专利名称：Lpfg横向负载方向特性监测方法及路面压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于谐振峰幅值调制的紫外光写入长周期光纤光栅横向负载敏 感特性监测方法及基于横向负载特性的浙青路面压力传感器，属于土木工程传感器测试领 域。
背景技术：
长周期光纤光栅(以下简称LPre)是一种基于纤芯导模与包层模式耦合理论的传 感性光栅，其传感原理为在光纤内传输的同向模式之间在外部介质参量使光纤满足相位匹 配条件时将产生谐振耦合，使光波中某频带的光耦合到包层中而损耗掉，从而对介质参量 进行检测。LPre对其所受的横向负载变化非常敏感，进而可以得到周围环境中横向负载力大 小。同时，由于光栅制作过程中紫外光单侧入射导致其写入的LPre横截面折射率分布不均 勻以及介质中存在弹性应力或应变时介质的光学性质(折射率)的变化，使得LPre谐振光 谱的横向负载灵敏度具有方向相关性。目前使用长周期光纤光栅监测横向负载的主要方法有通过谐振峰波长或谐振峰 幅值作为参变量进行监测，其中，对CO2激光脉冲写入的LPre横向负载方向特性的监测方 法为通过谐振峰波长作为参变量进行监测。2004年8月武汉理工大学何伟等人在《武汉 理工大学学报》中发表的文章“长周期光纤光栅横向压力传感特性的研究”中对LPre横向 负载特性进行了初步实验，初步验证普通单模光纤中长周期光纤光栅的双折射效应对光纤 横向压力具有很高的灵敏度和良好的线性响应，其灵敏度比光纤布喇格光栅高出2个数量 级，并得出LPre谐振峰波长与横向负载的对应关系。2005年8月，重庆大学王义平等人在 《光子学报》中发表的文章“新型长周期光纤光栅的横向负载特性及其偏振相关性研究”中 不仅验证了 LPre的横向负载敏感特性，还在国际上首次发现高频CO2激光脉冲写入的LPre 谐振波长的横向负载特性具有较强的方向相关性，即在圆周0° 180°范围内存在一个 谐振波长发生“红”移最敏感的负载方向和发生“蓝”移最敏感的负载方向，以及两个对横 向负载不敏感的方向，并且在谐振波长对横向负载比较敏感的圆周方向，谐振波长随负载 的变化线性漂移。但由于该方法是基于LPre谐振峰波长调制，且LPre谐振峰波长对传感 探头附近温度、轴向应变、折射率等变化也具有很好的灵敏性，使得该方法的易受温度等环 境参量的影响，并没有完全实现光纤光栅传感器不易受外界干扰的目的。2003年11月，重 庆大学胡爱姿等人在《光子学报》中发表的文章“基于新型长周期光纤光栅的动态横向负荷 传感器”中，初步对LPre谐振峰幅值与横向负载的关系进行了研究，但对其方向特性并未进 行相关研究。浙青路面(Asphalt Pavements)是高等级道路的主要类型。美国公路统计年报 (Highway Statistics)显示，全美390万公里铺装路面的公路中，浙青路面占94%。我国 《2005年公路水路交通行业发展统计公报》表明截止2005年底，全国公路总里程达到193 万公里，高速公路4. 1万公里，稳居世界第二，其中95%为浙青路面。浙青路面已成为我国骨干公路路面的主要形式。然而随着公路事业的飞速发展，所暴露出的技术问题也十分 严重，浙青路面的早期损害问题越来越多地引起了道路工作者的重视，已成为影响我国公 路事业健康发展的突出矛盾，主要表现在坑槽、龟裂、车辙、裂缝、隆起、松散、露骨、水损伤 等，这些道路病害直接影响道路的通车效率和行车安全。同时，由于交通荷载、环境因素的 反复作用以及路面结构本身的材料组成，结构施工和养护水平等条件的变异，导致路面产 生不同程度、不同形式的破坏，以至于丧失正常的工作能力。为了促进我国公路交通基础设施的健康发展，浙青路面内部应变场监测有着重要 的意义。研究不同路面结构层在不同荷载作用下，各层之间的荷载传递规律、应变规律以及 不同结构层应力、应变受温度影响的变化规律显得非常重要，这些规律在浙青路面的长期 运营、养护当中具有很强的指导作用。尤为重要的是，这些规律往往是变化的。因此，对于 浙青路面来说，建立一个长期、有效的内部应变监测系统具有重要的意义。目前研究最为广泛的浙青路面内部应变监测系统主要为电磁传感技术监测、传统 的电阻应变片监测和振弦式应变传感监测。以电磁传感技术为基础的监测系统，其线性度 差，对电磁的抗干扰性能差，仪器较为笨重，电测数据的稳定性和可靠性不强，无法长期稳 定并及时地提供准确的监测信息，且不适于实际工程结构，尤其是施工及服役环境恶劣的 路面工程结构。传统的电阻应变片监测系统，作为短期应变测量还是能满足工程要求的，但 其受环境影响较大，温漂和零温的影响会导致长期应变测试结果严重失真。振弦式应变传 感系统是通过传感器中钢弦在电磁激励下频率信号来反映结构的应变大小，其灵敏度和稳 定性也较好，但由于钢弦蠕变的存在，钢弦式应变传感器的正常使用寿命较短，使用也不是 很方便，不适合大规模集成使用。由于光纤传感系统具有质量轻、直径细、体积小、耐腐蚀等独特的优点，使得基于 光纤传感的浙青路面结构健康监测技术研究与应用成为当前国内外土木工程领域研究者 们重点关注的新热点。目前使用光纤光栅监测浙青路面应变的主要方法为光纤Bragg光 栅应变传感器监测。其原理为利用光纤Bragg光栅(FBG)随外界环境应变变化而按照一定 的关系调制Bragg波长λΒ，即通过对波长的监测实现对待测环境应变的监测。FBG应变 传感器的主要优点是易用、不受电磁干扰、破坏应变高达2%以及容易实现多路技术。尽管 FBG传感器是智能结构应用的普遍的选择，但是它们潜在的缺陷使测得的应变具有三维特 征，即光栅的局部弯曲与冲击会影响轴向应变值，使得监测结果存在偏差，同时与LPre相 比，FBG传感器的监测精度较低，且外界干扰性较大。
发明内容
本发明的目的在于克服原有LPre横向负载监测中的易受温度等环境参量影响以 及电磁干扰较大等缺点，提供一种灵敏度高、不易受干扰的LPre横向负载监测方法。一种基于谐振峰幅值调制的紫外光写入LPre横向负载方向特性的监测方法，其 特征在于包括以下过程(1)、长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域标定；(1-1)将长周期光纤光栅沿圆周360度方向标定为知=Α+(η-1)Β度，其中，A为 初始任意角度，B为单次旋转变化角度，η为大于等于1的自然数，且(n-l)B < 360度；(1-2)、对上述圆周方向所有标定角度下的长周期光纤光栅横向负载特性进行实验研究； (1-3)、通过实验数据标定上述％角度下长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载 关系曲线的线性区，记为 an = (mminll, mmaxll，kn)，a12 = (mminl2, mmaxl2，k12)，...，a· = (mmin ，mfflax kj，其中，m代表 角度下长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线中所 包含的线性区段数，可表示为i、j、q...，mmin代表关系曲线中该线性段横向负载的最小值， mmax代表关系曲线中该线性段横向负载的最大值，k代表该线性段的斜率，即灵敏度，组成矩 阵如下
权利要求
1. 一种LPre横向负载方向特性监测方法，其特征在于包括以下过程 (1)、长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域标定； (1-1)将长周期光纤光栅沿圆周360度方向标定为％ = A+(n-l)B度，其中，A为初始 任意角度，B为单次旋转变化角度，η为大于等于1的自然数，且(n-l)B ≤ 360度；(1-2)、对上述圆周方向所有标定角度下的长周期光纤光栅横向负载特性进行实验研究；(1-3)、通过实验数据标定上述％角度下长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系 曲线的线 生区，i己为 Ei11 = (mminll，mmaxll, kn)，a12 = (mminl2, mmaxl2, k12)，· · ·，Einm = (mmin mmax ，kj，其中，m代表％角度下长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线中所包含的 线性区段数，可表示为i、j、q. . .，mmin代表关系曲线中该线性段横向负载的最小值，mmax代 表关系曲线中该线性段横向负载的最大值，k代表该线性段的斜率，即灵敏度，组成矩阵如 下
2.—种LPre横向负载方向特性监测方法，其特征在于包括以下过程 (1)、长周期光纤光栅0度方向标定，(1-1)将长周期光纤光栅沿圆周360度方向标定为％ = Α+(η-1)Β度，其中，A为初始 任意角度，B为单次旋转变化角度，η为大于等于1的自然数，且(n-l)B < 360度；(1-2)、对上述圆周方向所有标定角度下的长周期光纤光栅横向负载特性进行实验研究；(1-3)、将长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域最长、线性度最好 的％角度圆周方向作为长周期光纤光栅的0度方向；O)、将长周期光纤光栅的0度方向作为初始受力面方向，旋转长周期光纤光栅的圆周 角度，进行不同圆周方向的压力监测。
3.一种利用权利要求1所述LPre横向负载方向特性监测方法实现浙青路面压力监测 的LPre横向负载方向特性监测路面压力传感器，其特征在于包括浙青封装体(11)、封装 于浙青封装体内的相互平行的LPre(4)与匹配光纤(7)，浙青封装体内还封装有分压装置 (9) ；LPFG(4)两端伸出浙青封装体(11)并与用于调节LPre角度的角度调节装置(14)相 连。
4.根据权利要求3所述的LPre横向负载方向特性监测路面压力传感器，其特征在于 上述分压装置为杠杆原理结构。
全文摘要
本发明涉及一种基于谐振幅值调制的LPFG横向负载方向特性监测方法及沥青路面压力传感器，属于光学传感测试领域。该方法包括以下步骤(1)长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系曲线线性区域标定；(2)横向负载监测时，选择所有外加载荷变化范围全部落入线性区域的线性段，在上述符合条件的线性段中选择灵敏度最高的线性段所对应的角度作为受力面；(3)利用长周期光纤光栅谐振峰幅值与横向负载关系特性进行压力监测。该方法灵敏度高、不易受干扰。
文档编号G01L1/24GK102109395SQ20101015847
公开日2011年6月29日 申请日期2010年4月27日 优先权日2010年4月27日
发明者刘宏月, 叶婷, 周怡妃, 孙玮, 曾捷, 梁大开 申请人:南京航空航天大学