心光纤。本发明还有这样一些特征技术所述低模量封装材料可以是聚丙烯PP塑料、金属橡胶、或浙青胶浆等，针对不同道路设计情况，或不同结构层特征，可改变封装材料各成分的体积比调节传感探头的模量。所述用于光纤端部扩径的夹持材料可以使用纤维增强塑料(FRP)或形状记忆合金等，其尺寸可结合具体工作要求通过有限元分析、优化计算确定。所述光纤敏感元件可以是提供路面结构局部高精度应变信息的光纤光栅；也可以是布里渊分布式光纤，用以检测全局应变分布情况。所述光纤敏感元件的长度及光纤光栅写入位置由具体工作的测试要求确定。本发明提出的低模量封装光纤传感探头避免了刚性封装的传感器铺设在相对柔性的路面结构中所引起的局部内力重分布问题。封装材料也能保护内部脆弱纤细的光纤， 消除直接布设裸光纤时，路面骨料(石子)在荷载下的位移对光纤产生的压挤破坏。热拌浙青路面施工过程需要将混合料的温度控制在一定的高温范围内，此时布设该传感器，高温和路面压实作用可以增强传感器表面封装材料与路面材料的粘结，提高了传感器与路面结构的协同变形能力。一般情况下，光纤在200°C以内都能保证正常工作，而特殊处理后的光纤可以容忍更高的环境温度，因此施工温度控制在170°C以内的热拌浙青混凝土路面铺装不会在温度上对传感器的性能产生影响。对传感探头内部的光纤进行端部扩径，也保证了光纤敏感元件的变形与封装材料的一致性，从而实现光纤准确获得柔性道路结构的内应变。


附图是本发明提出的柔性封装的光纤传感探头的结构示意图。图中1低模量封装层；2光纤夹持；3裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件；4测试跳线。
具体实施例方式以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。(1)传感探头的结构本发明中的传感探头结构如图1所示，主要由1低模量封装层，2光纤夹持，3裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件和4测试跳线四部分组成。其中光纤敏感元件是传感探头的应变感知和测量元件，可以是能精确测量局部应变的光纤光栅，也可以是检测全局应变分布的布里渊分布式光纤。光纤夹持部分是利用FRP或形状记忆合金对小直径的光纤进行端部扩径，经过有限元计算优化过的尺寸可以在保证光纤与封装材料应变一致。 由PP塑料，浙青胶浆或其他材料合成的低模量且可调的封装可以保护光纤并且协同与路面结构的变形。本结构设计，保证了柔性路面结构中的应变精确的传递给测量光纤。(2)传感探头的制作本发明涉及的传感探头制作过程主要包括光纤夹持固定和整体封装两步。首先根据夹持材料(FRP或形状记忆合金)的性质，通过加工工艺实现对裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件两端的无胶夹持，保证光纤夹持部分与夹持材料没有相对位移。然后用PP塑料，浙青胶浆或其他材料将光纤和夹持材料进行整体封装。光纤，夹持以及封装材料的尺寸和封装材料模量由实际工作要求，有限元分析，以及优化计算确定。(3)传感探头的布设本发明中提出的传感探头布设方法为首先在路面施工过程中，当铺设到需要检测内力的层位时，在测量位置将传感器按测量方向放置，并将测试跳线延路面横向引出。然后在上方铺施工使用的浙青混合料，并按照实际压实手段将布设传感器区域与周围路面结构一同进行压实。路面施工完成后或传感器布设完成后，可将测试跳线接头与光纤传感解调仪器连接，测试结构内部应变情况。
权利要求
1.一种柔性道路结构内应力测试的低模量光纤传感探头，其特征是(1)模量可调材料聚丙烯PP塑料、金属橡胶、或浙青胶浆用于(2)光纤敏感元件进行低模量封装，改变封装材料各成分的体积比调节传感探头的模量；(3)纤维增强塑料(FRP)或形状记忆合金用于裸光纤或纤维树脂材料柔性封装光纤敏感元件的两端扩径夹持，并通过有限元分析、优化计算确定尺寸。
2.根据权利要求1所述的一种柔性道路结构内应力测试的低模量光纤传感探头，其特征是采用低模量材料(1)封装光纤传感元件(2)使传感器不影响路面结构内应力；光纤敏感元件(2)是光纤光栅或布里渊分布式光纤；夹持材料(3)用于协调光纤敏感元件(2) 与封装材料(1)之间的变形。
3.根据权利要求1或2所述的一种柔性道路结构内应力测试的低模量光纤传感探头， 其特征是在浙青路面热拌施工中布设，封装材料(1)与路面基体表面融合。
全文摘要
一种柔性道路结构内应力测试的低模量光纤传感探头，属于路面结构应力测试技术领域。其特征是先对小直径的光纤敏感元件利用夹持材料进行端部扩径，令光纤敏感元件与夹持材料间不产生相对位移，并通过有限元模拟优化其相应的尺寸；采用模量可调的柔性封装材料封装光纤敏感元件，令其与基体应变协调，并利用有限元模拟优化尺寸。本发明的效果和益处是可在热拌沥青混凝土路面铺装过程中布设，光纤敏感元件不会在路面压实过程损坏；光纤敏感元件的变形与封装材料一致；且本发明的传感探头既不影响路面的内应力场，也能保证传感器与路面结构协同变形。
文档编号G01B11/16GK102213583SQ20111005682
公开日2011年10月12日 申请日期2011年3月10日 优先权日2011年3月10日
发明者何建平, 刘婉秋, 周智, 王花平, 黄明华 申请人:大连理工大学