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基于光纤光栅传感技术的道路裂缝扩展监测

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裴建新

摘要:针对沥青道路裂纹扩展的监测问题,通过自制的柔性FBG传感器对弯曲试验中沥青试件裂纹的扩展进行监测,并结合MTS试验分析该监测方法的可行性。结果表明,柔性FBG传感器对裂缝宽度具有很好的感知能力,裂缝宽度与波长具有很好的线性关系,温度对于光纤光栅波长变化的影响相对于裂缝宽度的影响非常有限。

关键词:沥青道路;裂纹扩展监测;线性关系;光纤光栅传感

中图分类号:U416.06文献标志码:B

Abstract:Aimedatthemonitoringofcrackextensiononasphaltpavement,homemadeflexiblefiberBragggratingstrainsensorwasappliedtomonitortheextensionofcracksonasphaltspecimenduringbendingtest.ThefeasibilityofthemonitoringapproachwasanalyzedincombinationwiththetestresultsofMTS.ItshowsthattheflexibleFBGsensorisgoodatperceivingthewidthofcracks,whichshowslinearrelationwiththewavelengthoffiberBragggrating;theimpactoftemperatureonthewavelengthisfarlessthanthatonthewidthofcracks.

Keywords:asphaltroad;crackextensionmonitoring;flexibleFBG;fiberBragggrating

0引言

随着沥青路面在高速公路建设中的普及,沥青路面的病害也日益显现。调查显示,路面裂缝是沥青路面最主要的病害之一,其不但会影响行车的舒适性,更会产生其他的次生病害,降低路面的使用寿命。而引起沥青路面裂缝的因素有很多,如交通量、环境、结构、施工工艺、材料组成、沥青膜厚度等。

作为评价沥青路面抗裂能力的重要手段之一,沥青混合料的三点弯曲试验被研究者们广泛的应用。但是针对弯曲试验中裂纹扩展的动态变化目前尚没有较好的监测方法。针对这一点的不足,本文创新性地引入光纤光栅传感技术,通过自制的柔性FBG传感器对弯曲试验中裂纹的扩展进行监测,并结合MTS试验分析该监测方法的可行性[13]。

1柔性FBG传感器的制作方法及试验方案

1.1制作方法

目前较成熟的布拉格光纤光栅(FBG)传感器主要以刚性封装为主,而刚性封装对于路面结构的影响较大。为了使传感器对裂缝扩展影响最小,本文制作了柔性FBG传感器,制作流程如图1所示。

(1)定制裸光栅。裸光栅为未添加保护层的FBG光栅,由深圳思科光电科技有限公司定制,其具体参数如表1所示。

(2)制作保护层。保护层的主要作用在于改善传感器的抗拉性能,使抗拉强度满足试验的要求。保护层选用PET材料和纵向分布的铜丝制成,如图2所示。

(3)添加防水层。防水层厚度较薄,粘结在加强层的表面,防止水分进入,破坏保护层与裸光栅的粘结,保护加强层。

1.2试验方案

1.2.1缝宽d与中心波长λ关系标定试验

研究表明,FBG传感器较普通传感器具有更高的可靠性,能够感知更小的应变。因此,基于该性能,通过自制柔性FBG传感器的径向受拉来监测裂缝的扩展。为了减小温度对试验结果的影响,每次试验前将埋设好传感器的复合试件在室温中存放2h,室温设定为25℃。将复合试件固定在设计的裂缝调制器上(图3),同时将光纤连接在光纤光栅解调仪上;控制裂缝张开程度,观察千分表度数,使裂缝调制器上的“裂缝”缓慢增加,增加速度不高于1mm·min-1;设置解调仪的采集频率为50Hz[45]。

1.2.2温度对传感器读数影响分析

温度的变化会引起光栅栅格间距发生相应变化,从而导致光纤光栅中心波长发生变化,因此柔性FBG传感器的温度敏感性会对试验结果会产生影响。为了探究自制柔性FBG传感器的温度敏感性,本文进行了温度敏感性试验。试验器材包括:解调仪、HHS数显恒温油浴锅、柔性FBG传感器、裸光栅、光纤等[6]。

首先将自制FBG传感器和裸光栅(对照试验)分别通过光纤连接在解调仪上,调整恒温油浴锅的温度,使其稳定在80℃;将自制FBG传感器和裸光栅分别浸在油浴锅内,关闭油浴锅的加热系统,使其温度自然降至室温,调整

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