邢曉瑩 劉婉秋 王花平 曹丹丹

(大連理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116024)

基于FBG的柔性移動(dòng)式道路結(jié)構(gòu)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(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116024)

介紹了一種可移動(dòng)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(cè)試，通過(guò)移動(dòng)傳感器管道內(nèi)FBG，實(shí)現(xiàn)道路結(jié)構(gòu)層縱向形狀及變化監(jiān)測(cè)，測(cè)試?yán)碚摽梢杂脕?lái)監(jiān)測(cè)多層介質(zhì)道路結(jié)構(gòu)的車轍及路基沉降，并利用理論與試驗(yàn)方法建立了波長(zhǎng)變量和曲率之間的關(guān)系式，分析了結(jié)果產(chǎn)生誤差的原因。

鎧裝套管，F(xiàn)BG，道路結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)

道路結(jié)構(gòu)在車輛荷載的反復(fù)作用下容易出現(xiàn)各類病害，而車轍是最常見(jiàn)病害之一，如果不能及時(shí)檢測(cè)，在外界因素影響下將會(huì)引發(fā)裂縫，地基沉降，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體破壞。因此，一些專家一直致力于光纖光柵傳感器對(duì)曲率的試驗(yàn)研究。趙海濤[1]試著用FBG測(cè)量復(fù)合材料的曲率，獲得曲率與中心波長(zhǎng)良好的線性關(guān)系，試驗(yàn)效果極佳。在他們的測(cè)試中，是將光纖光柵貼于一種復(fù)合材料制成的橫梁的表面，彎曲小梁的曲率是通過(guò)測(cè)量應(yīng)變變量得到的。對(duì)于道路結(jié)構(gòu)，多層介質(zhì)半空間無(wú)限彈性結(jié)構(gòu)，直接將光纖光柵貼于其表面來(lái)測(cè)試曲率是不現(xiàn)實(shí)的。由于光纖傳感技術(shù)的高精度、耐腐蝕性、長(zhǎng)期穩(wěn)定、幾何形狀可多變等特點(diǎn)[2]，光纖在道路結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的應(yīng)用成為一個(gè)可行的方法,因此，可以設(shè)計(jì)各種類型的傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)應(yīng)力、裂縫、彎沉等[3-5]。

因此本文發(fā)明了一種封裝的可移動(dòng)鎧裝FBG傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)道路結(jié)構(gòu)長(zhǎng)軸方向的變形曲率。為呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)的變形曲線，結(jié)合理論及試驗(yàn)方法建立FBG波長(zhǎng)變量和曲率之間的關(guān)系式。采用理論分析將測(cè)得的分布式曲率轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的曲線，并且開(kāi)展室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證理論分析結(jié)果的精度。為了進(jìn)一步提高精度，我們采用了修正系數(shù)，使其更能有效地應(yīng)用于道路結(jié)構(gòu)形狀的監(jiān)測(cè)。

1 測(cè)試機(jī)理

由于道路的鋪設(shè)需要重型機(jī)械的碾壓，再加上外部環(huán)境的復(fù)雜性，需要對(duì)FBG傳感器做適當(dāng)?shù)姆庋b，才能保證它在施工過(guò)程中的成活。因此，設(shè)計(jì)一種封裝方式：材料柔軟、外部強(qiáng)度高，并且能提供移動(dòng)通道。本文所選的藍(lán)色鎧裝管線，不僅保證自身變形自由，而且能夠克服強(qiáng)大的外力。道路結(jié)構(gòu)的變形首先傳遞給管道，然后通過(guò)管道傳遞給FBG，如圖1所示。這個(gè)過(guò)程中存在應(yīng)力傳遞，因此誤差是不可避免的。誤差的產(chǎn)生來(lái)自兩個(gè)途徑：一個(gè)是封裝管道壁的厚度，可以通過(guò)理論修正；另一個(gè)是管道與路面結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào)性，因?yàn)楣艿澜孛嫘《沂莾啥俗杂傻?，與結(jié)構(gòu)形成一個(gè)整體，所以這方面的誤差可以被忽略。

2 可移動(dòng)式柔性鎧裝套管封裝FBG傳感器設(shè)計(jì)

鎧裝線經(jīng)證實(shí)在道路結(jié)構(gòu)施工中不易變形[6]，所以用來(lái)作為傳感器的保護(hù)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(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，將會(huì)影響檢測(cè)精度。為解決這個(gè)問(wèn)題，置入一個(gè)直徑為4 cm的硅橡膠。在硅橡膠的一側(cè)刻出一個(gè)深度約為1.5 mm的槽，作為FBG移動(dòng)通道，如圖2b)所示。將一根裸的FBG放置在槽內(nèi)，可移動(dòng)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(shè)置一個(gè)FBG，如圖2c)所示。在室內(nèi)試驗(yàn)中，通道設(shè)置成多個(gè)半徑的圓弧并固定，人為拉動(dòng)FBG移動(dòng)，則波長(zhǎng)將會(huì)隨著通道曲率的改變而改變。

3 建立波長(zhǎng)變量和曲率的關(guān)系式

每一個(gè)未確定曲線都可近似劃分成不同半徑的圓弧，根據(jù)曲率K和曲率半徑ρ的關(guān)系式：K=1/ρ，便知每點(diǎn)的曲率半徑，最后根據(jù)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(dòng)硅橡膠使其產(chǎn)生變形，將會(huì)引起FBG波長(zhǎng)的改變，為確定波長(zhǎng)變量Δλ與曲率K的關(guān)系式，取圓弧一段作為研究對(duì)象，變形狀態(tài)如圖3所示。參數(shù)y1,為管道內(nèi)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(duì)應(yīng)的圓心角，t為鎧裝管道壁的厚度。

根據(jù)平面截面假設(shè)，由光柵測(cè)得的應(yīng)變?chǔ)疟磉_(dá)式為：

(1)

研究表明，在不考慮溫度應(yīng)變耦合作用的情況下，中心波長(zhǎng)與其相應(yīng)的溫度，應(yīng)變有如下線性關(guān)系[7]：

(2)

其中，Kε為傳感器的應(yīng)變靈敏系數(shù)；Kt為溫度靈敏系數(shù)，都可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得。

結(jié)合方程(1)和方程(2)，波長(zhǎng)變量Δλ和曲率的關(guān)系K可以表達(dá)為：

(3)

試驗(yàn)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(yàn)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(diào)儀，來(lái)回按照半徑大小依次測(cè)試采集各個(gè)階段數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖4)，最后分析驗(yàn)證波長(zhǎng)變量Δλ和曲率K的關(guān)系式。

本試驗(yàn)往返做了11組，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。將各組相同半徑的各點(diǎn)取平均值，繪制散點(diǎn)擬合曲線，如圖6所示。

本試驗(yàn)是在封閉的室內(nèi)進(jìn)行的，溫度影響比較小，可以忽略不計(jì)。參考相關(guān)文獻(xiàn)，取應(yīng)變靈敏系數(shù)Kε=0.795 5pm/με[8]，初始波長(zhǎng)為1 549.36nm,y2=1.0cm。以半徑為5cm,10cm為例，驗(yàn)證實(shí)際數(shù)據(jù)與理論之間的吻合度。

由計(jì)算結(jié)果可以得出：曲率半徑為5cm時(shí)，誤差為6.60%；曲率半徑為10cm時(shí)，誤差為14.40%；曲率半徑為15cm時(shí)，誤差為9.73%；曲率半徑為20cm時(shí)，誤差為10.05%；曲率半徑為25cm時(shí)，誤差為0.60%；曲率半徑為30cm時(shí)，誤差為14.13%。曲率半徑比較小的時(shí)候，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值要??；曲率半徑比較大時(shí)，計(jì)算結(jié)果比實(shí)際值要大。

原因可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：1)人為固定FBG所在槽底位置時(shí)與硅橡膠中性軸不在同一豎直平面內(nèi)，使其在各圓弧處時(shí)半徑比實(shí)際彎曲曲率半徑要小，測(cè)試結(jié)果就相對(duì)較小。這個(gè)誤差可以在以后制作中改善，通過(guò)將刻過(guò)槽的硅橡膠伸直固定在可移動(dòng)長(zhǎng)軸平臺(tái)上，對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的夾具(夾有簽字筆)，這樣移動(dòng)平臺(tái)，繪出與中性軸在同一豎直平面內(nèi)的直線，F(xiàn)BG沿著畫線粘貼。2)硅橡膠與每個(gè)圓弧的吻合出現(xiàn)了偏差，并且固定過(guò)程中可能產(chǎn)生了一定程度的反向恢復(fù)。在測(cè)試平臺(tái)上刻出一定深度的各個(gè)半徑的圓弧，將硅橡膠嵌入其中，這樣就消除了協(xié)調(diào)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(yīng)波長(zhǎng)變化較小，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果偏大。尋找與硅橡膠材質(zhì)更加匹配的粘膠以減小這方面的誤差。

總體來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線與理論方法計(jì)算相符，偏差符合工程實(shí)際的誤差范圍，能準(zhǔn)確地描繪變形曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的一種可移動(dòng)式柔軟鎧裝套管封裝FBG傳感器，內(nèi)部設(shè)有硅橡膠管提供的可移動(dòng)通道，利用一個(gè)FBG就能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模曲率測(cè)試。對(duì)這種類型的傳感器的可行性及功能進(jìn)行了討論分析，利用理論方法建立了波長(zhǎng)變量Δλ和曲率K的關(guān)系式，應(yīng)用試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證了這個(gè)關(guān)系式的正確性。本文的工作提供了一個(gè)低成本測(cè)試道路變形的傳感器，這對(duì)大范圍監(jiān)測(cè)道路結(jié)構(gòu)健康狀況有很大的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 趙海濤，張博明，武湛君，等.利用光纖光柵測(cè)量復(fù)合材料的彈性模量和曲率[Z].第十四屆全國(guó)復(fù)合材料學(xué)術(shù)會(huì)議，2007.

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

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[7] 周 智.土木工程結(jié)構(gòu)光纖光柵智能傳感元件及其監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2003.

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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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