基于光纖光柵傳感技術的道路裂縫擴展監測

裴建新

摘要：針對瀝青道路裂紋擴展的監測問題，通過自制的柔性FBG傳感器對彎曲試驗中瀝青試件裂紋的擴展進行監測，并結合MTS試驗分析該監測方法的可行性。結果表明，柔性FBG傳感器對裂縫寬度具有很好的感知能力，裂縫寬度與波長具有很好的線性關系，溫度對于光纖光柵波長變化的影響相對于裂縫寬度的影響非常有限。

關鍵詞：瀝青道路；裂紋擴展監測；線性關系；光纖光柵傳感

中圖分類號：U416.06文獻標志碼：B

Abstract： A imed at the monitoring of crack extension on asphalt pavement， homemade flexible fiber Bragg grating strain sensor was applied to monitor the extension of cracks on asphalt specimen during bending test. The feasibility of the monitoring approach was analyzed in combination with the test results of MTS. It shows that the flexible FBG sensor is good at perceiving the width of cracks， which shows linear relation with the wave length of fiber Bragg grating； the impact of temperature on the wave length is far less than that on the width of cracks.

Key words： asphalt road； crack extension monitoring； flexible FBG； fiber Bragg grating

0引言

隨著瀝青路面在高速公路建設中的普及，瀝青路面的病害也日益顯現。調查顯示，路面裂縫是瀝青路面最主要的病害之一，其不但會影響行車的舒適性，更會產生其他的次生病害，降低路面的使用壽命。而引起瀝青路面裂縫的因素有很多，如交通量、環境、結構、施工工藝、材料組成、瀝青膜厚度等。

作為評價瀝青路面抗裂能力的重要手段之一，瀝青混合料的三點彎曲試驗被研究者們廣泛的應用。但是針對彎曲試驗中裂紋擴展的動態變化目前尚沒有較好的監測方法。針對這一點的不足，本文創新性地引入光纖光柵傳感技術，通過自制的柔性FBG傳感器對彎曲試驗中裂紋的擴展進行監測，并結合MTS試驗分析該監測方法的可行性[13]。

1柔性FBG傳感器的制作方法及試驗方案

1.1制作方法

目前較成熟的布拉格光纖光柵（FBG）傳感器主要以剛性封裝為主，而剛性封裝對于路面結構的影響較大。為了使傳感器對裂縫擴展影響最小，本文制作了柔性FBG傳感器，制作流程如圖1所示。

（1） 定制裸光柵。裸光柵為未添加保護層的FBG光柵，由深圳思科光電科技有限公司定制，其具體參數如表1所示。

（2） 制作保護層。保護層的主要作用在于改善傳感器的抗拉性能，使抗拉強度滿足試驗的要求。保護層選用PET材料和縱向分布的銅絲制成，如圖2所示。

（3） 添加防水層。防水層厚度較薄，粘結在加強層的表面，防止水分進入，破壞保護層與裸光柵的粘結，保護加強層。

1.2試驗方案

1.2.1縫寬d與中心波長λ關系標定試驗

研究表明，FBG傳感器較普通傳感器具有更高的可靠性，能夠感知更小的應變。因此，基于該性能，通過自制柔性FBG傳感器的徑向受拉來監測裂縫的擴展。為了減小溫度對試驗結果的影響，每次試驗前將埋設好傳感器的復合試件在室溫中存放2 h，室溫設定為25 ℃。將復合試件固定在設計的裂縫調制器上（圖3），同時將光纖連接在光纖光柵解調儀上；控制裂縫張開程度，觀察千分表度數，使裂縫調制器上的“裂縫”緩慢增加，增加速度不高于1 mm·min-1；設置解調儀的采集頻率為50 Hz[45]。

1.2.2溫度對傳感器讀數影響分析

溫度的變化會引起光柵柵格間距發生相應變化，從而導致光纖光柵中心波長發生變化，因此柔性FBG傳感器的溫度敏感性會對試驗結果會產生影響。為了探究自制柔性FBG傳感器的溫度敏感性，本文進行了溫度敏感性試驗。試驗器材包括：解調儀、HHS數顯恒溫油浴鍋、柔性FBG傳感器、裸光柵、光纖等[6]。

首先將自制FBG傳感器和裸光柵（對照試驗）分別通過光纖連接在解調儀上，調整恒溫油浴鍋的溫度，使其穩定在80 ℃；將自制FBG傳感器和裸光柵分別浸在油浴鍋內，關閉油浴鍋的加熱系統，使其溫度自然降至室溫，調整解調儀采集頻率為0.5 Hz，開始采集數據；待溫度降到室溫后開啟加熱系統，調整目標溫度為80 ℃進行升溫，當油浴鍋溫度達到80 ℃時數據采集停止。

1.2.3彎曲試驗過程監測

瀝青混合料的三點彎曲試驗是評價瀝青路面抗裂能力的重要手段之一。本文采用如圖4所示的動態系統，通過自制的柔性FBG傳感器，對彎曲試驗中裂紋的擴展進行監測。試驗系統主要包括光纖瀝青混凝土復合試樣、MTS試驗機和光纖光柵測試系統。

通過該系統對三點彎曲試驗過程中的裂縫的變化進行動態監測。

（1） 混凝土光纖復合試件制作。首先，采用輪碾法成型300 mm×300 mm×50 mm的車轍板，然后切割成為250 mm×30 mm×35 mm的小梁試樣；在復合試樣跨中位置切出5 mm深度的預裂縫，采用切縫法布設傳感光纖，光纖布設如圖5所示，瀝青混凝土FBG傳感器復合試件如圖6所示。

（2） 設備連接及參數設定。要求MTS上壓頭加載速度為10 mm·min-1，小梁跨徑為200 mm；OTDR采集頻率設定為最大（10 Hz）；用恒溫水浴箱對試樣進行保溫處理，設定水浴箱的溫度為25 ℃；光纖光柵解調儀采集頻率設定為50 Hz。

彎曲試驗步驟包括：將復合試件中的FBG傳感器通過傳輸光纖與光纖光柵解調儀相連；將連接好的復合試樣浸在恒溫水浴箱中4 h，同時用光纖光柵解調儀采集試件內部溫度變化數據，采集頻率設定為0.5 Hz；將復合試件置于MTS試驗箱的支座上，并且使預裂縫位于跨中位置，使上壓頭與試樣充分接觸；依次開啟光纖光柵采集系統和MTS試驗系統，待裂縫擴展超過1/2試樣高度時停止，依次關閉MTS試驗系統、光纖光柵解調儀數據采集系統。

2dλ關系試驗結果

柔性FBG傳感器波長隨著裂縫寬度增加的變化如圖7所示。從加載開始到加載結束，每隔0.02 mm記錄一次中心波長。

由圖7（a）可以看出，波長隨著加載時間的增加總體呈現上升趨勢，上升過程中中心波長呈現波動性的變化，波峰波谷交替出現。由圖7（b）可以看出在加載一段時間以后中心波長的上升趨勢較加載初期不是很明顯，并且波動幅度較大。圖7（a）中變化幅度較大的2處分別為0.002 9 nm、0.003 6 nm；圖7（b）中變化幅度較大的2處分別為0.071 8 nm、0077 9 nm，可見隨著加載時間的增加，中心波長穩定性在降低，這是由于裂縫寬度的增加使柔性FBG傳感器徑向拉力也增加的緣故。

圖8反應了整個加載過程中波長隨裂縫寬度的變化關系。由圖8可以看出，整體加載過程中波長隨裂縫寬度的增加基本呈現線性變化，測試范圍為0～17 mm。由此可見，柔性FBG傳感器對裂縫寬度具有很好的感知能力，裂縫寬度與波長具有很好的線性關系。

3溫度敏感性試驗結果分析

溫度敏感性試驗結果如圖9所示。由圖9可以看出，柔性FBG傳感器和裸光柵對于溫度的敏感性不同。對于柔性FBG傳感器而言，在自然降溫的240 min之內，波長從1 550651 nm降低到1 550093 nm，波長隨時間的變化速率為2325×10-3nm·min-1；對于裸光柵而言，在自然降溫的240 min之內，波長從1 550.654 nm降低到1 549184 nm，變化速率為6125×10-3 nm·min-1。綜上而言，若取波長隨溫度的變化速率作為溫度敏感性的判斷標準，則自制柔性FBG傳感器的溫度敏感性為裸光柵的3796%。這是由于自制柔性FBG傳感器在裸光柵表面覆蓋了PET和銅絲組成的加強層以及表面的防水層，而PET和防水層都為溫度不敏感材料，故相對于裸光柵而言，其對于溫度的敏感性較低[7]。

總體而言，溫度對于光纖光柵波長變化的影響相對于裂縫寬度的影響非常有限。在從25 ℃至80 ℃的溫度變化過程中，當ΔT=55 ℃，裸光柵和自制FBG傳感器的波長變化分別為0558 nm和147 nm；在裂縫敏感性試驗中，波長變化為446 nm，即在FBG傳感器中，溫度變化幅度為55 ℃時對于波長的影響僅相當于0.125 nm裂縫對波長的影響。所以，在使用自制柔性FBG傳感器對裂縫檢測時，可以不用考慮環境溫度的影響。

4三點彎曲試驗過程監測

4.1FBG傳感器溫度檢測結果

溫度變化對FBG傳感器的試驗結果具有一定的影響，因此在試驗開始之前需要對復合試樣做保溫處理。采用恒溫水浴箱，設定溫度為25 ℃，用光纖光柵解調儀對復合試樣在水浴箱中的溫度變化進行監測，結果如圖10所示。

4.2裂縫動態監測結果分析

裂縫動態監測試驗結果如圖11所示。由圖11可知，隨著加載時間的增加，FBG傳感器的波長呈線性變化，FBG傳感器的波長λ與裂縫寬度d關系如下

λ=1 549.856+4.463d（1）

加載時間與裂縫寬度的關系如圖12所示。由圖12可知加載時間t與裂縫張開口寬度具有線性關系，其比例系數為0.725，擬合關系式為

d=0.725t-8.23（2）

5結語

（1） 本文創新性地引入光纖光柵傳感技術，通過自制的柔性FBG傳感器對彎曲試驗中裂紋的擴展進行監測，并結合MTS試驗結果分析該監測方法的可行性。由試驗結果可知，柔性FBG傳感器對裂縫寬度具有很好的感知能力，裂縫寬度與波長具有很好的線性關系。

（2） 自制FBG傳感器在裸光柵表面覆蓋PET和銅絲，組成加強層以及表面防水層，而PET和防水層都為溫度不敏感材料，故相對于裸光柵而言，其對溫度的敏感性較低。由試驗結果可知，溫度對于光纖光柵波長的影響相對于裂縫寬度的影響非常有限。在使用自制FBG傳感器對裂縫進行檢測過程中，可以不用考慮環境溫度的影響。

（3） 由裂縫動態監測結果分析可得，隨著試驗加載時間的增加，FBG傳感器中的波長呈線性變化，加載時間與裂縫張開口寬度也具有線性關系。

參考文獻：

[1]歐進萍，周智，武湛君，等.黑龍江呼蘭河大橋的光纖光柵智能監測技術[J].土木工程學報，2004，37（1）：4551.

[2]周智，田石柱，歐進萍.光纖傳感器在土木工程中的應用[J].建筑結構，2002（5）：6568.

[3]孫寶臣，徐華，李劍芝，等.基于光纖網絡的全分布裂縫檢測技術研究[J].傳感技術學報，2007，20（7）：16721675.

[4]譚憶秋，董澤蛟，田庚亮，等.光纖光柵傳感器與瀝青混合料協同變形評價方法[J].土木建筑與環境工程，2009（2）：100104.

[5]劉艷萍.橡膠封裝 FBG 瀝青路面豎向應變傳感器的開發與研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2008.

[6]劉樹龍.光纖 Bragg 光柵在瀝青路面性能健康監測中的試驗研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[7]申愛琴，蔣慶華.瀝青混合料低溫抗裂性能評價及影響因素[J].長安大學學報：自然科學版，2004，24（5）：16.

[責任編輯：杜敏浩]