CN111256869A - 一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器及布置方法 - Google Patents
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Abstract
一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器及布置方法，属于路面结构分布式光纤温度监测领域。发明为了解决现有技术中路用光纤传感器空间分辨率低以及布设工艺可操作性低的问题，本发明提供了一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，所述传感器包括扣盖、圆柱形弹性体、套筒、分布式光纤和底板，所述分布式光纤缠绕在圆柱形弹性体上，圆柱形弹性体设置在套筒中，扣盖扣装在套筒上，套筒固接在底板上，同时提供了上述光纤传感器的布置方法，本发明主要用于沿深度方向对路面结构内部进行高空间分辨率的温度场监测。
Description
技术领域
本发明涉及路面结构分布式光纤温度监测领域，具体涉及一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器及布置方法。
背景技术
现阶段使用广泛的水泥混凝土路面以及沥青路面所采用的材料均为温度敏感性材料，尤其是沥青路面，沥青混合料作为典型的粘弹性材料，其材料力学参数受温度影响明显，温度对路面结构力学响应以及长期使用性能有重要影响。因此，掌握路面结构内部温度，对于路面长期实时性能监测是极为必要的。
目前已有多种多样的路面结构点式温度传感器，例如振弦式温度传感器、热电式温度传感器以及光纤光栅式温度传感器。点式温度传感器，考虑现场的实际路面结构施工状况，通常仅在路面各结构层底部埋设，获取各层位分离界面处的路面温度。但是由于太阳辐射、热传导等作用，路面内部的温度是沿深度方向不断变化，具有温度梯度。采用点式温度传感器获取的温度数据无法满足路面长期性能的分析与评估要求。另外，点式温度传感器其布设工艺要求较高，需要紧跟施工进度，逐层施工、逐层布设，对于已经完工的路面结构则需要采用挖坑的形式进行埋设，严重影响路面结构整体性，降低路面结构长期使用性能。
为了弥补以上种类温度传感器的缺点和不足，提出了一种基于分布式光纤监测技术的路面结构内部温度场测试传感器。分布式光纤传感器以其抗腐蚀性及电磁干扰性能强、耐久性好、几何变形能力强、可监测沿线多物理量、监测精度高、可实现长距离监测及大容量传输等优点，在土木工程、航空航天、石油化工、电力、医疗、船舶工业等领域获得了广泛应用。但是值得提及的是，分布式光纤监测技术面临空间分辨率不足的缺点，一般而言，现有分布式光纤监测技术的空间分辨率为0.5～1米，而为了描述完整的路面内部温度场，温度的测试空间分辨率应达到1厘米甚至是毫米级。很明显，现有的分布式光纤监测技术无法满足路面结构温度监测所需的空间分辨率要求。
因此，研制一种具有高空间分辨率，且布设工艺适应性及可操作性强，不会破坏路面整体性，能够测试任意深度位置温度的路用光纤传感器，是该领域技术人员亟需解决的一个问题。
发明内容
本发明为了解决现有技术中路用光纤传感器空间分辨率低以及布设工艺可操作性低的问题，进而提供一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器及布置方法；
一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，所述传感器包括扣盖、圆柱形弹性体、套筒、分布式光纤和底板，所述分布式光纤缠绕在圆柱形弹性体上，圆柱形弹性体设置在套筒中，扣盖扣装在套筒的顶端，套筒的底端固接在底板上；
进一步地，所述扣盖的下方设有圆柱扣合体，且圆柱扣合体的一端与扣盖底面一体设置，圆柱扣合体上加工有切割缺口；
进一步地，所述圆柱形弹性体外圆面上设有凸起式螺纹，且凸起式螺纹与圆柱形弹性体一体设置，所述分布式光纤沿着凸起式螺纹旋向缠绕在圆柱形弹性体上；
进一步地，所述分布式光纤与凸起式螺纹之间设有护套，护套套设在分布式光纤上；
进一步地，所述套筒的顶端加工有贯通式注胶槽；
进一步地，所述套筒的外圆面均布加工有N个圆形孔洞，N为正整数；
进一步地，所述套筒的外圆面上沿竖直方向加工有一条切割缝，且切割缝的一端与切割缺口对应设置；
进一步地，所述的切割缝的端部的一侧于套筒外壁上加工有弧形平滑切口，弧形平滑切口的宽度和切割缝的宽度之和小于切割缺口的宽度；
进一步地，一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的布置方法，所述方法是通过如下步骤实现的：
步骤一：根据实际路面结构温度监测要求，计算路用光纤传感器的空间分辨率；
确定圆柱形弹性体的高度H、不包含凸起式螺纹部分宽度的柱形弹性体直径D、带包覆护套的分布式光纤直径d、所采用解调设备的测温空间分辨率M0，以及凸起式螺纹的螺距d0，通过以上物理量可计算本发明测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的空间分辨率M1，具体计算公式如下：
圆柱形弹性体的高度H即为传感器的测试深度范围；
步骤二：确定步骤一中的参数后，组装路用光纤传感器；
将分布式光纤缠绕在弹性体上，并用导热胶进行胶结固定，待导热胶凝固后，将圆柱形弹性体缓慢放置进套筒中，并将分布式光纤从套筒的弧形平滑切口中导出，若采用双端监测技术，则依照前面所述操作，将光纤两端均从套筒的弧形平滑切口中导出，并用导热胶将分布式光纤与弧形平滑切口进行胶结固定，等待胶体凝固；
步骤三：选择合适的安置位置，将步骤二中组装后的路用光纤传感器安装在指定位置；
为避免车辆荷载对路面结构温度监测的影响，通常将温度传感器埋设与路肩处或中央分隔带中。确定温度传感器所要埋设的具体位置，利用取芯机对路面结构进行取芯操作，将上述安装好的圆柱形弹性体和套筒缓慢放置于芯槽中，选用导热性及流动性好的胶灌入注胶缝中，使传感器与周围路面结构胶结成为整体，注胶缝中的胶体凝固后，沿着扣盖的圆柱扣合体涂抹上导热胶，将扣盖盖入套筒中，等待胶体凝固，完成该测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的全部安装与埋设工作。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明与现有技术中的温度传感器相比，可对路面结构内部温度场进行测试，满足道路工程领域对路面结构任意深度处温度进行长期实时监测的需求。
2、本发明与现有技术中的温度传感器相比，采用分布式光纤，其灵敏度高，化学稳定性好，可实现长距离大范围的长期组网温度监测。
3、本发明与现有技术中的温度传感器相比，对于分布式光纤采用了螺纹保护、套筒保护以及封胶保护等多重保护措施，降低了装置的损坏率，提高了其使用寿命。
4、本发明装置的体积可任意调节，可根据路面温度监测的实际需求，通过调整弹性体的直径与高度来进行路面内部沿深度任意空间分辨率的温度监测，适应性及可变性强。
5、本发明整体采用规则的圆柱体，与路面结构的施工装置取芯机相适应，可直接利用取芯机钻孔取芯，进行装置的安装埋设工作。
6、本发明适用于任何地区任何施工进度的路面结构，且不会破坏路面结构整体性，可操作性强，排除了因操作不熟练或方式不同所引起的路面温度测试不精确的状况。
7、本发明可以与装置周围的路面结构紧密粘结成一体，排除了外力作用下传感器与路面产生相对位移的情况，提高监测精度。
8、本发明适用于多种监测技术，既可以单端监测也可以双端监测，可根据实际应用的解调技术随机更改，适用范围广，不受监测技术限制。
附图说明
图1为本发明的主视示意图；
图2为本发明中圆柱形弹性体的主视示意图；
图3为本发明中圆柱形弹性体缠绕光纤后的主视示意图；
图4为本发明中套筒的主视示意图；
图5为本发明中套筒的轴测示意图；
图6为本发明中套筒的俯视示意图；
图7为本发明中扣盖的主视示意图；
图8为本发明中扣盖的俯视示意图；
图中1扣盖、2圆柱形弹性体、3套筒、4分布式光纤、5凸起式螺纹、6圆形孔洞、7弧形平滑切口、8底板、9切割缝、10注胶槽、11圆柱扣合体和12切割缺口。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式提供了一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，所述传感器包括扣盖1、圆柱形弹性体2、套筒3、分布式光纤4和底板8，所述分布式光纤4缠绕在圆柱形弹性体2上，圆柱形弹性体2设置在套筒3中，扣盖1扣装在套筒3的顶端，套筒3的底端固接在底板8上。。
具体实施方式二：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的扣盖1作进一步限定，本实施方式中，所述扣盖1的下方设有圆柱扣合体11，且圆柱扣合体11与的一端与扣盖1底面一体设置，圆柱扣合体11上加工有切割缺口12。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，所述的扣盖1下方带有具一定高度的圆形扣合体11，扣合体11采用非闭合形式，带有切割缺口12，切割缺口12的宽度要略大于套筒3筒壁的切割缝9与弧形平滑切口7的宽度和，扣盖1的圆形扣合体11的厚度要与注胶槽10的厚度一致，目的使扣盖1紧密扣合在套筒上，并且不阻断分布式光纤的出线路径。
具体实施方式三：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的圆柱形弹性体2作进一步限定，本实施方式中，所述圆柱形弹性体2外圆面上设有凸起式螺纹5，且凸起式螺纹5与圆柱形弹性体2一体设置，所述分布式光纤4沿着凸起式螺纹5旋向缠绕在圆柱形弹性体2上。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，在圆柱形弹性体2上设有凸起式螺纹5，螺纹的突起宽度与带包覆护套的分布式光纤4的直径一致，螺纹的厚度可根据路面结构温度监测实际需求调整，例如若使用的分布式光纤4的空间分辨率较低，且要求弹性体的直径较小，为实现路面结构温度的高空间分辨率测试，则可将凸起式螺纹设置为薄片式。带凸起式螺纹5的圆柱形弹性体2要具有优良的导热性、强度以及抗变形能力，目的是提高温度监测的精度；
带包覆护套的分布式光纤4紧密缠绕在圆柱形弹性体的凸起式螺纹5上，并用导热胶进行胶结固定，若采用的是双端监测技术可将下端光纤反向缠绕至上端出线口或直接拉伸至上端出线口，并用导热胶进行胶结固定或者绑扎固定。
具体实施方式四：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的分布式光纤4作进一步限定，本实施方式中，所述分布式光纤4与凸起式螺纹5之间设有护套，护套套设在分布式光纤4上。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，所述的分布式光纤4为裸光纤，外面设有包覆护套作为保护套，包覆护套选用导热性好、耐腐蚀性强、柔软可弯曲变形的材料，如尼龙护套等。
具体实施方式五：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的套筒3作进一步限定，本实施方式中，所述套筒3的顶端加工有贯通式注胶槽10。其它组成及连接方式与具体实施方式四相同。
如此设置，为了给导热胶提供粘固空间，简化布设工艺中的灌胶操作。
具体实施方式六：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的套筒3作进一步限定，本实施方式中，所述套筒3的外圆面均布加工有N个圆形孔洞6，N为正整数。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
如此设置，目的是装置埋设过程中向注胶槽10内灌导热胶时，导热胶可沿着贯穿式圆形孔洞6流出，使装置与周围路面结构之间粘结固定，避免装置与路面结构产生相对位移，提高对路面结构温度的测试准确度。
具体实施方式七：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的套筒3作进一步限定，本实施方式中，所述套筒3的外筒壁上沿竖直方向加工有一条切割缝9，且切割缝9的一端与切割缺口12对应设置。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
如此设置，目的使路面结构材料与分布式光纤有直接接触部分，从而达到精确监测路面结构温度变化的效果。
具体实施方式八：参照图1至图8说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的切割缝9作进一步限定，本实施方式中，所述的切割缝9的端部的一侧于套筒外壁上加工有弧形平滑切口7，弧形平滑切口7的宽度和切割缝9的宽度之和小于切割缺口12的宽度。
具体实施方式九：提供一种权利要求1中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的布置方法，其特征在于：所述方法是通过如下步骤实现的：
步骤一：根据实际路面结构温度监测要求，计算路用光纤传感器的空间分辨；
确定圆柱形弹性体2的高度H、不包含凸起式螺纹5部分宽度的柱形弹性体2直径D、带包覆护套的分布式光纤4直径d、所采用解调设备的测温空间分辨率M0，以及凸起式螺纹5的螺距d0，通过以上物理量可计算本发明测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的空间分辨率M1，具体计算公式如下：
圆柱形弹性体2的高度H即为传感器的测试深度范围；
步骤二：确定步骤一中的参数后，组装路用光纤传感器；
将分布式光纤4缠绕在弹性体上，并用导热胶进行胶结固定，待导热胶凝固后，将圆柱形弹性体2缓慢放置进套筒3中，并将分布式光纤4从套筒的弧形平滑切口7中导出，若采用双端监测技术，则依照前面所述操作，将光纤两端均从套筒的弧形平滑切口7中导出，并用导热胶将分布式光纤4与弧形平滑切口7进行胶结固定，等待胶体凝固；
步骤三：选择合适的安置位置，将步骤二中组装后的路用光纤传感器安装在指定位置；
为避免车辆荷载对路面结构温度监测的影响，通常将温度传感器埋设于路肩处或中央分隔带中，确定温度传感器所要埋设的具体位置，利用取芯机对路面结构进行取芯操作，将上述安装好的圆柱形弹性体2和套筒3缓慢放置于芯槽中，选用导热性及流动性好的胶灌入注胶缝中，使传感器与周围路面结构胶结成为整体，注胶缝中的胶体凝固后，沿着扣盖1的圆柱扣合体11涂抹上导热胶，将扣盖1盖入套筒3中，等待胶体凝固；完成该测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的全部安装与埋设工作。
工作原理
本发明采用全分布式监测技术代替传统的点式监测技术，对路面结构内部温度进行监测，提高了监测范围，整体设计形状采用规则的圆柱体，与机械取芯机相适应，提高可操作性。针对现阶段的分布式光纤监测技术的空间分辨率较低，无法满足路面结构内部温度场监测要求的问题，采用将分布式光纤缠绕于弹性体上的方式提高空间分辨率，通过调整弹性体的大小、绕线螺距及角度等方式，来实现对路面结构沿深度方向任意空间分辨率温度场的精确长期实时监测。
Claims (9)
1.一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述传感器包括扣盖(1)、圆柱形弹性体(2)、套筒(3)、分布式光纤(4)和底板(8)，所述分布式光纤(4)缠绕在圆柱形弹性体(2)上，圆柱形弹性体(2)设置在套筒(3)中，扣盖(1)扣装在套筒(3)的顶端，套筒(3)的底端固接在底板(8)上。
2.根据权利要求1中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述扣盖(1)的下方设有圆柱扣合体(11)，且圆柱扣合体(11)的一端与扣盖(1)底面一体设置，圆柱扣合体(11)上加工有切割缺口(12)。
3.根据权利要求2中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述圆柱形弹性体(2)外圆面上设有凸起式螺纹(5)，且凸起式螺纹(5)与圆柱形弹性体(2)一体设置，所述分布式光纤(4)沿着凸起式螺纹(5)旋向缠绕在圆柱形弹性体(2)上。
4.根据权利要求1中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述分布式光纤(4)与凸起式螺纹(5)之间设有护套，护套套设在分布式光纤(4)上。
5.根据权利要求4中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述套筒(3)的顶端加工有贯通式注胶槽(10)。
6.根据权利要求1中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述套筒(3)的外筒壁均布加工有N个圆形孔洞(6)，N为正整数。
7.根据权利要求6中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述套筒(3)的外筒壁上沿竖直方向加工有一条切割缝(9)，且切割缝(9)的一端与切割缺口(12)对应设置。
8.根据权利要求6中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器，其特征在于：所述切割缝(9)的端部的一侧内壁上加工有弧形平滑切口(7)，弧形平滑切口(7)的宽度和切割缝(9)的宽度之和小于切割缺口(12)的宽度。
9.提供一种权利要求1中所述的一种测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的布置方法，其特征在于：所述方法是通过如下步骤实现的：
步骤一：根据实际路面结构温度监测要求，计算路用光纤传感器的空间分辨率；
确定圆柱形弹性体(2)的高度H、不包含凸起式螺纹(5)部分宽度的柱形弹性体(2)直径D、带包覆护套的分布式光纤(4)直径d、所采用解调设备的测温空间分辨率M0，以及凸起式螺纹(5)的螺距d0，通过以上物理量可计算本发明测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的空间分辨率M1，具体计算公式如下：
圆柱形弹性体(2)的高度H即为传感器的测试深度范围；
步骤二：确定步骤一中的参数后，组装路用光纤传感器；
将分布式光纤(4)缠绕在弹性体上，并用导热胶进行胶结固定，待导热胶凝固后，将圆柱形弹性体(2)缓慢放置进套筒(3)中，并将分布式光纤(4)从套筒的弧形平滑切口(7)中导出，若采用双端监测技术，则依照前面所述操作，将光纤两端均从套筒的弧形平滑切口(7)中导出，并用导热胶将分布式光纤(4)与弧形平滑切口(7)进行胶结固定，等待胶体凝固；
步骤三：选择合适的安置位置，将步骤二中组装后的路用光纤传感器安装在指定位置；
为避免车辆荷载对路面结构温度监测的影响，通常将温度传感器埋设于路肩处或中央分隔带中，确定温度传感器所要埋设的具体位置，利用取芯机对路面结构进行取芯操作，将上述安装好的圆柱形弹性体(2)和套筒(3)缓慢放置于芯槽中，选用导热性及流动性好的胶灌入注胶缝中，使传感器与周围路面结构胶结成为整体，注胶缝中的胶体凝固后，沿着扣盖(1)的圆柱扣合体(11)涂抹上导热胶，将扣盖(1)盖入套筒(3)中，等待胶体凝固，完成该测试沿深度方向温度场的路用光纤传感器的全部安装与埋设工作。
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