光纤光栅传感器在高速公路的应用

光纤光栅传感器在高速公路的应用

作者：周进
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摘要：本文着重介绍了一种用于公路监测的基于光纤光栅原理的新型传感器，以及其应用情况。我们结合公路在施工过程中温度高，环境恶劣，以及沥青强度低等特点，通过理论分析，提出了一种新的设计方案，经过多次实验测试验证了此种方案的可行性。
关键词：公路监测 光纤光栅 应变传感器 挠度

　　引言：

　　光纤光栅（FBG）传感器作为“90 年代光纤传感领域最重要的发明”。可以用来测量多个物理量，包括应变，应力，温度，振动，压力，以及一些化学量。其应用领域非常的广泛。FBG 是一种全光纤器件，其可靠性好，测量精度高，线性度好，测量范围大，而且抗电磁干扰；同时FBG 传感器阵列最大的优势在于可以实现分布式的传感网络。对物体进行多点测量。提取相关的信号，进行状态分析。达到示警以及故障诊断的目的。

　　由于光纤光栅传感器的独特优势，近几年在国内的推广形式非常好，以及涉及到诸多行业的健康监测，我们也开发了种类繁多的传感器，并已成功应用在诸如建筑，油田，水利，铁路，公路等行业的健康监测中。下文将着重阐述公路监测专用光纤光栅传感器的设计以及应用情况。

　　1．公路健康监测必要性

　　交通是与人们息息相关的事情，同样也是制约城市发展的主要因素，可以说交通的好坏可以直接决定一个城市的发展命运。每年国家都要投入大量资金用在公路修建以及维护上，其中维护费用占据了很大一部分。即便是这样，每年仍然有大量公路遭到破坏，公路的早期损坏已成为影响高速公路使用功能的发挥和诱发交通事故的一大病害。，而破坏一般都是因为汽车超载，超速以及自然原因引起的，并且也和公路修建的质量有很大关系。所以在公路施工过程以及使用过程中进行健康检测是非常有必要的。现在的公路一般分三层进行施工，分为底基层、普通层和沥青层，在施工过程中埋入温度以及应变传感器可以及时得到温度以及应变的变化情况，对公路质量进行实时监控。详细了解施工材料的特点以及影响施工质量的因素。首先为了解决高温的问题，传感器本身采用不锈钢材料封装，尾纤采用抗高温铠装光缆。为了使传感器在强压力下仍然能继续工作，并且和沥青层比较好的配合，能真实反映沥青层挠度，我们在设计传感器外形的时候采用的方法是增加沥青层与传感器的接触面积。

　　2．传感器设计方案

　　由于公路施工过程中条件比较恶劣，主要问题有以下几点：

　　1. 在沥青层铺设过程中温度可达160℃。

　　2. 在施工过程中，每层受到的压力达20t 以上。

　　3. 由于沥青层随着环境温度变化，其强度变化明显。传感器需要能真实反映沥青层应变。所以传感器在埋入过程中的成活率是最关键的问题。

一、光纤光栅传感器的优势
与传统的传感器相比,光纤Bragg光栅传感器具有自己独特的优点:
(1) 传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变, 适合埋入大型结构中, 可测量结构内部的应力、应变及结构损伤等, 稳定性、重复性好;
(2) 与光纤之间存在天然的兼容性, 易与光纤连接、低损耗、光谱特性好、可靠性高;
(3) 具有非传导性, 对被测介质影响小, 又具有抗腐蚀、抗电磁干扰的特点, 适合在恶劣环境中工作;
(4) 轻巧柔软, 可以在一根光纤中写入多个光栅, 构成传感阵列, 与波分复用和时分复用系统相结合, 实现分布式传感;
(5) 测量信息是波长编码的, 所以, 光纤光栅传感器不受光源的光强波动、光纤连接及耦合损耗、以及光波偏振态的变化等因素的影响, 有较强的抗干扰能力;
(6) 高灵敏度、高分辩力。
正是由于具有这么多的优点,近年来,光纤光栅传感器在大型土木工程结构、航空航天等领域的健康监测,以及能源化工等领域得到了广泛的应用。
光纤Bragg光栅传感器无疑是一种优秀的光纤传感器，尤其在测量应力和应变的场合，具有其它一些传感器无法比拟的优点，被认为是智能结构中最有希望集成在材料内部，作为监测材料和结构的载荷，探测其损伤的传感器。