基于FBG的柔性移動式道路結構曲率傳感器性能研究

邢曉瑩 劉婉秋 王花平 曹丹丹

(大連理工大學交通運輸學院，遼寧 大連 116024)

基于FBG的柔性移動式道路結構曲率傳感器性能研究

邢曉瑩 劉婉秋 王花平 曹丹丹

(大連理工大學交通運輸學院，遼寧 大連 116024)

介紹了一種可移動式柔性鎧裝套管封裝FBG(Fiber Bragg Grating)傳感器，用于物體表面曲率測試，通過移動傳感器管道內FBG，實現道路結構層縱向形狀及變化監測，測試理論可以用來監測多層介質道路結構的車轍及路基沉降，并利用理論與試驗方法建立了波長變量和曲率之間的關系式，分析了結果產生誤差的原因。

鎧裝套管，FBG，道路結構監測

道路結構在車輛荷載的反復作用下容易出現各類病害，而車轍是最常見病害之一，如果不能及時檢測，在外界因素影響下將會引發裂縫，地基沉降，嚴重時導致結構整體破壞。因此，一些專家一直致力于光纖光柵傳感器對曲率的試驗研究。趙海濤[1]試著用FBG測量復合材料的曲率，獲得曲率與中心波長良好的線性關系，試驗效果極佳。在他們的測試中，是將光纖光柵貼于一種復合材料制成的橫梁的表面，彎曲小梁的曲率是通過測量應變變量得到的。對于道路結構，多層介質半空間無限彈性結構，直接將光纖光柵貼于其表面來測試曲率是不現實的。由于光纖傳感技術的高精度、耐腐蝕性、長期穩定、幾何形狀可多變等特點[2]，光纖在道路結構檢測中的應用成為一個可行的方法,因此，可以設計各種類型的傳感器來監測應力、裂縫、彎沉等[3-5]。

因此本文發明了一種封裝的可移動鎧裝FBG傳感器，用來監測道路結構長軸方向的變形曲率。為呈現結構的變形曲線，結合理論及試驗方法建立FBG波長變量和曲率之間的關系式。采用理論分析將測得的分布式曲率轉變為連續的曲線，并且開展室內試驗來驗證理論分析結果的精度。為了進一步提高精度，我們采用了修正系數，使其更能有效地應用于道路結構形狀的監測。

1 測試機理

由于道路的鋪設需要重型機械的碾壓，再加上外部環境的復雜性，需要對FBG傳感器做適當的封裝，才能保證它在施工過程中的成活。因此，設計一種封裝方式：材料柔軟、外部強度高，并且能提供移動通道。本文所選的藍色鎧裝管線，不僅保證自身變形自由，而且能夠克服強大的外力。道路結構的變形首先傳遞給管道，然后通過管道傳遞給FBG，如圖1所示。這個過程中存在應力傳遞，因此誤差是不可避免的。誤差的產生來自兩個途徑：一個是封裝管道壁的厚度，可以通過理論修正；另一個是管道與路面結構的協調性，因為管道截面小而且是兩端自由的，與結構形成一個整體，所以這方面的誤差可以被忽略。

2 可移動式柔性鎧裝套管封裝FBG傳感器設計

鎧裝線經證實在道路結構施工中不易變形[6]，所以用來作為傳感器的保護層。所選鎧裝套管的凈直徑為5 cm，如圖2a)所示。如果FBG在管道產生扭轉，將會影響檢測精度。為解決這個問題，置入一個直徑為4 cm的硅橡膠。在硅橡膠的一側刻出一個深度約為1.5 mm的槽，作為FBG移動通道，如圖2b)所示。將一根裸的FBG放置在槽內，可移動的FBG傳感器便制作成功了。為消除張力和溫度的影響，在管道的兩端分別設置一個FBG，如圖2c)所示。在室內試驗中，通道設置成多個半徑的圓弧并固定，人為拉動FBG移動，則波長將會隨著通道曲率的改變而改變。

3 建立波長變量和曲率的關系式

每一個未確定曲線都可近似劃分成不同半徑的圓弧，根據曲率K和曲率半徑ρ的關系式：K=1/ρ，便知每點的曲率半徑，最后根據曲率半徑獲得曲線形狀。

理論方法：把FBG固定在硅橡膠上，移動硅橡膠使其產生變形，將會引起FBG波長的改變，為確定波長變量Δλ與曲率K的關系式，取圓弧一段作為研究對象，變形狀態如圖3所示。參數y1,為管道內壁到中性軸的距離，y2為FBG所在槽底位置到中性軸的距離,Δθ為圓弧對應的圓心角，t為鎧裝管道壁的厚度。

根據平面截面假設，由光柵測得的應變ε表達式為：

(1)

研究表明，在不考慮溫度應變耦合作用的情況下，中心波長與其相應的溫度，應變有如下線性關系[7]：

(2)

其中，Kε為傳感器的應變靈敏系數；Kt為溫度靈敏系數，都可以通過實驗獲得。

結合方程(1)和方程(2)，波長變量Δλ和曲率的關系K可以表達為：

(3)

試驗研究方法：取一段刻槽的硅橡膠，將一根裸的FBG用軟的膠粘在槽的底部，凝固后待用。在平滑的桌面上畫不同直徑的圓，試驗采用的半徑(cm)有：5，10，15，20，25，30六種。將硅橡膠固定在不同半徑的圓弧處，連接光柵解調儀，來回按照半徑大小依次測試采集各個階段數據(見圖4)，最后分析驗證波長變量Δλ和曲率K的關系式。

本試驗往返做了11組，試驗結果如圖5所示。將各組相同半徑的各點取平均值，繪制散點擬合曲線，如圖6所示。

本試驗是在封閉的室內進行的，溫度影響比較小，可以忽略不計。參考相關文獻，取應變靈敏系數Kε=0.795 5pm/με[8]，初始波長為1 549.36nm,y2=1.0cm。以半徑為5cm,10cm為例，驗證實際數據與理論之間的吻合度。

由計算結果可以得出：曲率半徑為5cm時，誤差為6.60%；曲率半徑為10cm時，誤差為14.40%；曲率半徑為15cm時，誤差為9.73%；曲率半徑為20cm時，誤差為10.05%；曲率半徑為25cm時，誤差為0.60%；曲率半徑為30cm時，誤差為14.13%。曲率半徑比較小的時候，計算結果比實際值要小；曲率半徑比較大時，計算結果比實際值要大。

原因可以歸結為以下幾點：1)人為固定FBG所在槽底位置時與硅橡膠中性軸不在同一豎直平面內，使其在各圓弧處時半徑比實際彎曲曲率半徑要小，測試結果就相對較小。這個誤差可以在以后制作中改善，通過將刻過槽的硅橡膠伸直固定在可移動長軸平臺上，對應一個固定的夾具(夾有簽字筆)，這樣移動平臺，繪出與中性軸在同一豎直平面內的直線，FBG沿著畫線粘貼。2)硅橡膠與每個圓弧的吻合出現了偏差，并且固定過程中可能產生了一定程度的反向恢復。在測試平臺上刻出一定深度的各個半徑的圓弧，將硅橡膠嵌入其中，這樣就消除了協調誤差。3)固定FBG的粘膠與硅橡膠模量有偏差，使傳遞誤差增大，相應波長變化較小，導致測試結果偏大。尋找與硅橡膠材質更加匹配的粘膠以減小這方面的誤差。

總體來說，試驗數據擬合曲線與理論方法計算相符，偏差符合工程實際的誤差范圍，能準確地描繪變形曲線。

4 結語

本文設計的一種可移動式柔軟鎧裝套管封裝FBG傳感器，內部設有硅橡膠管提供的可移動通道，利用一個FBG就能實現大規模曲率測試。對這種類型的傳感器的可行性及功能進行了討論分析，利用理論方法建立了波長變量Δλ和曲率K的關系式，應用試驗來驗證了這個關系式的正確性。本文的工作提供了一個低成本測試道路變形的傳感器，這對大范圍監測道路結構健康狀況有很大的應用價值。

[1] 趙海濤，張博明，武湛君，等.利用光纖光柵測量復合材料的彈性模量和曲率[Z].第十四屆全國復合材料學術會議，2007.

[2] 王其富，喬學光，賈振安，等.布里淵散射分布式光纖傳感技術的研究進展[J].傳感器與微系統，2007，26(7)：7-9.

[3]XueWJ,WangD,WangLB.Areviewandperspectiveaboutpavementmonitoring[J].InternationalJournalofPavementResearchandTechnology,2012,5(5):295-302.

[4]ZhouZ,LiuWQ,HuangY,etal.OpticalfiberBragggratingsensorassemblyfor3Dstrainmonitoringanditscasestudyinhighwaypavement[J].MechanicalSystemsandSignalProcessing,2012(28):36-49.

[5]LoizosA,PlatiC,PapavasilioV.Fiberopticsensorsforassessingstrainsincoldin-placerecycledpavements[J].InternationalJournalofPavementEngineering,2013,14(2):125-133.

[6]WangHP,LiuWQ,ZhouZ,etal.Thebehaviorofanovelrawmaterial-encapsulatedFBGsensorforpavementmonitoring[J].SPIE,2011(19):1-6.

[7] 周 智.土木工程結構光纖光柵智能傳感元件及其監測系統[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2003.

[8] 張曉晶，武湛君，張博明，等.光纖布拉格光柵溫度和應變交叉靈敏度的實驗研究[J].光電子·激光，2005，16(5):59-61.

The performance research on flexiblemobile road structure curvature sensor based on FBG

XING Xiao-ying LIU Wan-qiu WANG Hua-ping CAO Dan-dan

(Portage College, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

This paper introduced a mobile flexible armored casing package FBG(Fiber Bragg Grating) sensor, to objects surface curvature test, by moving the sensor inner pipeline FBG, realized the road structural layer longitudinal shape and change monitoring, the testing theory could be used to monitor the track and roadbed settlement of multi layer dielectric road structure, and established the relation of wavelength variables and curvature using theoretical and experimental methods, analyzed the errors reasons.

armored casing, FBG, road structure monitoring

1009-6825(2014)18-0157-03

2014-04-14

邢曉瑩(1990- )，女，在讀碩士； 劉婉秋(1981- )，女，副教授； 王花平(1985- )，女，在讀博士； 曹丹丹(1988- )，男，在讀碩士

U418.68

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