分布式光纤信号响应与荷载运动特征关系研究

赖健聪 杨 群

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室 上海 201804)

当前，车辆重载超载现象严重，许多道路过早地出现病害[1]。为了保证道路交通的安全、高效、舒适，需对交通荷载及道路结构状况进行实时监测。传统监测主要以高清摄像头、感应线圈为主，无法对荷载响应状况做出准确判断[2]。随着智能监测技术和光纤传感技术的快速发展，结合光纤高灵敏度、适应性好、抗电磁干扰、耐高温高压等优点[3]，在道路结构监测中引入光纤传感系统成为可能。由于道路结构内部受力复杂、交通荷载状况多变，光纤传感器的信号不够稳定，信号强度和信号敏感度呈现的规律不显著。为了明确分布式光纤传感器在监测沥青路面时的变化规律，有必要基于室内车辙试验，探究光纤信号强度、敏感度与荷载运动特征间的关系。

为此，借鉴光纤传感监测在其他工程领域的成功应用经验[4]，成型埋置光纤传感器的车辙板试件，通过室内车辙试验模拟不同特征的交通荷载，分析荷载速度和加速度与光纤信号强度和敏感度的相关关系，为光纤传感技术在道路工程中的应用打下基础。

1 分布式光纤传感系统

分布式光纤感知技术是将光纤埋置在沥青道路结构内部，通过采集光纤信号，实现对道路结构状况的监测。在荷载作用下，沥青混凝土结构发生变形，导致光纤出现弯曲损耗，通过监测光纤信号的波动可获取荷载响应的变化情况。分布式光纤传感系统主要由光纤传感器、数据采集设备等组成，其中光纤传感器埋置于沥青混凝土结构中，光纤两端分别连接激光光源和光电探测器，荷载作用时采集光纤波动信号。通过分析光纤信号强度和敏感度与荷载速度和加速度等运动特征的相关关系，实现外部荷载运动特征和道路结构内部光纤信号响应的一体化分析，揭示光纤信号强度和敏感度与荷载速度和加速度参数的内在联系。

2 试验成型与数据采集

本文设计了室内传统车辙试验，成型埋有光纤传感器的车辙板。在车辙板4个不同位置处分别埋置光纤传感器，利用车辙试验中的胶轮来模拟不同速度和加速度的动态荷载，通过分析胶轮运动特征和光纤信号变化情况，揭示不同运动特征的荷载对光纤信号的影响规律。

为了提高光纤的成活率和稳定性，选择0.9 mm单模裸纤和PVC单模光纤作为传感元件[5]，按如下步骤成型双层车辙板结构：①试模准备，分别在传统车辙试模的2个侧板上刻制均匀分布的凹槽，用于引出光纤；②成型下层板，将30 cm×30 cm×2 cm的钢板放入试模中，成型3 cm厚的AC-13沥青混凝土层；③光纤安放，第二步成型的沥青混凝土板静置24 h后，先取出3 cm厚AC-13沥青混凝土层，再将其放入车辙试模中作为下层板。将光纤固定在下层板顶面，光纤从凹槽引出，车辙成型图见图1；④成型上层板，成型2 cm厚的AC-10沥青混凝土层，静置24 h后脱模形成包含光纤传感器的5 cm厚双层板沥青混凝土试件。

施加荷载由车辙试验仪的胶轮提供，为了保证光纤传感器在沥青混凝土结构中处于密实稳定状态，在采集光纤信号前，先开动车辙试验仪，保持加载状态运行10 min，然后再分别采集4根光纤的信号，每次数据采集持续2 min。

图1 车辙板成型

3 车辙试验仪胶轮运动特征分析

为了揭示光纤信号与荷载速度、荷载加速度的关系，首先需要厘清车辙试验中胶轮荷载的运动特征。车辙试验中胶轮采用中心曲柄连杆机构的驱动方式，通过曲柄连杆机构将发动机的匀速圆周运动转化为周期性的变加速运动[6]。其结构示意图见图2，圆心为发动机转轴位置，圆周运动半径为r，在连杆AB的联动下，车辙试验仪胶轮A点做周期性变加速运动，车辙试验仪胶轮活动范围为A′～A″。

图2 曲柄联杆示意

经测量，实验室车辙试验仪的r=0.15 m，l=0.5 m，λ=r/l=0.3。发动机每转动1周，胶轮往返来回1个周期。根据规范，车辙试验中胶轮的运动往返周期为(42±1)次/min(21次往返/min)，计算得发动机转轴的角速度ω=0.7 π rad/s。

以α=0作为胶轮初始状态，此时胶轮位于A′点，发动机转轴作顺时针匀速圆周运动。结合理论力学知识，推导相关参数计算方法见式(1)～(4)。

α=ω·t

(1)

(2)

aA=rω2cosα+rω2λcos(2α)

(3)

(4)

速度-时间曲线、加速度-时间曲线见图3。

图3 速度-时间、加速度-时间曲线

从以上速度-时间、加速度-时间曲线可知，车辙试验仪中胶轮的速度曲线和加速度曲线不是严格的正余弦曲线。t0～t1时间段，胶轮从车辙板一侧边缘到另一侧边缘，此时α从0°变为180°，此过程中，胶轮速度先增大后减小，且速度增大的持续时间较速度减小的持续时间短。加速度值可通过对速度求导获得，在速度曲线上，t0～t4阶段比t4～t1阶段较陡，t0～t4阶段的加速度最大值比t4～t1阶段加速度最大值绝对值大。观察速度曲线可知，t0～t1阶段内，胶轮处于加速状态的时间比处于减速状态的时间长。具体到胶轮的运动特征，垂直胶轮运动方向上的任一断面，分别对应2个荷载速度和加速度，2个速度和加速度大小相同，方向相反。故在车辙试验场景下，胶轮经过光纤位置时的速度和加速度大小只与光纤埋设位置有关，不同位置对应不同的速度和加速度。在埋设4根光纤的车辙板试件中，每根光纤对应的速度加速度大小固定，不会随着时间的变化而变化。

4 光纤信号强度与荷载运动特征关系

选取图 1中1号光纤作为研究对象，对原始信号进行去噪处理[7]，获得去噪后的信号曲线图见图4。

图4 去噪后光纤信号曲线

由图4可知，在周期性动态荷载作用下，光纤信号也呈现出周期性波动特征。其中从0～60 s，光纤信号曲线中共有21个周期，与标准中车辙试验每分钟21个来回的设置一致[7-8]。将图4中的虚线框光纤曲线放大得到图5所示曲线，定义光纤的施载期和空闲期2个施载状态，图5中t1～t3为施载期，t3～t4为空闲期。t1为施载期起始时刻，此时光纤信号强度开始减小，t2时刻光纤信号强度达到极小值，此时荷载经过光纤上方，t3为施载期结束时刻，其值满足t3-t2=t2-t1。t3时刻的光纤信号强度为v20,t4时刻的光纤信号强度为v21，定义光纤信号强度为v2=(v20+v21)/2，定义光纤敏感度为v2-v1。

图5 局部放大信号示意

试验数据包括光纤信号数据和胶轮运动特征数据图见图6，分别是1号光纤和2号光纤的信号曲线，两条虚线分别为胶轮速度曲线和加速度曲线。混凝土试件中，动态荷载作用导致光纤信号变化，光纤信号的波动特征与光纤所在位置、荷载速度、荷载加速度等因素相关。t1，t4，t5时刻，胶轮正好经过1号光纤上方，t2，t3，t6时刻，胶轮正好经过2号光纤上方。1个周期内，荷载经过1号光纤位置处2次，具体来说，t1～t5时段对应胶轮荷载1个完整周期，t1～t4对应胶轮荷载从1号光纤处向另一侧运动至回到1号光纤处，t4～t5对应胶轮从1号光纤处向另一侧运动至回到1号光纤处，看图易得t4-t1>t5-t4，与1号光纤所处位置相符。同理对于2号光纤，有t3-t2>t6-t3，与2号光纤所处位置相符。故在车辙板试件的条件下，可根据光纤所处位置判断光纤信号特征。

图6 光纤信号和胶轮运动特征曲线

综合考虑速度加速度对光纤信号的影响，得到如图7和图8所示的光纤信号-速度-加速度三维散点图，可直观呈现光纤信号与胶轮加速度、速度三者之间的关系。

图7 2号光纤信号-速度-加速度三维散点图

图8 1号光纤信号-速度-加速度三维散点图

光纤信号曲线的波动情况需要从不同方位观察，从速度轴和加速度轴2个方向观察可得到如图9～图12所示的光纤信号曲线。

图9 1号光纤信号-速度曲线

图10 1号光纤信号-加速度曲线

图11 2号光纤信号-速度曲线

图12 2号光纤信号-加速度曲线

单独考虑速度或加速度特征时，二维坐标系中车辙板1号光纤和2号光纤的电压-速度、电压-加速度曲线呈现不同形态特征。

对于1号光纤，结合图6，光纤信号曲线在1个周期内出现2个波谷，第一个波谷出现在速度曲线波峰位置前，第二个波谷出现在速度曲线波谷位置之后，而速度曲线的波峰在电压-速度曲线中出现在横轴最大值处，速度曲线的波谷在电压-速度曲线中出现在横轴最小值处。因此，在1号光纤信号-速度曲线中，2个波谷分布在横轴最大值处左侧和横轴最小值右侧，且光纤信号波谷对应的速度为胶轮经过车辙板1号光纤位置处速度。

对于2号光纤，光纤信号曲线第1个波谷出现在速度曲线波峰位置稍右，第2个波谷出现在速度曲线波谷位置稍左，因此，在2号光纤信号-速度曲线中，2个波谷的分布位置靠近横轴最大值和横轴最小值处，光纤信号波谷对应的速度为胶轮经过车辙板2号光纤位置处速度。

同理，光纤信号-加速度曲线特征也是随着光纤位置的不同而变化。光纤信号车辙板内部不同位置处光纤对应的信号-速度曲线图和信号-加速度曲线图都有各自的形态特征，可结合光纤信号-速度曲线和光纤信号-加速度曲线特征和胶轮运动特征来厘清不同位置处光纤的变化规律特征，为今后道路实际工程中光纤传感器的应用做好准备。

5 光纤信号敏感度与荷载运动特征关系

由于室内车辙试验胶轮运动范围受限，与实际荷载运动状况不符，因此本文提取速度对应的光纤参数进行分析，具体是从连续信号曲线中提取光纤信号敏感度进行分析，目的在于厘清荷载运动速度、加速度与光纤信号敏感度v2-v1间的相关关系。针对埋置在车辙试件中的4根光纤，分别提取胶轮经过光纤处其速度和加速度值。4根光纤信号敏感度及其对应的胶轮速度和加速度值见表1。加速度、速度与光纤信号敏感度的关系如图13和图14所示。由图13可见，随着荷载速度的不断增加，光纤信号敏感度呈现下降趋势。由图14可见，随着荷载加速度的不断增大，光纤信号敏感度呈现增大趋势。

表1 不同位置光纤对应速度、加速度和信号敏感度

图13 光纤信号-速度关系

图14 光纤信号-加速度关系

分析认为，在车辙板试件中，当速度较小时，荷载停留在光纤上方时间较长，而沥青混凝土是黏弹性材料，随着荷载作用时间增长，其变形也随之增大，光纤的微弯效应加强，导致此时光纤信号损失较大，因此光纤信号敏感度随速度增大而减小。加速度大小反应的是胶轮与沥青混凝土之间的相互作用，加速度越大，胶轮和车辙板之间的相互作用越强，沥青混凝土受到荷载的纵向作用力越大，导致沥青混凝土内部推挤作用加强，光纤微弯效应和局部受压增强，导致信号损失增大，从而光纤敏感度增大。

6 结论

1) 在室内车辙试验中，胶轮做周期性变加速运动，驱动方式为曲柄联杆驱动，速度曲线和加速度曲线并非严格的正余弦曲线。实际工程中，交通荷载的速度和加速度特征更为复杂，加之现场荷载大小和接触面积与室内胶轮荷载存在较大区别，还需在道路现场对传感器进行标定复合。持续开展荷载不同运动特征的研究对厘清荷载特征与光纤信号响应之间的关系具有重要意义。

2) 综合考虑胶轮荷载速度加速度与光纤信号强度的关系，形成光纤信号电压-速度-加速度三维散点图，发现车辙板不同位置处光纤信号对应的三维散点图呈现不同特征。未来可建立光纤信号三维散点图库，通过识别光纤信号电压-速度-加速度散点图特征以判定光纤在车辙板内部的横向位置。

3) 室内车辙试验获得相关数据表明随着胶轮荷载速度的增大，光纤信号敏感度呈现减小趋势；随着胶轮荷载加速度的增大，光纤信号敏感度呈现加大趋势。实际道路工程应用中，模拟室内车辙双层板的形式，将光纤传感器埋置与面层之下，数据标定后根据光纤信号敏感度特征反推荷载速度和加速度大小。未来可通过定期检测光纤信号强度衰减值，获得路面模量变化情况，反映路面结构的演变趋势。