用于沥青路面载荷监测的光纤光栅压力传感器

1引 言
我国的绝大部分高速公路采用沥青混凝土路面。高速公 路路面出现的早期破坏, 如裂缝、水破坏和坑槽等[1] , 这些现象 大都与路面所受载荷存在密切关系。因此, 有必要研究一套沥 青路面载荷监测系统, 实现对车辆荷载以及速度的监测, 探索 路面损伤的产生机理和发展规律。
目前, 测量路面载荷监测的传感器主要有应变片式测力传 感器、液压活塞式测力传感器、弹簧式测力传感器以及压电式
料的弹性模量( N/ m2 ) 。
2 基于金属和聚合物封装的 FBG 压力传感模型
2. 1 传感器结构及制作 为了满足沥青路面载荷监测的需要, 传感器的结构应具有
耐久性强、可靠性好和性能稳定等特点。由于传感器需埋入路 面实现载荷监测, 针对沥青路面结构复杂的施工环境, 考虑到 传感器对环境的适用性, 外壳采用金属材料用来保护传感器以 便提高其成活率和使用寿命。目前, 一种较为可行的方案是采 用聚合物对 FBG 进行增敏封装, 不仅可以实现压力增敏, 还可 有效地保护裸 FBG。传感器感知元件采用弹性模量较小的聚 合物封装的 FBG, 以实现压力的增敏。因此, 采用聚合物与金 属材料相结合的封装形式, 设计了一种新型压力传感器。
为了实现 FBG 压力传感器的增敏, 提高传感器的灵敏度, 实际制作中, 新型传感器的聚合物部分由横截面不同的立方体 组成。将 l2 段即埋入光栅的聚合物横截面设计的比较小, 而 将 l1 段即埋入传输光纤的聚合物横截面设计的比较大, 以提 高光栅段的感知程度从而达到增敏, 并且通过 l1 段来传递载
第 2 期 王晓洁等: 用于沥青路面载荷监测的光纤光栅压力传感器
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荷。其中: l1 段横截面的尺寸为 2 cm 4 cm, 长度为 2 cm; l2 段 横截面的尺寸为 1. 3 cm 1. 1 cm, 长度为 8 cm。
2. 2 传感器灵敏度计算 对于周边固支的圆形薄板, 如果压力均匀作用于薄板表
第 22 卷 第 2 期 2011 年 2 月
光电子 激光
Journal of Optoelectronics Laser
V o l. 22 N o . 2 F eb. 2011
用于沥青路面载荷监测的光纤光栅压力传感器
王晓洁1, 3, 曾 捷1, 梁大开1* , 解建光2, 刘宏月1 , 张晓丽1
( 1. 南京航空航天大学 飞行器结构力学与控制教育部重点实验室, 江苏 南京 210016; 2. 南京航空航天大学 土 木工程系,江苏 南京 210016; 3. 中国航天科技集团公司 西安微电子技术研究所, 陕西 西安 710054)
测力传感器。它们一般都具有较高的灵敏度和精度, 但是存在 耐久性、长期稳定性以及电磁干扰的问题, 不能满足路面结构 健康监测的需求。近年, 光纤布拉格光栅( FBG) 传感在土木工 程领域的应用受到重视, 它具有灵敏度高、抗电磁干扰、结构简 单、体积小和稳定性好等优点, 目前在道路监测方面已经有所 应用[2~ 6] , 在沥青路面结构方面尚属于尝试阶段。
所设计的 FBG 压力传感器的外观为圆柱形, 如图 1 所示。 FBG 压力传感器由金属外壳、FBG 和聚合物组成, 整个传感器 的剖视结构如图 2 所示。其中: 1) 金属外壳由圆形金属薄板、 金属环和金属底板组成, 把埋入 FBG 的聚合物部分封装在壳 体内, 金属薄板的作用是将加载在其上的压力通过聚合物部分 转化为 FBG 可以测量的轴向应变, 选择的材料为 Mg Al 合金, 金属环和金属底板主要用来保护传感器以提高其使用寿命和 成活率, 选择的材料为钢; 2) FBG 是传感器的感知元件, 封装 在聚合物里面, 主要用来感应通过金属薄板传递的压力所产生 的轴向应变, 实验采用北京泰克里科光学设备有限公司生产的 FBG, 是准分子激光器发出的紫外光通过相位掩膜板在普通掺 Ge 单模光纤中写入制成的, FBG 的中心波长为 1 546. 327 nm, 栅区长度为 12 mm; 3) 聚合物部分由环氧树脂和固化剂按一 定的比例固化形成, 其结构如图 3 所示, 主要用来对 FBG 进行 封装, 以起到保护 FBG 及增敏的作用, 埋入 FBG 的聚合物通 过胶固定在金属薄板上, 待金属薄板、金属环与金属底板装配 之后, 聚合物及 FBG 就处于壳体的内上表面, 因此图 1 中看不 到聚合物部分及 FBG。
裸露的 FBG 压力灵敏度系 数较小, 仅为 1. 98 10- 12 Pa- 1[ 7] , 给信号检测带来了不便, 制约了在压力测量中的应用。
* E mail: liangdk@ nuaa. edu. cn 收稿日期: 2010 03 28 修订日期: 2010 09 08 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 60907038、51007002) ; 江苏省自然科学基金资助项目( BK 2008388、BK2009370) ; 航空科学基金资助项目 ( 2008ZD52047) ;∀ 611#航空科研基金资助项目; 南京航空航天大学研究生创新基地( 实验室) 开放基金资助项目( 200901003)
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因此, 提高压力灵敏度是使 FBG 进入实用化测量需解决的关 键技术。目前, 较为可行的 FBG 压力增敏方案有采用聚合 物[ 8] 和特殊结构[ 9~ 12] 对 FBG 进行增敏封装。本文针对沥青路 面结构复杂的施工环境, 设计了一种新型的高灵敏度 FBG 压 力传感器, 用于实现对沥青路载荷的监测。由于传感器需埋入 路面实现载荷监测, 考虑到传感器对环境的适用性, 外壳采用 金属材料保护传感器以便提高其成活率和使用寿命, 传感器感 知元件采用弹性模量较小的聚合物封装的 FBG 实现压力的增 敏。
面, 假设薄板的最大挠度不大于 1/ 3 板厚, 采用小挠度理论, 可 以计算出薄板任意部位的径向应变和切向应变分别为[13]
r=
3p (18Eh2
2)(R2 -
3r 2)
( 1)
t=
3p( 18Eh2
2 )(R2 -
3r2 )
( 2)
式中: p 为均布压力 Pa; h 为薄板厚度 m; R 为薄板半径 m; r 为 薄板任意部位的半径 m; 为薄板材料的泊松比; E 为薄板材
摘要: 提出了一种可用于沥青路面载荷测量的新型高灵敏度光纤布拉格光栅( FBG) 压力传感器。传感器采用 金属材料和聚合物相结合的封装形式, 通过改变聚合物的几何结构实现了高倍数压力增敏效果, 并从理论推导 了该传感器的光栅中心波长相对偏移量与加载其上压强之间的解析关系。实验结果表明: 该传感器的压力监 测灵敏度达到 2. 39 10- 8 Pa- 1 , 为裸 FBG 压力灵敏度的( 1. 98 10- 12 Pa- 1) 的 12071 倍, 可直接埋入沥青路面, 且其径向负载测量灵敏度高, 可实现对沥青路面载荷的实时监测。 关键词: 光纤光学; 光纤布拉格光栅( FBG); 压力传感器; 载荷监测; 高灵敏度 中图分类号: T N253 文献标识码: A 文章编号: 1005 0086( 2011) 02 0197 04
图 1 传感器实物 Fig. 1 New pressure sensor
பைடு நூலகம்
图 2 传感器剖视结构图 Fig. 2 Structural section view of the sensor
图 3 传感器聚合物部分 Fig. 3 Polymer of the sensor
聚合物部分采用模具成型, 根据封装尺寸加工封装模具, 将 FBG 准直地固定在模具中心。将环氧树脂和固化剂按照 1 ∃1 的比例配比, 加适量消泡剂搅拌均匀以排除气泡的影响, 注入模具使聚合物成型。将浇铸聚合物后的 FBG 及模具放入 温箱中进行高温固化, 打开模具取出用聚合物封装好的 FBG 再次放入温箱中进行低温老化。FBG 被聚合物封装好后, 把埋 入 FBG 的聚合物通过胶固定在金属薄板上。由于金属环有一 定的厚度, 在金属环上加工内螺纹, 金属薄板和金属底板均通 过螺纹与金属环连接构成新型 FBG 压力传感器。装配完成之 后, 聚合物及 FBG 均处于金属壳体的内部, 对 FBG 起到一定 的保护作用。此新型 FBG 压力传感器通过金属薄板把作用在 其上的压力传递给内部的聚合物部分, 聚合物部分 l1 段发生 轴向应变进而引起聚合物部分 l2 段发生轴向应变, 从而使埋 入聚合物部分 l2 段中的 FBG 发生轴向应变, 引起 FBG 的波长 漂移。通过计算, 可得到 FBG 中心波长和压力的解析关系。
Fiber Bragg grating pressure sensor for load monitoring of asphalt pavement
WAN G Xiao jie1, 3 , ZENG Jie1 , LIANG Da kai1* , XIE Jian guang2 , LIU Hong yue1 , ZH ANG Xiao li1
Abstract: A high sensitivity fiber grating pressure sensor was designed and implemented for load monit o ring of asphalt pavement. The sensor used a combination of metal materials and polymer for packaging, and the pressure sensitivity was improved obviously by changing the form of polymer. The analytic for mulas bet ween pressure and relative shift of Bragg wavelength of in fiber Bragg grat ing were derived. The experimental result s show t hat the pressure sensit ivity coefficient is up to 2. 39 10- 8 Pa- 1 , which is about 12071 times of that of a bare fiber. The sensor can be directly coupled with the asphalt pave ment, and it has high radial sensitivity for load monitoring, and can realize on line load monitoring for as phalt pavement. Key words: fiber optics; fiber Bragg grat ing( FBG) ; pressure sensor; load monitoring; high sensitivity