分布式光纖信號響應與荷載運動特征關系研究

賴健聰 楊 群

(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室 上海 201804)

當前，車輛重載超載現象嚴重，許多道路過早地出現病害[1]。為了保證道路交通的安全、高效、舒適，需對交通荷載及道路結構狀況進行實時監測。傳統監測主要以高清攝像頭、感應線圈為主，無法對荷載響應狀況做出準確判斷[2]。隨著智能監測技術和光纖傳感技術的快速發展，結合光纖高靈敏度、適應性好、抗電磁干擾、耐高溫高壓等優點[3]，在道路結構監測中引入光纖傳感系統成為可能。由于道路結構內部受力復雜、交通荷載狀況多變，光纖傳感器的信號不夠穩定，信號強度和信號敏感度呈現的規律不顯著。為了明確分布式光纖傳感器在監測瀝青路面時的變化規律，有必要基于室內車轍試驗，探究光纖信號強度、敏感度與荷載運動特征間的關系。

為此，借鑒光纖傳感監測在其他工程領域的成功應用經驗[4]，成型埋置光纖傳感器的車轍板試件，通過室內車轍試驗模擬不同特征的交通荷載，分析荷載速度和加速度與光纖信號強度和敏感度的相關關系，為光纖傳感技術在道路工程中的應用打下基礎。

1 分布式光纖傳感系統

分布式光纖感知技術是將光纖埋置在瀝青道路結構內部，通過采集光纖信號，實現對道路結構狀況的監測。在荷載作用下，瀝青混凝土結構發生變形，導致光纖出現彎曲損耗，通過監測光纖信號的波動可獲取荷載響應的變化情況。分布式光纖傳感系統主要由光纖傳感器、數據采集設備等組成，其中光纖傳感器埋置于瀝青混凝土結構中，光纖兩端分別連接激光光源和光電探測器，荷載作用時采集光纖波動信號。通過分析光纖信號強度和敏感度與荷載速度和加速度等運動特征的相關關系，實現外部荷載運動特征和道路結構內部光纖信號響應的一體化分析，揭示光纖信號強度和敏感度與荷載速度和加速度參數的內在聯系。

2 試驗成型與數據采集

本文設計了室內傳統車轍試驗，成型埋有光纖傳感器的車轍板。在車轍板4個不同位置處分別埋置光纖傳感器，利用車轍試驗中的膠輪來模擬不同速度和加速度的動態荷載，通過分析膠輪運動特征和光纖信號變化情況，揭示不同運動特征的荷載對光纖信號的影響規律。

為了提高光纖的成活率和穩定性，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構：①試模準備，分別在傳統車轍試模的2個側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儀的膠輪提供，為了保證光纖傳感器在瀝青混凝土結構中處于密實穩定狀態，在采集光纖信號前，先開動車轍試驗儀，保持加載狀態運行10 min，然后再分別采集4根光纖的信號，每次數據采集持續2 min。

圖1 車轍板成型

3 車轍試驗儀膠輪運動特征分析

為了揭示光纖信號與荷載速度、荷載加速度的關系，首先需要厘清車轍試驗中膠輪荷載的運動特征。車轍試驗中膠輪采用中心曲柄連桿機構的驅動方式，通過曲柄連桿機構將發動機的勻速圓周運動轉化為周期性的變加速運動[6]。其結構示意圖見圖2，圓心為發動機轉軸位置，圓周運動半徑為r，在連桿AB的聯動下，車轍試驗儀膠輪A點做周期性變加速運動，車轍試驗儀膠輪活動范圍為A′～A″。

圖2 曲柄聯桿示意

經測量，實驗室車轍試驗儀的r=0.15 m，l=0.5 m，λ=r/l=0.3。發動機每轉動1周，膠輪往返來回1個周期。根據規范，車轍試驗中膠輪的運動往返周期為(42±1)次/min(21次往返/min)，計算得發動機轉軸的角速度ω=0.7 π rad/s。

以α=0作為膠輪初始狀態，此時膠輪位于A′點，發動機轉軸作順時針勻速圓周運動。結合理論力學知識，推導相關參數計算方法見式(1)～(4)。

α=ω·t

(1)

(2)

aA=rω2cosα+rω2λcos(2α)

(3)

(4)

速度-時間曲線、加速度-時間曲線見圖3。

圖3 速度-時間、加速度-時間曲線

從以上速度-時間、加速度-時間曲線可知，車轍試驗儀中膠輪的速度曲線和加速度曲線不是嚴格的正余弦曲線。t0～t1時間段，膠輪從車轍板一側邊緣到另一側邊緣，此時α從0°變為180°，此過程中，膠輪速度先增大后減小，且速度增大的持續時間較速度減小的持續時間短。加速度值可通過對速度求導獲得，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值大。觀察速度曲線可知，t0～t1階段內，膠輪處于加速狀態的時間比處于減速狀態的時間長。具體到膠輪的運動特征，垂直膠輪運動方向上的任一斷面，分別對應2個荷載速度和加速度，2個速度和加速度大小相同，方向相反。故在車轍試驗場景下，膠輪經過光纖位置時的速度和加速度大小只與光纖埋設位置有關，不同位置對應不同的速度和加速度。在埋設4根光纖的車轍板試件中，每根光纖對應的速度加速度大小固定，不會隨著時間的變化而變化。

4 光纖信號強度與荷載運動特征關系

選取圖 1中1號光纖作為研究對象，對原始信號進行去噪處理[7]，獲得去噪后的信號曲線圖見圖4。

圖4 去噪后光纖信號曲線

由圖4可知，在周期性動態荷載作用下，光纖信號也呈現出周期性波動特征。其中從0～60 s，光纖信號曲線中共有21個周期，與標準中車轍試驗每分鐘21個來回的設置一致[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個施載狀態，圖5中t1～t3為施載期，t3～t4為空閑期。t1為施載期起始時刻，此時光纖信號強度開始減小，t2時刻光纖信號強度達到極小值，此時荷載經過光纖上方，t3為施載期結束時刻，其值滿足t3-t2=t2-t1。t3時刻的光纖信號強度為v20,t4時刻的光纖信號強度為v21，定義光纖信號強度為v2=(v20+v21)/2，定義光纖敏感度為v2-v1。

圖5 局部放大信號示意

試驗數據包括光纖信號數據和膠輪運動特征數據圖見圖6，分別是1號光纖和2號光纖的信號曲線，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，動態荷載作用導致光纖信號變化，光纖信號的波動特征與光纖所在位置、荷載速度、荷載加速度等因素相關。t1，t4，t5時刻，膠輪正好經過1號光纖上方，t2，t3，t6時刻，膠輪正好經過2號光纖上方。1個周期內，荷載經過1號光纖位置處2次，具體來說，t1～t5時段對應膠輪荷載1個完整周期，t1～t4對應膠輪荷載從1號光纖處向另一側運動至回到1號光纖處，t4～t5對應膠輪從1號光纖處向另一側運動至回到1號光纖處，看圖易得t4-t1>t5-t4，與1號光纖所處位置相符。同理對于2號光纖，有t3-t2>t6-t3，與2號光纖所處位置相符。故在車轍板試件的條件下，可根據光纖所處位置判斷光纖信號特征。

圖6 光纖信號和膠輪運動特征曲線

綜合考慮速度加速度對光纖信號的影響，得到如圖7和圖8所示的光纖信號-速度-加速度三維散點圖，可直觀呈現光纖信號與膠輪加速度、速度三者之間的關系。

圖7 2號光纖信號-速度-加速度三維散點圖

圖8 1號光纖信號-速度-加速度三維散點圖

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

圖9 1號光纖信號-速度曲線

圖10 1號光纖信號-加速度曲線

圖11 2號光纖信號-速度曲線

圖12 2號光纖信號-加速度曲線

單獨考慮速度或加速度特征時，二維坐標系中車轍板1號光纖和2號光纖的電壓-速度、電壓-加速度曲線呈現不同形態特征。

對于1號光纖，結合圖6，光纖信號曲線在1個周期內出現2個波谷，第一個波谷出現在速度曲線波峰位置前，第二個波谷出現在速度曲線波谷位置之后，而速度曲線的波峰在電壓-速度曲線中出現在橫軸最大值處，速度曲線的波谷在電壓-速度曲線中出現在橫軸最小值處。因此，在1號光纖信號-速度曲線中，2個波谷分布在橫軸最大值處左側和橫軸最小值右側，且光纖信號波谷對應的速度為膠輪經過車轍板1號光纖位置處速度。

對于2號光纖，光纖信號曲線第1個波谷出現在速度曲線波峰位置稍右，第2個波谷出現在速度曲線波谷位置稍左，因此，在2號光纖信號-速度曲線中，2個波谷的分布位置靠近橫軸最大值和橫軸最小值處，光纖信號波谷對應的速度為膠輪經過車轍板2號光纖位置處速度。

同理，光纖信號-加速度曲線特征也是隨著光纖位置的不同而變化。光纖信號車轍板內部不同位置處光纖對應的信號-速度曲線圖和信號-加速度曲線圖都有各自的形態特征，可結合光纖信號-速度曲線和光纖信號-加速度曲線特征和膠輪運動特征來厘清不同位置處光纖的變化規律特征，為今后道路實際工程中光纖傳感器的應用做好準備。

5 光纖信號敏感度與荷載運動特征關系

由于室內車轍試驗膠輪運動范圍受限，與實際荷載運動狀況不符，因此本文提取速度對應的光纖參數進行分析，具體是從連續信號曲線中提取光纖信號敏感度進行分析，目的在于厘清荷載運動速度、加速度與光纖信號敏感度v2-v1間的相關關系。針對埋置在車轍試件中的4根光纖，分別提取膠輪經過光纖處其速度和加速度值。4根光纖信號敏感度及其對應的膠輪速度和加速度值見表1。加速度、速度與光纖信號敏感度的關系如圖13和圖14所示。由圖13可見，隨著荷載速度的不斷增加，光纖信號敏感度呈現下降趨勢。由圖14可見，隨著荷載加速度的不斷增大，光纖信號敏感度呈現增大趨勢。

表1 不同位置光纖對應速度、加速度和信號敏感度

圖13 光纖信號-速度關系

圖14 光纖信號-加速度關系

分析認為，在車轍板試件中，當速度較小時，荷載停留在光纖上方時間較長，而瀝青混凝土是黏彈性材料，隨著荷載作用時間增長，其變形也隨之增大，光纖的微彎效應加強，導致此時光纖信號損失較大，因此光纖信號敏感度隨速度增大而減小。加速度大小反應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，瀝青混凝土受到荷載的縱向作用力越大，導致瀝青混凝土內部推擠作用加強，光纖微彎效應和局部受壓增強，導致信號損失增大，從而光纖敏感度增大。

6 結論

1) 在室內車轍試驗中，膠輪做周期性變加速運動，驅動方式為曲柄聯桿驅動，速度曲線和加速度曲線并非嚴格的正余弦曲線。實際工程中，交通荷載的速度和加速度特征更為復雜，加之現場荷載大小和接觸面積與室內膠輪荷載存在較大區別，還需在道路現場對傳感器進行標定復合。持續開展荷載不同運動特征的研究對厘清荷載特征與光纖信號響應之間的關系具有重要意義。

2) 綜合考慮膠輪荷載速度加速度與光纖信號強度的關系，形成光纖信號電壓-速度-加速度三維散點圖，發現車轍板不同位置處光纖信號對應的三維散點圖呈現不同特征。未來可建立光纖信號三維散點圖庫，通過識別光纖信號電壓-速度-加速度散點圖特征以判定光纖在車轍板內部的橫向位置。

3) 室內車轍試驗獲得相關數據表明隨著膠輪荷載速度的增大，光纖信號敏感度呈現減小趨勢；隨著膠輪荷載加速度的增大，光纖信號敏感度呈現加大趨勢。實際道路工程應用中，模擬室內車轍雙層板的形式，將光纖傳感器埋置與面層之下，數據標定后根據光纖信號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光纖信號強度衰減值，獲得路面模量變化情況，反映路面結構的演變趨勢。