分布式光纖信號(hào)響應(yīng)與荷載運(yùn)動(dòng)特征關(guān)系研究

賴健聰 楊 群

(同濟(jì)大學(xué)道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 上海 201804)

當(dāng)前，車輛重載超載現(xiàn)象嚴(yán)重，許多道路過早地出現(xiàn)病害[1]。為了保證道路交通的安全、高效、舒適，需對(duì)交通荷載及道路結(jié)構(gòu)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)主要以高清攝像頭、感應(yīng)線圈為主，無法對(duì)荷載響應(yīng)狀況做出準(zhǔn)確判斷[2]。隨著智能監(jiān)測(cè)技術(shù)和光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，結(jié)合光纖高靈敏度、適應(yīng)性好、抗電磁干擾、耐高溫高壓等優(yōu)點(diǎn)[3]，在道路結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)中引入光纖傳感系統(tǒng)成為可能。由于道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部受力復(fù)雜、交通荷載狀況多變，光纖傳感器的信號(hào)不夠穩(wěn)定，信號(hào)強(qiáng)度和信號(hào)敏感度呈現(xiàn)的規(guī)律不顯著。為了明確分布式光纖傳感器在監(jiān)測(cè)瀝青路面時(shí)的變化規(guī)律，有必要基于室內(nèi)車轍試驗(yàn)，探究光纖信號(hào)強(qiáng)度、敏感度與荷載運(yùn)動(dòng)特征間的關(guān)系。

為此，借鑒光纖傳感監(jiān)測(cè)在其他工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)[4]，成型埋置光纖傳感器的車轍板試件，通過室內(nèi)車轍試驗(yàn)?zāi)M不同特征的交通荷載，分析荷載速度和加速度與光纖信號(hào)強(qiáng)度和敏感度的相關(guān)關(guān)系，為光纖傳感技術(shù)在道路工程中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 分布式光纖傳感系統(tǒng)

分布式光纖感知技術(shù)是將光纖埋置在瀝青道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通過采集光纖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)道路結(jié)構(gòu)狀況的監(jiān)測(cè)。在荷載作用下，瀝青混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，導(dǎo)致光纖出現(xiàn)彎曲損耗，通過監(jiān)測(cè)光纖信號(hào)的波動(dòng)可獲取荷載響應(yīng)的變化情況。分布式光纖傳感系統(tǒng)主要由光纖傳感器、數(shù)據(jù)采集設(shè)備等組成，其中光纖傳感器埋置于瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中，光纖兩端分別連接激光光源和光電探測(cè)器，荷載作用時(shí)采集光纖波動(dòng)信號(hào)。通過分析光纖信號(hào)強(qiáng)度和敏感度與荷載速度和加速度等運(yùn)動(dòng)特征的相關(guān)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)外部荷載運(yùn)動(dòng)特征和道路結(jié)構(gòu)內(nèi)部光纖信號(hào)響應(yīng)的一體化分析，揭示光纖信號(hào)強(qiáng)度和敏感度與荷載速度和加速度參數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系。

2 試驗(yàn)成型與數(shù)據(jù)采集

本文設(shè)計(jì)了室內(nèi)傳統(tǒng)車轍試驗(yàn)，成型埋有光纖傳感器的車轍板。在車轍板4個(gè)不同位置處分別埋置光纖傳感器，利用車轍試驗(yàn)中的膠輪來模擬不同速度和加速度的動(dòng)態(tài)荷載，通過分析膠輪運(yùn)動(dòng)特征和光纖信號(hào)變化情況，揭示不同運(yùn)動(dòng)特征的荷載對(duì)光纖信號(hào)的影響規(guī)律。

為了提高光纖的成活率和穩(wěn)定性，選擇0.9 mm單模裸纖和PVC單模光纖作為傳感元件[5]，按如下步驟成型雙層車轍板結(jié)構(gòu)：①試模準(zhǔn)備，分別在傳統(tǒng)車轍試模的2個(gè)側(cè)板上刻制均勻分布的凹槽，用于引出光纖；②成型下層板，將30 cm×30 cm×2 cm的鋼板放入試模中，成型3 cm厚的AC-13瀝青混凝土層；③光纖安放，第二步成型的瀝青混凝土板靜置24 h后，先取出3 cm厚AC-13瀝青混凝土層，再將其放入車轍試模中作為下層板。將光纖固定在下層板頂面，光纖從凹槽引出，車轍成型圖見圖1；④成型上層板，成型2 cm厚的AC-10瀝青混凝土層，靜置24 h后脫模形成包含光纖傳感器的5 cm厚雙層板瀝青混凝土試件。

施加荷載由車轍試驗(yàn)儀的膠輪提供，為了保證光纖傳感器在瀝青混凝土結(jié)構(gòu)中處于密實(shí)穩(wěn)定狀態(tài)，在采集光纖信號(hào)前，先開動(dòng)車轍試驗(yàn)儀，保持加載狀態(tài)運(yùn)行10 min，然后再分別采集4根光纖的信號(hào)，每次數(shù)據(jù)采集持續(xù)2 min。

圖1 車轍板成型

3 車轍試驗(yàn)儀膠輪運(yùn)動(dòng)特征分析

為了揭示光纖信號(hào)與荷載速度、荷載加速度的關(guān)系，首先需要厘清車轍試驗(yàn)中膠輪荷載的運(yùn)動(dòng)特征。車轍試驗(yàn)中膠輪采用中心曲柄連桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式，通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)將發(fā)動(dòng)機(jī)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為周期性的變加速運(yùn)動(dòng)[6]。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖2，圓心為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸位置，圓周運(yùn)動(dòng)半徑為r，在連桿AB的聯(lián)動(dòng)下，車轍試驗(yàn)儀膠輪A點(diǎn)做周期性變加速運(yùn)動(dòng)，車轍試驗(yàn)儀膠輪活動(dòng)范圍為A′～A″。

圖2 曲柄聯(lián)桿示意

經(jīng)測(cè)量，實(shí)驗(yàn)室車轍試驗(yàn)儀的r=0.15 m，l=0.5 m，λ=r/l=0.3。發(fā)動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)1周，膠輪往返來回1個(gè)周期。根據(jù)規(guī)范，車轍試驗(yàn)中膠輪的運(yùn)動(dòng)往返周期為(42±1)次/min(21次往返/min)，計(jì)算得發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的角速度ω=0.7 π rad/s。

以α=0作為膠輪初始狀態(tài)，此時(shí)膠輪位于A′點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸作順時(shí)針勻速圓周運(yùn)動(dòng)。結(jié)合理論力學(xué)知識(shí)，推導(dǎo)相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法見式(1)～(4)。

α=ω·t

(1)

(2)

aA=rω2cosα+rω2λcos(2α)

(3)

(4)

速度-時(shí)間曲線、加速度-時(shí)間曲線見圖3。

圖3 速度-時(shí)間、加速度-時(shí)間曲線

從以上速度-時(shí)間、加速度-時(shí)間曲線可知，車轍試驗(yàn)儀中膠輪的速度曲線和加速度曲線不是嚴(yán)格的正余弦曲線。t0～t1時(shí)間段，膠輪從車轍板一側(cè)邊緣到另一側(cè)邊緣，此時(shí)α從0°變?yōu)?80°，此過程中，膠輪速度先增大后減小，且速度增大的持續(xù)時(shí)間較速度減小的持續(xù)時(shí)間短。加速度值可通過對(duì)速度求導(dǎo)獲得，在速度曲線上，t0～t4階段比t4～t1階段較陡，t0～t4階段的加速度最大值比t4～t1階段加速度最大值絕對(duì)值大。觀察速度曲線可知，t0～t1階段內(nèi)，膠輪處于加速狀態(tài)的時(shí)間比處于減速狀態(tài)的時(shí)間長。具體到膠輪的運(yùn)動(dòng)特征，垂直膠輪運(yùn)動(dòng)方向上的任一斷面，分別對(duì)應(yīng)2個(gè)荷載速度和加速度，2個(gè)速度和加速度大小相同，方向相反。故在車轍試驗(yàn)場(chǎng)景下，膠輪經(jīng)過光纖位置時(shí)的速度和加速度大小只與光纖埋設(shè)位置有關(guān)，不同位置對(duì)應(yīng)不同的速度和加速度。在埋設(shè)4根光纖的車轍板試件中，每根光纖對(duì)應(yīng)的速度加速度大小固定，不會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。

4 光纖信號(hào)強(qiáng)度與荷載運(yùn)動(dòng)特征關(guān)系

選取圖 1中1號(hào)光纖作為研究對(duì)象，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行去噪處理[7]，獲得去噪后的信號(hào)曲線圖見圖4。

圖4 去噪后光纖信號(hào)曲線

由圖4可知，在周期性動(dòng)態(tài)荷載作用下，光纖信號(hào)也呈現(xiàn)出周期性波動(dòng)特征。其中從0～60 s，光纖信號(hào)曲線中共有21個(gè)周期，與標(biāo)準(zhǔn)中車轍試驗(yàn)每分鐘21個(gè)來回的設(shè)置一致[7-8]。將圖4中的虛線框光纖曲線放大得到圖5所示曲線，定義光纖的施載期和空閑期2個(gè)施載狀態(tài)，圖5中t1～t3為施載期，t3～t4為空閑期。t1為施載期起始時(shí)刻，此時(shí)光纖信號(hào)強(qiáng)度開始減小，t2時(shí)刻光纖信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到極小值，此時(shí)荷載經(jīng)過光纖上方，t3為施載期結(jié)束時(shí)刻，其值滿足t3-t2=t2-t1。t3時(shí)刻的光纖信號(hào)強(qiáng)度為v20,t4時(shí)刻的光纖信號(hào)強(qiáng)度為v21，定義光纖信號(hào)強(qiáng)度為v2=(v20+v21)/2，定義光纖敏感度為v2-v1。

圖5 局部放大信號(hào)示意

試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括光纖信號(hào)數(shù)據(jù)和膠輪運(yùn)動(dòng)特征數(shù)據(jù)圖見圖6，分別是1號(hào)光纖和2號(hào)光纖的信號(hào)曲線，兩條虛線分別為膠輪速度曲線和加速度曲線。混凝土試件中，動(dòng)態(tài)荷載作用導(dǎo)致光纖信號(hào)變化，光纖信號(hào)的波動(dòng)特征與光纖所在位置、荷載速度、荷載加速度等因素相關(guān)。t1，t4，t5時(shí)刻，膠輪正好經(jīng)過1號(hào)光纖上方，t2，t3，t6時(shí)刻，膠輪正好經(jīng)過2號(hào)光纖上方。1個(gè)周期內(nèi)，荷載經(jīng)過1號(hào)光纖位置處2次，具體來說，t1～t5時(shí)段對(duì)應(yīng)膠輪荷載1個(gè)完整周期，t1～t4對(duì)應(yīng)膠輪荷載從1號(hào)光纖處向另一側(cè)運(yùn)動(dòng)至回到1號(hào)光纖處，t4～t5對(duì)應(yīng)膠輪從1號(hào)光纖處向另一側(cè)運(yùn)動(dòng)至回到1號(hào)光纖處，看圖易得t4-t1>t5-t4，與1號(hào)光纖所處位置相符。同理對(duì)于2號(hào)光纖，有t3-t2>t6-t3，與2號(hào)光纖所處位置相符。故在車轍板試件的條件下，可根據(jù)光纖所處位置判斷光纖信號(hào)特征。

圖6 光纖信號(hào)和膠輪運(yùn)動(dòng)特征曲線

綜合考慮速度加速度對(duì)光纖信號(hào)的影響，得到如圖7和圖8所示的光纖信號(hào)-速度-加速度三維散點(diǎn)圖，可直觀呈現(xiàn)光纖信號(hào)與膠輪加速度、速度三者之間的關(guān)系。

圖7 2號(hào)光纖信號(hào)-速度-加速度三維散點(diǎn)圖

圖8 1號(hào)光纖信號(hào)-速度-加速度三維散點(diǎn)圖

光纖信號(hào)曲線的波動(dòng)情況需要從不同方位觀察，從速度軸和加速度軸2個(gè)方向觀察可得到如圖9～圖12所示的光纖信號(hào)曲線。

圖9 1號(hào)光纖信號(hào)-速度曲線

圖10 1號(hào)光纖信號(hào)-加速度曲線

圖11 2號(hào)光纖信號(hào)-速度曲線

圖12 2號(hào)光纖信號(hào)-加速度曲線

單獨(dú)考慮速度或加速度特征時(shí)，二維坐標(biāo)系中車轍板1號(hào)光纖和2號(hào)光纖的電壓-速度、電壓-加速度曲線呈現(xiàn)不同形態(tài)特征。

對(duì)于1號(hào)光纖，結(jié)合圖6，光纖信號(hào)曲線在1個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)2個(gè)波谷，第一個(gè)波谷出現(xiàn)在速度曲線波峰位置前，第二個(gè)波谷出現(xiàn)在速度曲線波谷位置之后，而速度曲線的波峰在電壓-速度曲線中出現(xiàn)在橫軸最大值處，速度曲線的波谷在電壓-速度曲線中出現(xiàn)在橫軸最小值處。因此，在1號(hào)光纖信號(hào)-速度曲線中，2個(gè)波谷分布在橫軸最大值處左側(cè)和橫軸最小值右側(cè)，且光纖信號(hào)波谷對(duì)應(yīng)的速度為膠輪經(jīng)過車轍板1號(hào)光纖位置處速度。

對(duì)于2號(hào)光纖，光纖信號(hào)曲線第1個(gè)波谷出現(xiàn)在速度曲線波峰位置稍右，第2個(gè)波谷出現(xiàn)在速度曲線波谷位置稍左，因此，在2號(hào)光纖信號(hào)-速度曲線中，2個(gè)波谷的分布位置靠近橫軸最大值和橫軸最小值處，光纖信號(hào)波谷對(duì)應(yīng)的速度為膠輪經(jīng)過車轍板2號(hào)光纖位置處速度。

同理，光纖信號(hào)-加速度曲線特征也是隨著光纖位置的不同而變化。光纖信號(hào)車轍板內(nèi)部不同位置處光纖對(duì)應(yīng)的信號(hào)-速度曲線圖和信號(hào)-加速度曲線圖都有各自的形態(tài)特征，可結(jié)合光纖信號(hào)-速度曲線和光纖信號(hào)-加速度曲線特征和膠輪運(yùn)動(dòng)特征來厘清不同位置處光纖的變化規(guī)律特征，為今后道路實(shí)際工程中光纖傳感器的應(yīng)用做好準(zhǔn)備。

5 光纖信號(hào)敏感度與荷載運(yùn)動(dòng)特征關(guān)系

由于室內(nèi)車轍試驗(yàn)?zāi)z輪運(yùn)動(dòng)范圍受限，與實(shí)際荷載運(yùn)動(dòng)狀況不符，因此本文提取速度對(duì)應(yīng)的光纖參數(shù)進(jìn)行分析，具體是從連續(xù)信號(hào)曲線中提取光纖信號(hào)敏感度進(jìn)行分析，目的在于厘清荷載運(yùn)動(dòng)速度、加速度與光纖信號(hào)敏感度v2-v1間的相關(guān)關(guān)系。針對(duì)埋置在車轍試件中的4根光纖，分別提取膠輪經(jīng)過光纖處其速度和加速度值。4根光纖信號(hào)敏感度及其對(duì)應(yīng)的膠輪速度和加速度值見表1。加速度、速度與光纖信號(hào)敏感度的關(guān)系如圖13和圖14所示。由圖13可見，隨著荷載速度的不斷增加，光纖信號(hào)敏感度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由圖14可見，隨著荷載加速度的不斷增大，光纖信號(hào)敏感度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。

表1 不同位置光纖對(duì)應(yīng)速度、加速度和信號(hào)敏感度

圖13 光纖信號(hào)-速度關(guān)系

圖14 光纖信號(hào)-加速度關(guān)系

分析認(rèn)為，在車轍板試件中，當(dāng)速度較小時(shí)，荷載停留在光纖上方時(shí)間較長，而瀝青混凝土是黏彈性材料，隨著荷載作用時(shí)間增長，其變形也隨之增大，光纖的微彎效應(yīng)加強(qiáng)，導(dǎo)致此時(shí)光纖信號(hào)損失較大，因此光纖信號(hào)敏感度隨速度增大而減小。加速度大小反應(yīng)的是膠輪與瀝青混凝土之間的相互作用，加速度越大，膠輪和車轍板之間的相互作用越強(qiáng)，瀝青混凝土受到荷載的縱向作用力越大，導(dǎo)致瀝青混凝土內(nèi)部推擠作用加強(qiáng)，光纖微彎效應(yīng)和局部受壓增強(qiáng)，導(dǎo)致信號(hào)損失增大，從而光纖敏感度增大。

6 結(jié)論

1) 在室內(nèi)車轍試驗(yàn)中，膠輪做周期性變加速運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式為曲柄聯(lián)桿驅(qū)動(dòng)，速度曲線和加速度曲線并非嚴(yán)格的正余弦曲線。實(shí)際工程中，交通荷載的速度和加速度特征更為復(fù)雜，加之現(xiàn)場(chǎng)荷載大小和接觸面積與室內(nèi)膠輪荷載存在較大區(qū)別，還需在道路現(xiàn)場(chǎng)對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定復(fù)合。持續(xù)開展荷載不同運(yùn)動(dòng)特征的研究對(duì)厘清荷載特征與光纖信號(hào)響應(yīng)之間的關(guān)系具有重要意義。

2) 綜合考慮膠輪荷載速度加速度與光纖信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系，形成光纖信號(hào)電壓-速度-加速度三維散點(diǎn)圖，發(fā)現(xiàn)車轍板不同位置處光纖信號(hào)對(duì)應(yīng)的三維散點(diǎn)圖呈現(xiàn)不同特征。未來可建立光纖信號(hào)三維散點(diǎn)圖庫，通過識(shí)別光纖信號(hào)電壓-速度-加速度散點(diǎn)圖特征以判定光纖在車轍板內(nèi)部的橫向位置。

3) 室內(nèi)車轍試驗(yàn)獲得相關(guān)數(shù)據(jù)表明隨著膠輪荷載速度的增大，光纖信號(hào)敏感度呈現(xiàn)減小趨勢(shì)；隨著膠輪荷載加速度的增大，光纖信號(hào)敏感度呈現(xiàn)加大趨勢(shì)。實(shí)際道路工程應(yīng)用中，模擬室內(nèi)車轍雙層板的形式，將光纖傳感器埋置與面層之下，數(shù)據(jù)標(biāo)定后根據(jù)光纖信號(hào)敏感度特征反推荷載速度和加速度大小。未來可通過定期檢測(cè)光纖信號(hào)強(qiáng)度衰減值，獲得路面模量變化情況，反映路面結(jié)構(gòu)的演變趨勢(shì)。