[发明专利]光纤光栅竖向应变传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光纤传感领域，特别是一种用于测量沥青路面竖向应变的光纤光栅竖向应变传感器。

背景技术

20世纪以来，我国公路交通建设以前所未有的速度向前发展。我国高等级公路95%以上的路面均为沥青路面，其原因是它具有下列诸多良好的性能：（1）足够的力学强度，沥青路面能很好地承受车辆荷载施加到路面上的各种作用力；（2）一定的弹性和塑性变形能力，能承受荷载而不破坏；（3）与汽车轮胎的附着力较好，可保证行车安全；（4）塑性性能带来的高度的减震性，可使汽车快速行驶，平稳而无噪声；（5）不扬尘，容易清扫和冲洗；（6）维修简便，且沥青路面可再生利用。不过，我们也应该清楚地认识到，由于我国高等级公路的建设起步较晚，技术力量的储备较少，经济基础较差；以及我国的气候和交通荷载条件恶劣，车辆超载严重，优质的道路石油沥青等原材料投入不足等原因，铺筑的沥青路面结构还存在种种问题。一些路段的建设水平并不如人意，甚至通车几年就发生了车辙、开裂、泛油、坑槽等早期损坏现象，同时由于缺乏先进的沥青路面监测设备，因此一旦损坏，就不得不通过开挖来查找原因，不但对社会、交通造成了很大的影响，在经济上也造成了很大的损失，近年来，如何预防沥青路面的病害已经引起我国道路工作者的高度重视。路面损坏是多种因素合力共同造成的，有些可通过表面的直观观察分析得出原因，但大部分病害源自面层以下结构所受的各种力的共同作用，无法通过直观观察分析原因。因此，如何了解沥青路面在不同荷载作用下各结构层之间的荷载传递规律、应变规律显得非常重要，而这些规律往往是变化的。所以，对于沥青路面来说，建立一个长期、有效的测试及监测系统，是一个亟待解决的问题

在沥青路面应变测试中，电阻式应变片始终占据主导地位，且主要用于理论验证路面结构研究断面上布设了应变片。沥青路面结构层应变测试，一般是采用试件块直接粘贴应变片的方法，然后将试件块埋设到测试位置。实践表明上述方法具有一些缺点：试件块与结构层难以很好地结合，防潮效果差，应变片焊点易脱落。许多试验结果证明，修筑试验路埋设的应变计测得的数据比较离散。振弦式应变传感器因体积较大而未见用于沥青路面现场测试。

在专利（201020609301.1）中，公开了一种埋入式路面竖向FBG应变传感器，它是由光纤布拉格光栅、光纤、纤维增强树脂、金属上锚头、金属下锚头、左稳定位趾、光缆出现口、右稳定位趾和中稳定位趾。该发明光纤布拉格光栅置于纤维增强树脂内部，但其没有涉及温补光纤光栅，故该发明所涉及传感器受温度影响较大。

上述传感器用于沥青路面应变测试尚存在一些问题需要解决。传感器自身模量高、尺寸大，作为一个异体改变了介质原来的应力场，必然也改变了应变场，由此产生了测试数据的偏差。

发明内容

为了克服现有背景技术的不足之处，本发明提供一种用于测量路基外力作用下产生竖向应变的光纤光栅竖向应变传感器。

为实现以上目的，本发明采用下述技术方案：

光纤光栅竖向应变传感器，包括固定基座、内空支柱、光纤、敏感光栅，所述的固定基座包括上基座和下基座，且内空支柱设于上基座和下基座之间，所述的敏感光栅设于光纤上，且所述的敏感光栅黏贴于内空支柱的内壁上，所述的光纤从上基座的侧面穿入，穿过内空支柱，从下基座的侧面穿出，且穿过上基座、下基座的那部分光纤上设有温补光栅，光纤的两端与光纤光栅解调仪相连。

所述的上基座的侧面和下基座的侧面在内空支柱的同一侧。

在所述的内空支柱为内部具有空心体的圆柱体，敏感光栅黏贴在内空支柱的空心体内，且内空支柱的外表面设有保护外壳。

所述的上基座通过固定螺杆与内空支柱连接。

在所述的上基座和下基座中，光纤引出的部分设有保护元件。

在上基座的侧面和下基座的侧面设有定向螺栓，实现保护传输光纤的作用。

所述的光纤在基座和壳体以外的部分包裹有铠装光缆外壳。

所述敏感光栅与内空支柱通过环氧树脂或光栅镀金属后点焊链接。

所述的温补光栅悬空放置于底端的光纤转向孔。

在上述技术方案中，敏感光栅与内空支柱通过环氧树脂或光栅镀金属后点焊链接，有效提高应变传递系数；温补光栅悬空放置于底端光纤转向孔中避免外界应力的干扰。

在上述技术方案中，所述内空支柱不仅支撑传感器，实现外界应变与光纤光栅轴向应变之间的传递，同时可以通过改变内空支柱中间空隙的占空比实现相同外界压力下传感器所测应变与路基材料应变吻合，减少植入传感器对路基材料应变分布的影响。