基于光纤光栅传感技术的道路裂缝扩展监测

裴建新

摘要：针对沥青道路裂纹扩展的监测问题，通过自制的柔性FBG传感器对弯曲试验中沥青试件裂纹的扩展进行监测，并结合MTS试验分析该监测方法的可行性。结果表明，柔性FBG传感器对裂缝宽度具有很好的感知能力，裂缝宽度与波长具有很好的线性关系，温度对于光纤光栅波长变化的影响相对于裂缝宽度的影响非常有限。

关键词：沥青道路；裂纹扩展监测；线性关系；光纤光栅传感

中图分类号：U416.06文献标志码：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

随着沥青路面在高速公路建设中的普及，沥青路面的病害也日益显现。调查显示，路面裂缝是沥青路面最主要的病害之一，其不但会影响行车的舒适性，更会产生其他的次生病害，降低路面的使用寿命。而引起沥青路面裂缝的因素有很多，如交通量、环境、结构、施工工艺、材料组成、沥青膜厚度等。

作为评价沥青路面抗裂能力的重要手段之一，沥青混合料的三点弯曲试验被研究者们广泛的应用。但是针对弯曲试验中裂纹扩展的动态变化目前尚没有较好的监测方法。针对这一点的不足，本文创新性地引入光纤光栅传感技术，通过自制的柔性FBG传感器对弯曲试验中裂纹的扩展进行监测，并结合MTS试验分析该监测方法的可行性[13]。

1柔性FBG传感器的制作方法及试验方案

1.1制作方法

目前较成熟的布拉格光纤光栅（FBG）传感器主要以刚性封装为主，而刚性封装对于路面结构的影响较大。为了使传感器对裂缝扩展影响最小，本文制作了柔性FBG传感器，制作流程如图1所示。

（1） 定制裸光栅。裸光栅为未添加保护层的FBG光栅，由深圳思科光电科技有限公司定制，其具体参数如表1所示。

（2） 制作保护层。保护层的主要作用在于改善传感器的抗拉性能，使抗拉强度满足试验的要求。保护层选用PET材料和纵向分布的铜丝制成，如图2所示。

（3） 添加防水层。防水层厚度较薄，粘结在加强层的表面，防止水分进入，破坏保护层与裸光栅的粘结，保护加强层。

1.2试验方案

1.2.1缝宽d与中心波长λ关系标定试验

研究表明，FBG传感器较普通传感器具有更高的可靠性，能够感知更小的应变。因此，基于该性能，通过自制柔性FBG传感器的径向受拉来监测裂缝的扩展。为了减小温度对试验结果的影响，每次试验前将埋设好传感器的复合试件在室温中存放2 h，室温设定为25 ℃。将复合试件固定在设计的裂缝调制器上（图3），同时将光纤连接在光纤光栅解调仪上；控制裂缝张开程度，观察千分表度数，使裂缝调制器上的“裂缝”缓慢增加，增加速度不高于1 mm·min-1；设置解调仪的采集频率为50 Hz[45]。

1.2.2温度对传感器读数影响分析

温度的变化会引起光栅栅格间距发生相应变化，从而导致光纤光栅中心波长发生变化，因此柔性FBG传感器的温度敏感性会对试验结果会产生影响。为了探究自制柔性FBG传感器的温度敏感性，本文进行了温度敏感性试验。试验器材包括：解调仪、HHS数显恒温油浴锅、柔性FBG传感器、裸光栅、光纤等[6]。

首先将自制FBG传感器和裸光栅（对照试验）分别通过光纤连接在解调仪上，调整恒温油浴锅的温度，使其稳定在80 ℃；将自制FBG传感器和裸光栅分别浸在油浴锅内，关闭油浴锅的加热系统，使其温度自然降至室温，调整解调仪采集频率为0.5 Hz，开始采集数据；待温度降到室温后开启加热系统，调整目标温度为80 ℃进行升温，当油浴锅温度达到80 ℃时数据采集停止。

1.2.3弯曲试验过程监测

沥青混合料的三点弯曲试验是评价沥青路面抗裂能力的重要手段之一。本文采用如图4所示的动态系统，通过自制的柔性FBG传感器，对弯曲试验中裂纹的扩展进行监测。试验系统主要包括光纤沥青混凝土复合试样、MTS试验机和光纤光栅测试系统。

通过该系统对三点弯曲试验过程中的裂缝的变化进行动态监测。

（1） 混凝土光纤复合试件制作。首先，采用轮碾法成型300 mm×300 mm×50 mm的车辙板，然后切割成为250 mm×30 mm×35 mm的小梁试样；在复合试样跨中位置切出5 mm深度的预裂缝，采用切缝法布设传感光纤，光纤布设如图5所示，沥青混凝土FBG传感器复合试件如图6所示。

（2） 设备连接及参数设定。要求MTS上压头加载速度为10 mm·min-1，小梁跨径为200 mm；OTDR采集频率设定为最大（10 Hz）；用恒温水浴箱对试样进行保温处理，设定水浴箱的温度为25 ℃；光纤光栅解调仪采集频率设定为50 Hz。

弯曲试验步骤包括：将复合试件中的FBG传感器通过传输光纤与光纤光栅解调仪相连；将连接好的复合试样浸在恒温水浴箱中4 h，同时用光纤光栅解调仪采集试件内部温度变化数据，采集频率设定为0.5 Hz；将复合试件置于MTS试验箱的支座上，并且使预裂缝位于跨中位置，使上压头与试样充分接触；依次开启光纤光栅采集系统和MTS试验系统，待裂缝扩展超过1/2试样高度时停止，依次关闭MTS试验系统、光纤光栅解调仪数据采集系统。

2dλ关系试验结果

柔性FBG传感器波长随着裂缝宽度增加的变化如图7所示。从加载开始到加载结束，每隔0.02 mm记录一次中心波长。

由图7（a）可以看出，波长随着加载时间的增加总体呈现上升趋势，上升过程中中心波长呈现波动性的变化，波峰波谷交替出现。由图7（b）可以看出在加载一段时间以后中心波长的上升趋势较加载初期不是很明显，并且波动幅度较大。图7（a）中变化幅度较大的2处分别为0.002 9 nm、0.003 6 nm；图7（b）中变化幅度较大的2处分别为0.071 8 nm、0077 9 nm，可见随着加载时间的增加，中心波长稳定性在降低，这是由于裂缝宽度的增加使柔性FBG传感器径向拉力也增加的缘故。

图8反应了整个加载过程中波长随裂缝宽度的变化关系。由图8可以看出，整体加载过程中波长随裂缝宽度的增加基本呈现线性变化，测试范围为0～17 mm。由此可见，柔性FBG传感器对裂缝宽度具有很好的感知能力，裂缝宽度与波长具有很好的线性关系。

3温度敏感性试验结果分析

温度敏感性试验结果如图9所示。由图9可以看出，柔性FBG传感器和裸光栅对于温度的敏感性不同。对于柔性FBG传感器而言，在自然降温的240 min之内，波长从1 550651 nm降低到1 550093 nm，波长随时间的变化速率为2325×10-3nm·min-1；对于裸光栅而言，在自然降温的240 min之内，波长从1 550.654 nm降低到1 549184 nm，变化速率为6125×10-3 nm·min-1。综上而言，若取波长随温度的变化速率作为温度敏感性的判断标准，则自制柔性FBG传感器的温度敏感性为裸光栅的3796%。这是由于自制柔性FBG传感器在裸光栅表面覆盖了PET和铜丝组成的加强层以及表面的防水层，而PET和防水层都为温度不敏感材料，故相对于裸光栅而言，其对于温度的敏感性较低[7]。

总体而言，温度对于光纤光栅波长变化的影响相对于裂缝宽度的影响非常有限。在从25 ℃至80 ℃的温度变化过程中，当ΔT=55 ℃，裸光栅和自制FBG传感器的波长变化分别为0558 nm和147 nm；在裂缝敏感性试验中，波长变化为446 nm，即在FBG传感器中，温度变化幅度为55 ℃时对于波长的影响仅相当于0.125 nm裂缝对波长的影响。所以，在使用自制柔性FBG传感器对裂缝检测时，可以不用考虑环境温度的影响。

4三点弯曲试验过程监测

4.1FBG传感器温度检测结果

温度变化对FBG传感器的试验结果具有一定的影响，因此在试验开始之前需要对复合试样做保温处理。采用恒温水浴箱，设定温度为25 ℃，用光纤光栅解调仪对复合试样在水浴箱中的温度变化进行监测，结果如图10所示。

4.2裂缝动态监测结果分析

裂缝动态监测试验结果如图11所示。由图11可知，随着加载时间的增加，FBG传感器的波长呈线性变化，FBG传感器的波长λ与裂缝宽度d关系如下

λ=1 549.856+4.463d（1）

加载时间与裂缝宽度的关系如图12所示。由图12可知加载时间t与裂缝张开口宽度具有线性关系，其比例系数为0.725，拟合关系式为

d=0.725t-8.23（2）

5结语

（1） 本文创新性地引入光纤光栅传感技术，通过自制的柔性FBG传感器对弯曲试验中裂纹的扩展进行监测，并结合MTS试验结果分析该监测方法的可行性。由试验结果可知，柔性FBG传感器对裂缝宽度具有很好的感知能力，裂缝宽度与波长具有很好的线性关系。

（2） 自制FBG传感器在裸光栅表面覆盖PET和铜丝，组成加强层以及表面防水层，而PET和防水层都为温度不敏感材料，故相对于裸光栅而言，其对温度的敏感性较低。由试验结果可知，温度对于光纤光栅波长的影响相对于裂缝宽度的影响非常有限。在使用自制FBG传感器对裂缝进行检测过程中，可以不用考虑环境温度的影响。

（3） 由裂缝动态监测结果分析可得，随着试验加载时间的增加，FBG传感器中的波长呈线性变化，加载时间与裂缝张开口宽度也具有线性关系。

参考文献：

[1]欧进萍，周智，武湛君，等.黑龙江呼兰河大桥的光纤光栅智能监测技术[J].土木工程学报，2004，37（1）：4551.

[2]周智，田石柱，欧进萍.光纤传感器在土木工程中的应用[J].建筑结构，2002（5）：6568.

[3]孙宝臣，徐华，李剑芝，等.基于光纤网络的全分布裂缝检测技术研究[J].传感技术学报，2007，20（7）：16721675.

[4]谭忆秋，董泽蛟，田庚亮，等.光纤光栅传感器与沥青混合料协同变形评价方法[J].土木建筑与环境工程，2009（2）：100104.

[5]刘艳萍.橡胶封装 FBG 沥青路面竖向应变传感器的开发与研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008.

[6]刘树龙.光纤 Bragg 光栅在沥青路面性能健康监测中的试验研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[7]申爱琴，蒋庆华.沥青混合料低温抗裂性能评价及影响因素[J].长安大学学报：自然科学版，2004，24（5）：16.

[责任编辑：杜敏浩]