《武汉工程大学学报》 2016年3期
268-272
出版日期：2016-06-22
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
基于五维光纤传感器的沥青路面动水压力测量的研究
1 引 言动水压力是指车辆在运动过程中路面内的水膜不断被挤压，并从轮胎两侧和轮胎花纹间隙排出，于是本来相对静态的水压在挤压作用下产生了一个动态的、瞬时的水压力［1］. 反复的动水压力促使了沥青与集料间的剥离，进而引发沥青路面水损坏［2］. 因此，对动水压力的研究十分重要. 目前，国内外许多学者对动水压力进行过不同程度的研究. 动水压力的获得主要分两种方法，即为数值分析法和现场实测法. Kettil等［3］通过编制有限元程序来模拟动水压力；张勐等［4］采用FLUENT建立轮胎在桥面行驶的有限元模型，模拟不同行驶速度、不同水膜厚度及不同花纹深度等条件，并计算桥面的动水压力值；汤潍泽等［5］基于Biot固结理论，对实测工况下路面情况进行了动态流固耦合分析，定量研究了路面层内的动水压力长消规律；谭忆秋等［6］则基于多孔介质理论，建立有限元模型，得出动水压力水荷载周期性作用呈周期性正、负压交替；孙立军等［7］自制电磁式流体压强传感器，并发现动水压力随行车速度增加而增长；高俊启等［8］通过自制的单向光纤传感器实测了动水压力，并得出具体的动水压力量值. 本文的试验采用灵敏度高、体积小的布拉格光纤传感器，并在前、后、左、右和下部5个方向分别设置该类型传感器，即从5个方向测量动水压力量值，从而更加准确地得到动水压力的特点及量值. 2 实验部分2.1 五维光纤传感器工作原理光纤传感器全称光纤光栅传感器，本文采用的布拉格光纤光栅传感器，其作用原理如图1所示. 其中，Λ为光栅周期，内层为纤芯层，外层为包层，纤芯的折射率比包层的折射率稍大， 是一种使用较强紫外线激光刻录在光纤中心的光学器件，具有波长选择性能，当光波通过光纤光栅时，达到临界条件的波长被反射回来，而其余波长则无损透过，当光纤光栅受到物理或机械特性的变化时，由于弹光效应、热光效应、热膨胀等作用，将引起波长变化［9］，通过检测该变化，可获知待测物理量的变化. 将该传感器埋设于道路测量动水压力，通过一个弹性增敏元件，感知车辆驶过对路面水的挤压力，即可实时反映动水压力量值. 2.2 五维传感器的研制五维传感器是指从5个方向来测量路面动水压力的传感器系统. 而一个光纤传感器只能测量一个方向的动水压力，这对研究动水压力的整体情况显得不足. 本试验中的五维传感器，是基于单维光纤传感器工作原理，自制夹具从4个方向各固定一个光纤传感器，相对于车辆行驶方向，则分别是前、后、右（左）、竖4个方向，来全面的测量各个方向的动水压力. 其中左方和右方受力对称，其动水压力是相等的，故两侧只需一个传感器即可. 光纤传感器属于精密仪器，易于损坏，且体积较小，不易固定；而在实际道路测量中，需要将传感器埋设于路面，接受车辆碾压及动水冲刷. 因此在保护传感器不受损伤的同时，还要准确地测量出所需数据，这就需要采取一定的措施. 为了更好的稳固传感器，并保证传感器测试时不受损伤，本研究采用十字梁五维力传感器结构，传感器组件主要由内室、外室、固体填充物、连接筒、光纤传感器等组成. 如图2所示. 如图2（a），内室为70 mm×70 mm×70 mm的立体空间，主要用于存水；外室为240 mm×240 mm×210 mm的长方体空间，为整个试验系统的外框；连接筒为内径21 mm、外径23 mm的PVC管，用于连接内外室并放置传感器，内外室之间用水泥混凝土浇筑，使整个传感器系统更加稳定牢固，不会因为车辆碾压而遭受破坏，如图2（b）. 2.3 试验设备在五维传感器之外，还需要数据采集设备，以及试验车辆. 数据采集设备为Smart Scan Aero光纤光栅信号解调仪，具有高频扫描频率和USB存储功能，适用于各种环境下的高频信号检测. 应力传导至光纤光栅，由光纤光栅反射回的光信号通过光纤定向耦合器送到波长分析器，然后通过光探测器进行光电转换，最后由计算机作出分析并存储，并按规定的格式在计算机上显示出被测物理量的数值. 2.4 传感器埋设选定试验路段，在路面切割出一个比五维传感器组件略大的空间，使仪器顶面与路面平齐，并预留光纤通过管道. 在传感器组件的中间槽注满水，保持充盈状态，车轮驶过时，轮胎可对槽内水施加挤压力，如图3所示. 3 结果与讨论加载车辆分别以40 km/h、60 km/h、80 km/h、100 km/h等不同的速度，驶过埋设的测试设备上方. 图4是加载车速度为80 km/h时各方向动水压力的测量值. 由图4可以看出：1）图形有两个连续波动，分别是前轮和后轮驶过造成的. 第一个波动比第二个波动幅度大，说明汽车在快速行驶的时候，前轮冲击水膜造成的动水压力，要高于后轮的作用. 2）动水压力呈正负压交替进行，说明车辆行驶在积水路面时，除了正面冲刷之外，在驶离时还会对路面产生泵吸作用. 在加载初期，动水压力快速增长，达到峰值，之后车轮驶离，荷载卸去，动水压力减小，但由于泵吸作用，导致动水压力呈负向. 3）图像显示各方向的动水压力变化规律相似，但具体量值不同，说明车辆驶过积水路面时，路面各方向均会产生动水压力，且都是先增大后减小并呈正负压交替形式，但不同方向的压力大小不同. 为了对比不同车速下的动水压力规律，需要得出具体的动水压力测试结果. 不同速度时各方向的动水压力峰值如表1所示. 从表1可以看出：1）当车速不同时，同一方向的动水压力不同，且正向和负向动水压力均随着车速增加而增大；2）当车速相同时，不同方向的正压力大小顺序均为后>右>竖>前，负压力大小顺序均为前>竖>右>后，正负压力在不同方向的变化顺序恰好相反；也就是说，车辆快速行驶产生的正向动水压力，并不是竖直方向的量值最大，而是车辆行驶方向的反方向量值最大；车辆快速行驶产生的负向动水压力，也不是竖直方向的量值最大，而是车辆行驶方向的量值最大；3）从量值上看，动水压力的正压力值和泵吸负值，在速度相对较低时，如40 km/h和60 km/h，泵吸负值略高正压力值；而当速度较高时，如80 km/h和100 km/h，尽管泵吸负值低于正压力值，但其量值依然显著. 因此分析动水压力对沥青混合料的影响时，不仅仅要考虑其正压力值，还要考虑其泵吸负值. 4 结 语本研究通过自制的五维传感器，测量了不同车速条件下路面前、后、左、右和下部5个方向的动水压力，得到如下结论：1）研发的五维光纤传感器可有效地测量出路面5个方向的动水压力；2）动水压力呈正负压交替进行，即车轮驶入时为压应力，产生动水正向压力，轮胎驶离时产生泵吸负压力. 从量值的大小来看，泵吸负压力不能忽略.3）5个方向的动水压力均随车速增加而增大；而车速一定时，不同方向的动水压力大小各不相同，且沿着行车反方向的动水正压力值，要高于竖直方向的值；沿着行车方向的动水泵吸负压力值，也要略高于竖直方向的泵吸负压值.