專利名稱：光纖光柵壓力傳感器及制作方法及瀝青路面載荷監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵壓力傳感器及制作方法及浙青路面載荷監(jiān)測方法，屬于 土木工程傳感器測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
公路與人類生活密切相關(guān)，對一個國家和地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展起著決定性作用，是各 個地區(qū)之間進行交流溝通的紐帶，同時也承擔(dān)著客運和貨運的任務(wù)，具有快捷、方便等優(yōu) 點。為了使公路與國民經(jīng)濟的發(fā)展格局相適應(yīng)，與其他運輸方式相協(xié)調(diào)，建立起高效、快速、 安全的重點公路系統(tǒng)和國道主干線系統(tǒng)，使公路的通行能力在總體上滿足社會發(fā)展和國民 經(jīng)濟的需要，我國特地制定了國家重點公路規(guī)劃和國道主干線發(fā)展規(guī)劃，即在2010年之前 建成8. 5萬公里的國家級高速公路和一批地方高速公路，2020年前形成國家高速公路網(wǎng)。公路路面不僅要抵御各種惡劣的自然條件，而且直接承受過往行駛車輛的荷載。 近年來浙青路面獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，高等級公路路面的面層大部分為浙青路面。浙 青路面是采用浙青作為粘結(jié)料，結(jié)合礦料或其他混合料修筑路面面層的一種路面結(jié)構(gòu)，由 于浙青路面采用了粘結(jié)力較強的浙青作為粘結(jié)料，增強了礦料顆粒間的結(jié)合力，使得路面 的性能品質(zhì)有所提高，因此浙青路面具有很多優(yōu)點耐磨、平整、不透水、不揚塵、耐久等，并 且浙青的粘性、彈性、塑性好，在汽車行駛時噪音低、震動小、平穩(wěn)舒適、略有彈性。公路路面狀況的好壞，影響車輛的營運費用、公路的暢通以及行車舒適程度，并直 接影響到社會的經(jīng)濟效益。我國每年為公路的建設(shè)和養(yǎng)護投入很多的資金，但是由于部分 汽車的嚴(yán)重超載、超速和自然因素的綜合作用導(dǎo)致很多公路破壞，大部分公路的有效使用 時間都沒有達到設(shè)計的使用年限，一般在通車2-3年后就發(fā)生較為嚴(yán)重的早期破壞，這些 破壞主要有車轍、坑槽、龜裂、裂縫、松散、露骨、隆起、水損傷等，公路破壞的存在直接影響 公路的行車安全和通車效率。這些破壞現(xiàn)象大都與路面所受載荷情況存在密切關(guān)系。因此，有必要研究一套浙 青路面載荷監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輛荷載以及速度的監(jiān)測，探索路面損傷的產(chǎn)生機理和發(fā)展 規(guī)律。目前路面載荷監(jiān)測的傳感器主要有應(yīng)變片式測力傳感器、液壓活塞式測力傳感 器、彈簧式測力傳感器以及壓電式測力傳感器。它們一般都具有較高的靈敏度和精度，但 是存在耐久性、長期穩(wěn)定性以及電磁干擾的問題，不能滿足路面結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的需求。近 年來，光纖光柵傳感在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到人們的重視，它具有靈敏度高、抗 電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。但是由于光纖比較纖細(xì)，受剪切力容易 斷裂，如果直接應(yīng)用于土木工程中，成活率低。因此，目前光纖光柵傳感器雖然在道路 監(jiān)測方面已經(jīng)有所應(yīng)用，但是由于浙青路面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的施工環(huán)境，光纖光柵在浙青路面 結(jié)構(gòu)方面應(yīng)用較少，尚屬于嘗試階段；而且裸露的光纖光柵壓力靈敏度系數(shù)較小，僅為 1. 98 X 10-12Pa-l，給信號檢測帶來了不便，制約了光柵在壓力測量中的應(yīng)用。因此，提高壓 力靈敏度及對光纖光柵的保護是使光纖光柵進入實用化測量需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對浙青路面監(jiān)測中干擾較大及現(xiàn)行監(jiān)測方法精度的問題，提 出了一種高靈敏度、不易受干擾的光纖光柵壓力傳感器及制作方法及浙青路面載荷監(jiān)測方 法。一種光纖光柵壓力傳感器，其特征在于由金屬外殼、安裝于金屬外殼內(nèi)的布拉格 光纖光柵、用于在金屬外殼內(nèi)封裝布拉格光纖光柵的聚合物部分組成；上述金屬外殼包括 上金屬蓋；上述聚合物部分由固定于上金屬蓋下側(cè)的左立方體、右立方體以及固定于左立 方體和右立方體之間的細(xì)長水平立方體組成，整體呈 鈴型；上述布拉格光纖光柵沿水平 方向封裝于細(xì)長水平立方體中，傳輸光纖兩端伸出左立方體和右立方體。上述的光纖光柵壓力傳感器的制作方法，其特征在于包括以下過程(a)、聚合物 部分采用模具成型，并且在成型過程中將布拉格光纖光柵封裝其中；(b)、將封裝好布拉格 光纖光柵的聚合物部分通過膠固定在金屬外殼的上金屬蓋下方；(c)、將上金屬蓋與金屬外 殼的其他部分組裝，并使傳輸光纖兩端伸出金屬外殼。利用上述光纖光柵壓力傳感器進行的浙青路面載荷監(jiān)測方法，其特征在于包括以 下過程(a)、此壓力傳感器通過上金屬蓋把作用在其上的壓力傳遞給左立方體和右立方 體；左立方體和右立方體部分發(fā)生軸向應(yīng)變進而引起細(xì)長水平立方體部分發(fā)生軸向應(yīng)變； 從而使埋入其中的布拉格光纖光柵發(fā)生軸向應(yīng)變，引起布拉格光纖光柵的波長漂移；(b)、 采用布拉格光纖光柵對軸向應(yīng)變敏感的特性將作用在上金屬蓋上的載荷轉(zhuǎn)化為布拉格光 纖光柵的波長漂移，通過監(jiān)測布拉格光纖光柵中心波長的變化達到對載荷的監(jiān)測；(C)、利 用細(xì)長水平立方體截面小于左立方體和右立方體截面，實現(xiàn)光纖光柵壓力傳感器的增敏， 提高傳感器的靈敏度。傳感器采用聚合物與金屬材料相結(jié)合的封裝形式。傳感器外殼采用金屬材料用來 保護傳感器以便提高其成活率和使用壽命，傳感器感知元件采用彈性模量較小的聚合物對 光纖光柵進行增敏封裝，不僅可以實現(xiàn)壓力增敏，還可有效地保護裸光纖光柵。通過改變聚 合物的幾何結(jié)構(gòu)實現(xiàn)高倍數(shù)壓力增敏效果。該傳感器可直接埋入浙青路面，徑向負(fù)載測量 靈敏度高，實時性好，可實現(xiàn)分布式監(jiān)測。該傳感器可直接埋入浙青路面內(nèi)部，抗破壞性好， 并且可實現(xiàn)分布式在線監(jiān)測。


圖1是光纖光柵壓力傳感器外觀；圖2是光纖光柵壓力傳感器剖視圖；圖3是光纖光柵壓力傳感器聚合物部分；圖中的標(biāo)號名稱1.金屬外殼，2.布拉格光纖光柵，3.聚合物部分，4.上金屬蓋， 5.金屬環(huán)，6.金屬底板。
具體實施例方式圖1為傳感器的外觀，傳感器金屬外殼1由三部分組成上金屬蓋4、金屬環(huán)5、金 屬底板6。由于金屬環(huán)有一定的厚度，在金屬環(huán)上加工內(nèi)螺紋，上金屬蓋和金屬底板均通過螺紋與金屬環(huán)連接構(gòu)成傳感器的金屬外殼(1)。金屬外殼(1)將埋入布拉格光纖光柵2的 聚合物部分3封裝在殼體內(nèi)，并使傳輸光纖兩端伸出金屬外殼1。金屬外殼1主要用來保護 傳感器以提高其成活率和使用壽命。圖2為傳感器剖視圖，可以看出傳感器由三個組成部分金屬外殼1，布拉格光纖 光柵2，聚合物部分3。在金屬外殼組裝之前，將埋入布拉格光纖光柵2的聚合物部分3通 過膠固定在上金屬蓋4正中，金屬外殼1可以保護聚合物部分3免受破壞。傳感器組成部分之一布拉格光纖光柵2是傳感器的感知元件，封裝在聚合物部分 3里面，主要用來感應(yīng)通過上金屬蓋4傳遞的壓力所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變。圖3為傳感器的聚合物部分，固定于上金屬蓋4下側(cè)，由橫截面不同的立方體構(gòu) 成。聚合物部分3由左立方體、右立方體以及固定于左立方體和右立方體之間的細(xì)長水平 立方體組成，整體呈 鈴型；布拉格光纖光柵2沿水平方向封裝于聚合物部分3細(xì)長水平立 方體中，傳輸光纖兩端伸出左立方體和右立方體。利用細(xì)長水平立方體截面小于左立方體 和右立方體截面，實現(xiàn)光纖光柵壓力傳感器的增敏，提高傳感器的靈敏度。。聚合物部分3由環(huán)氧樹脂和固化劑按一定的比例固化形成，主要是用來對光纖光 柵進行封裝，以起到保護光纖光柵及增敏的作用。其采用模具成型，根據(jù)封裝尺寸加工封裝 模具，將光纖光柵準(zhǔn)直地固定在模具中心。將環(huán)氧樹脂和固化劑按照1 1的比例配比，加 適量消泡劑攪拌均勻以排除氣泡的影響，注入模具使聚合物成型。將澆鑄聚合物后的光纖 光柵及模具放入溫箱中進行高溫固化，打開模具取出用聚合物封裝好的光纖光柵再次放入 溫箱中進行低溫老化。布拉格光纖光柵2被聚合物封裝好之后，把埋入布拉格光纖光柵2的聚合物部分 3通過膠固定在上金屬蓋4上。上金屬蓋4和金屬底板6均通過螺紋與金屬環(huán)連接構(gòu)成光 纖光柵壓力傳感器。裝配完成之后，聚合物部分3及布拉格光纖光柵2均處于金屬殼體的 內(nèi)部，對布拉格光纖光柵2起到一定的保護作用。此光纖光柵壓力傳感器通過上金屬蓋4把作用在其上的壓力傳遞給聚合物部分3 的左立方體和右立方體；左立方體和右立方體部分發(fā)生軸向應(yīng)變進而引起細(xì)長水平立方體 部分發(fā)生軸向應(yīng)變；從而使埋入聚合物部分3的布拉格光纖光柵2發(fā)生軸向應(yīng)變，引起布拉 格光纖光柵2的波長漂移；檢測需要的儀器為光纖光柵解調(diào)儀，測量時將光纖跳線與光纖光柵解調(diào)儀相連， 記錄下初始狀態(tài)時光纖光柵的中心波長。給傳感器逐步施加均布載荷，記錄相應(yīng)載荷對應(yīng) 的光纖光柵中心波長。分析載荷與光纖光柵中心波長的漂移曲線可得該光纖光柵壓力傳感 器的靈敏度。
權(quán)利要求
1.一種光纖光柵壓力傳感器，其特征在于由金屬外殼(1)、安裝于金屬外殼(1)內(nèi)的布拉格光纖光柵(2)、用于在金屬外殼(1)內(nèi) 封裝布拉格光纖光柵(2)的聚合物部分(3)組成； 上述金屬外殼(1)包括上金屬蓋(4)；上述聚合物部分(3)由固定于上金屬蓋(4)下側(cè)的左立方體、右立方體以及固定于左 立方體和右立方體之間的細(xì)長水平立方體組成，整體呈啞鈴型；上述布拉格光纖光柵(2)沿水平方向封裝于細(xì)長水平立方體中，傳輸光纖兩端伸出左 立方體和右立方體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖光柵壓力傳感器的制作方法，其特征在于包括以下過程(a)、聚合物部分(3)采用模具成型，并且在成型過程中將布拉格光纖光柵(2)封裝其中；(b)、將封裝好布拉格光纖光柵(2)的聚合物部分(3)通過膠固定在金屬外殼(1)的上 金屬蓋(4)下方；(C)、將上金屬蓋(4)與金屬外殼(1)的其他部分組裝，并使傳輸光纖兩端伸出金屬外 殼(1)。
3.3.利用權(quán)利要求1所述光纖光柵壓力傳感器進行的浙青路面載荷監(jiān)測方法，其特征 在于包括以下過程(a)、此壓力傳感器通過上金屬蓋(4)把作用在其上的壓力傳遞給左立方體和右立方 體；左立方體和右立方體部分發(fā)生軸向應(yīng)變進而引起細(xì)長水平立方體部分發(fā)生軸向應(yīng)變； 從而使埋入其中的光纖光柵發(fā)生軸向應(yīng)變，引起光纖光柵的波長漂移；(b)、采用光纖光柵對軸向應(yīng)變敏感的特性將作用在上金屬蓋(4)上的載荷轉(zhuǎn)化為光纖 光柵的波長漂移，通過監(jiān)測光纖光柵中心波長的變化達到對載荷的監(jiān)測；(C)、利用細(xì)長水平立方體截面小于左立方體和右立方體截面，實現(xiàn)光纖光柵壓力傳感 器的增敏，提高傳感器的靈敏度。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光纖光柵壓力傳感器及制作方法及瀝青路面載荷監(jiān)測方法，屬于土木工程傳感器測試領(lǐng)域。該結(jié)構(gòu)由金屬外殼(1)、安裝于金屬外殼(1)內(nèi)的布拉格光纖光柵(2)、用于在金屬外殼(1)內(nèi)封裝布拉格光纖光柵(2)的聚合物部分(3)組成；上述聚合物部分(3)由固定于上金屬蓋(4)下側(cè)的左立方體、右立方體以及固定于左立方體和右立方體之間的細(xì)長水平立方體組成，整體呈啞鈴型；上述布拉格光纖光柵(2)沿水平方向封裝于聚合物部分(3)細(xì)長水平立方體中，兩端傳輸光纖伸出左立方體和右立方體。本發(fā)明利用啞鈴型結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光纖光柵壓力傳感器的增敏，提高傳感器的靈敏度。
文檔編號G01L1/24GK102095537SQ201110038880
公開日2011年6月15日 申請日期2011年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月16日
發(fā)明者劉宏月, 孫曉明, 曾捷, 梁大開, 王曉潔, 穆昊 申請人:南京航空航天大學(xué)