光纤测量沥青路面结构性能的研究综述

Research Summary of Optical Fiber Measurement of Asphalt Pavement StructurePerformance

摘要: 光纤光栅传感器应用于道路工程最早可以追溯到21世纪初，目前作为一种常见的检测工具，光纤光栅应变传感器可以对道路结构的应变状况进行监测，凭借其灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用寿命长等优点，在路面无损检测中发挥越来越重要的作用。本文对目前光纤光栅传感器的安装工艺和检测参数的提取进行了整理和分析。通过前人的研究可以证明光纤光栅传感器在数据修正后，可以作为沥青路面应变真实值的检测工具。

Abstract: The application of fiber grating sensors in road engineering can be traced back to the beginning of the 21st century. At present, as a common detection tool, fiber grating strain sensors can monitor the strain condition of road structures. With its advantages of high sensitivity, corrosion resistance, anti-electromagnetic interference, and long service life, it plays an increasingly important role in the non-destructive testing of pavement. In this paper, the installation process and detection parameters of the current fiber grating sensor are sorted out and analyzed. Previous studies have proved that the fiber grating sensor can be used as a detection tool for the true value of asphalt pavement strain after data correction.

1. 引言

随着我国公路工程的深入发展，高速公路建设里程不断增加，因沥青道路基础设施的设计问题或结构老化导致的行车安全问题也逐渐暴露出来。目前这些沥青路面问题主要包括龟裂、纵横向裂缝等为主的裂缝类损害；因沥青混合料水稳定性不足导致的松散、坑槽等松散类病害；以沉降、拥包、车辙等为代表性的变形类病害。针对沥青路面的各类问题，通过早发现、早维护的方式能够十分有效的保证行车安全、降低道路养护成本。目前采用的一些探地雷达、激光雷达、毫米波雷达能够对已发生破坏的路面结构进行诊断，但是缺乏对路面各结构层长时间、全周期的监测，且在力学检测方面也无法做出评判。光纤光栅应变传感器能够有效的采集路面各结构层的微观力学响应，而且具有抗电磁干扰、抗腐蚀、精度高、耐久性好的优点，能够对沥青道路全服役周期进行应变监测。分布式光纤光栅应变传感器更是能够道路全路段、各车道、各结构层进行监测，克服了电阻式应变传感器监测范围小的问题。

其中光纤光栅应变传感器为监测沥青路面结构的应变状况，需安装在沥青路面面层的沥青混合料中。在面层的施工过程中，为保证沥青路面具有足够的强度和其他工作性能，需要使用压路机对沥青混合料进行反复碾压，同时普通沥青混合料的施工温度大约在140℃到165℃，改性沥青混合料温度控制在160℃到170℃，这就需要安装在路面结构中的传感器能够承受高温和荷载，在施工过程中克服这些不利因素，保证传感器能够正常工作。本研究基于光纤光栅应变传感器的安装工艺、应变采集和应变校准，分析整理了其在沥青路面中的研究现状。

2. 光纤光栅应变传感器的安装

光纤光栅应变传感器本身较为脆弱，在路面施工过程中不均匀荷载和高温都会导致传感器发生功能性损坏。学者们的针对传感器的安装主要从封装工艺、固定形式进行设计，保证传感器成活率的同时，提高传感器与沥青混合料的变形协调性。

2.1. 封装工艺

光纤光栅传感器根据封装方法可以分为以下三种封装方式。

保护性封装：例如，聚合物封装法、半金属管封装法、钢片封装法和毛细钢管封装法等都是保护性封装的常见形式。

温度增敏封装：例如，双金属增敏封装通过利用不同金属热胀系数的差异来实现温度增敏效果。

应变传递封装：钛合金片封装、聚酰亚胺材料封装和毛细铜管封装等都是应变传递封装的常见形式。

金属材料强度高、耐疲劳性能优异，且弹性模量高，与沥青混合料的变形协调性好，尚冉冉[1]在光纤光栅应变传感器上套上直径为4 mm的金属管用以保护传感器。此外，钛合金片封装传感器主要属于应变传递封装，于秀娟等人[2]用钛合金和特殊胶水封装光纤光栅传感器，提高了其温度和应变测量精度。

毛细铜管封装传感器是另一种应变传递封装方法，该结构是将两个长度5 mm的毛细铜管固定于光栅的两端，称为两端嵌套，内部填充铜粉，填充物有利于光栅保持原位，受弯曲应力时反射谱不至于失真，并采用激光焊接固定毛细铜管[3]，毛细铜管封装技术则进一步增强了光纤光栅传感器的性能。通过将光纤光栅传感器完全嵌套或两端嵌套在毛细铜管中，可以有效地保护光纤免受外界环境的干扰和损伤，同时提高传感器的灵敏度和精度。

作为温度增敏封装的一种方法，双金属增敏封装利用双金属片的热膨胀特性来提高传感器的温度灵敏度[4] [5]，双金属光纤光栅温度增敏装置增敏结构的上半部分由两个梁臂构成，下半部分为基底，基底和梁臂是由热胀系数相差比较大的材料制作而成，利用不同金属热胀系数的差异和巧妙的增敏结构，大幅度提高了传感器的温度灵敏度[4]。

双金属增敏封装光纤光栅传感器在沥青路面监测中表现出色，特别适用于温度波动大、环境复杂以及需要高精度监测的地区。这些传感器利用双金属材料的热膨胀系数差异进行增敏，能够准确捕捉由温度变化引起的沥青路面微小应变，同时在复杂环境下如雨水、紫外线照射、化学物质侵蚀等条件下保持稳定性能。对于重载交通区域如高速公路和机场跑道，双金属增敏封装光纤光栅传感器能够提供高精度的实时监测数据，为道路维护和管理提供重要支持。这些特性使得双金属增敏封装光纤光栅传感器成为沥青路面监测领域的一种理想选择。

新型聚合物封装光纤光栅传感器方法使用新型聚合物材料，是将光纤布拉格光栅技术和聚合物封装技术结合的高性能传感器，因此具有更好的性能和稳定性，以适应不同的应用环境[4]。王晓洁[6]采用一种外壳为金属材料，内部填充低弹性模量的环氧树脂聚合物的结构来保护光纤光栅传感器。鲁婷婷等[7]在传感器表面涂上乳化沥青后，套上PVC管，显著提高了传感器的成活率。周国鹏等人[5] [8]提出了创新型的聚合物封装工艺，这种工艺采用特殊方法将裸光纤光栅封装在由两种聚合物构成的基底中。他们结合常见的热熔性材料和热缩性材料，成功实现了对传感器的封装。实验结果显示，这种新型封装工艺不仅显著提高裸光纤光栅的温度灵敏度系数至原来的6倍，而且封装后的传感器依然保持了出色的应变特性。

土工格栅具有塑料的抗腐蚀性好、耐久性强，可以加工成粗糙表面，从而增强与土体或路面结构层集料的嵌固作用，因此吕葆楠[9]将其作为光纤光栅传感器的封装材料，并采用埋入的方式安装传感器。通过标定试验，证明封装后的传感器灵敏度系数能够满足路面结构应变值的测量需求，同时相对比29.7%的贴附式传感器成活率，90%以上的土工格栅封装的传感器的成活率具有更明显的优势。

此外，李科[10]通过将传感器安装进特定的铠装电缆，保护传感器在沥青路面施工过程中不受到剪切应力的破坏。随后通过成型沥青车辙试件对传感器进行静态和动态的加载试验。

2.2. 安装工艺

光纤光栅应变传感器使用的关键在于安装方式。目前常用的布设方式有开槽植入、埋入式和表面直接粘贴。选择安装位置时，需要考虑这些布设方式对测量精度的影响[11]。

开槽植入：此方法涉及在需要监测的结构(如混凝土或沥青路面)中预先开设一个凹槽，然后将光纤光栅传感器植入到这个凹槽中。凹槽的尺寸和深度需要根据传感器的尺寸和监测需求进行精确设计。需要破坏结构的完整性，可能会对结构造成一定的损伤，且开设凹槽的施工过程相对复杂，成本较高。适用于对结构内部应变或温度进行长期、精确监测的场合，如桥梁、隧道等。李文振[12]采用了开槽的方式在试验路段安装光纤光栅传感器，这样不仅克服了传感器本身抗高温能力差的问题，也保证传感器在施工工程中不被重型设备碾压损坏。

埋入式：是将光纤光栅传感器直接埋入到结构(如混凝土)中，通常是在结构浇筑或铺设过程中进行。传感器需要与结构材料一起固化，以形成紧密的结合。传感器与结构之间的结合紧密，不易受到外界干扰。一旦埋入后，传感器难以更换或维修。在埋入过程中需要确保传感器不受损坏，施工难度较高。适用于对新建结构进行内部应变或温度监测的场合，如新建桥梁、道路等。王赫喆[13]设计了一个用于固定传感器的固定基座，该基座能够固定三个传感器，保证压路机在碾压过程中，传感器的位置不发生移动，同时可对横向、纵向和竖向三个方向的应变进行监测。传感器在摊铺机撒布完沥青混合料之后，拨开松散的集料，形成一块可供安装传感器的区域，将传感器固定好后，对施工区域进行回填。李金生[14]与田庚亮[15]都是在成型沥青混凝土梁的过程中，将光纤光栅应变传感器安装入其内部，振捣压实后，通过对沥青混凝土梁进行三等分加载，模拟沥青路面在实际服役过程中的应力状况。与李金生不同的是，田庚亮还通过将传感器安装进旋转压实试件中，简化路面结构的应力场，从而精确分析沥青路面结构的竖向应变。

表面直接粘贴：表面直接粘贴是将光纤光栅传感器使用粘合剂直接粘贴到结构的表面。这种方法不需要破坏结构的完整性，施工过程相对简单，传感器可以方便地更换或维修。但传感器与结构之间的接触可能不够紧密，容易受到外界干扰，且在长期使用过程中，粘合剂可能会老化失效，导致传感器脱落或测量不准确。适用于对结构表面应变或温度进行短期或中期监测的场合，如建筑物外墙、管道等。

3. 沥青路面结构性能的监测

光纤光栅的原理是从宽带光源发出的光波通过光纤耦合器后，满足一定条件的光波在光栅内发生透射，其余的光波返回到耦合器，在光谱分析仪内接收并处理。外部荷载和温度的变化都会使透过光栅的光波产生变化，这种现象由William Bragg发现，这种反射条件也被称为Bragg条件。如(1)式所示。

${\lambda }_B=2n_{eff}\Lambda$ (1)

式中：${\lambda }_B$ ——反射光中心波长；$2n_{eff}$ ——有效折射率；$\text{Λ}$ ——光栅周期。

外部作用力和温度会导致光栅的有效折射率和周期发生变化，简单来讲，就是被检测物理量发生变化从而引起光栅中心波长发生漂移，通过光纤光栅解调技术反推物理变化量。 应变和温度使中心波长发生改变，如(2)式所示。

$\Delta {\lambda }_B={\lambda }_B\left(1-P_e\right)\Delta \epsilon +{\lambda }_B\left(\alpha +\xi \right)\Delta T$ (2)

式中：$\text{Δ}{\lambda }_B$ ——中心波长的漂移量；$P_e$ ——有效弹光系数；$\text{Δ}\epsilon$ ——应变变化量；$\alpha$ ——热膨胀系数；$\xi$ ——热光系数；$\text{Δ}T$ ——温度变化量。

光纤光栅应变传感器的精度和灵敏度可以通过标定平台进行标定和校准，但是作为沥青路面的应变检测工具，传感器本身的杨氏模量和沥青混合料相差较大，协调变形稳定性不佳，导致校准后的应变传感器采集到的应变数据不能够真实准确的反应当前结构真实应变值，这就需要对采集到的数据再次进行校准，从而使传感器在准确性上达到要求。

蔡宏亮在辽宁省交通科学研究院开展的大粒径碎石基层加速加载试验项目，批量使用了光纤光栅传感器作为试验测试工具，取得了一些光纤光栅传感器在道路沥青路面试验中的试验数据[16]。加载轮轴轴载为双轮150 kN，路面受到的压力为0.8 MPa，加载时间为一个月，累计加载150万次。通过分析传感器采集到的数据认为，传感器的数值与传感器的埋设层位和埋设方向有很大的关系。位于沥青面层的传感器由于埋设深度较浅，采集到的水平拉应变和竖向压应变数据波形平顺，波峰和波谷清晰具有周期性，说明当传感器埋设在较浅的沥青面层时，光纤光栅应变传感器与沥青面层的沥青混合料具有较好的变形协调性。而水稳基层由于水泥稳定碎石的粒径相对较大，因此传感器与水稳层的变形协调性相对较差，水平拉应变和竖向压应变波形不够平顺、稳定，但光纤光栅应变传感器认可用于水温基层的应变监测。

鲁婷婷等[7]记录了载重车辆碾压路面结构后，路基内部柔性基层产生形变，埋设在该层的光纤光栅应变传感器记录到了波长的变化。用传感器的数值表征传感器埋设位置的应变值，得出结论，距离车辆车轮水平距离越近，应变值越大；水平距离一定的情况下，纵向应变大于横向应变。

愈佳炜[17]以双层车辙试件为传感器的安装平台，在上部试件的上表面和上下试件的粘结面上安装贴附式光纤光栅传感器，使用车辙试验机对车辙试件进行加载试验。通过分析发现沥青混合料的应变状态与车辙沟槽的位置有关，靠近车辙沟槽的位置混合料受拉，远离车辙沟槽的位置混合料受压。上下两层车辙试件相同竖直方向的位置应变规律类似，但下层板达到稳定状态较上层板所需的时间更长。使用60℃时沥青混合料的密度、弹性模量和泊松比，将Burgers模型参数转化成剪切模量的Prony级数形式来定义材料属性，建立双层车辙板的有限元模型，模拟室内车辙试验。通过比较模拟与实测数据，发现的沥青混合料的应变规律数据和传感器实测数据相吻合。

李科[10]将光纤光栅应变传感器经电缆铠装保护后，安装进SMA-13沥青混合料制作的车辙试件中，在静载实验中对车辙试件施加三级荷载，每级相差51 N，以加载、卸载为一个循环，共进行3组循环，通过对光栅的波长变化量进行计算，得出每次加载的应变值，采用最小二乘法对应变值进行拟合，得到荷载与应变值的对应图像。最终得到外部静态荷载与沥青混合料应变值的对应关系为$\epsilon =0.044F-0.778$ 。随后建立有限元模型进行动载试验，通过拟合得到关系式为$y=6\times {10}^{-5}{t}^3-0.0725t^2+30.792t-339.2$ 。

王赫喆[13]将应变光栅传感器安装在沥青道路试验段的不同结构功能层中，通过静态和动态加载的方式研究传感器工作特性和结构的受力状况。由于静态加载的受力变形和变形恢复需要一定的时间，因此在待车辆进行15~30分钟的静态加载后进行数据的采集，在下一次静态加载前，保证24 h的变形恢复时间。通过研究静态加载过程中采集到的应变数据，分析不同轴载和不同作用位置对路面结构受力的影响。在动态加载中研究了路面结构在不同轴载、不同速度和不同作用位置下的力学响应。

李金生[14]对安装在100 mm * 100 mm * 400 m沥青混凝土梁中的光栅应变传感器分别进行静态和动态的加载。通过对实测数据和理论计算结果进行拟合，线性相关性分别达到0.9975和0.9916，所以认为两者呈现线性变化。通过ANASYS有限元软件建立传感器和沥青路面结构的三维模型，对埋入传感器部位的真实应变值与传感器的实测值进行对比，表明该传感器的实测值与理论真实值十分接近，精度能够满足沥青路面结构应变监测的要求。

刘树龙[18]同样将光纤光栅应变传感器安装进沥青混合料车辙试件中，分别采用静态和动态荷载对传感器进行施压，按照正循环加载和反循环卸载的方式进行，通过分析整理数据得到静态加载试验数据。通过拟合得到荷载与应变数值的拟合公式为$y=0.004x+0.0002$ 。同时计算得出试验数据的相关点系数为$R^2=0.9929$ ，说明埋入沥青混合料车辙试件的传感器在静态加载的过程中与混合料具有良好的应变协调性。在动态加载试验中，使用胎压为0.7 MPa的车辙仪进行加载，在5个小时的加载试件内采集了150万个光栅波长数据。随后使用有限元ANASYS模拟计算分析软件对静态、动态加载进行验证，选择光纤光栅应变传感器和SMA-13的参数进行分析模型的建立。通过对模拟数据进行采集，与实测数据进行比对分别得到静态和动态的对比图像(如图1、图2所示)。

Figure 1. Static loading simulation value and measured value

图1. 静态加载仿真值与实测值

Figure 2. The sensor 9600 s measured and the first finite element simulation x transverse strain time history curve

图2. 传感器9600 s实测与第一次有限元模拟x横向应变时程曲线

有限元模拟分析得到荷载与应变的拟合关系式为$y_{ansys}=0.0046N+0.2878$ ，在动态加载的模拟仿真中，模拟仿真的图像与实测值在应变上升阶段趋势相近，在应变值减小过程中，与实测值相比模拟值存在一定的延迟，同样可以用安装中的人为因素导致的误差来解释，但总体来讲传感器的应变响应较为准确，是能够满足监测沥青混合料内部应变的需要的。

田庚亮[15]将光纤光栅应变传感器安装在四点弯曲梁试件中，对传感器进行静态和动态加载。在静态加载中，分析仪器对梁试件施加的位移荷载和两种传感器的实测值，并对数据进行线性回归分析，得到修正曲线和修正公式：$y=0.8908x+436.24$ 。结果表明，两种光纤光栅应变传感器的实测值与施加的位移荷载大小较为接近，两种传感器具有较高的一致性，且具有较好的荷载稳定性。在动态加载实验中，将传感器埋入旋转压实圆柱试件中，进行无侧限单轴动态压缩试验，整理分析了不同温度和不同荷载级位下光纤光栅应变传感器与应变间的相互关系。通过拟合得到两者的指数关系式为$y=16384{\text{e}}^{x÷53.02}+51.65$ ，试验完成后检查传感器在沥青混合料仍然保持竖直状态，且未观察到传感器脱离混合料的情况，因此认为传感器可以精确地反映沥青混合料的真实应变响应状态。

随后以Drucker-Prager/Creep蠕变模型及D-P模型参数为依据定义沥青混合料的材料特性，建立ABAQUS有限元模型，均布加载范围为48 mm * 18 mm，轮压为0.7 MPa，分析该复杂受力模型。由分析结果可以得出，传感器检测到的底部横向主应变随时间的增加，累计应变逐步增大，上面层底部的传感器主应变大于中面层中部的传感器主应变，说明累计应变主要集中在下面层的底部，进一步说明了有限元分析的合理性和光纤光栅传感器监测复杂受力模型的有效性。

吕葆楠[9]将以土工格栅封装的光纤光栅传感器埋入距沥青道路面层顶53 cm、68 cm、83 cm的天然碎石土基中，监测沥青道路土基的应变与温度数据。试验一共安装75个传感器，成活率达到了90%。为检验光纤光栅传感器采集到的数据是否有效，作者同样采用ABAQUS有限元软件对沥青路面结构进行建模，建模完成后对模型进行分析，认为横向与纵向应变值在埋深0.1 m内均为压应变，在埋深0.4 m左右时拉应变达到最大，之后随深度增加，拉应变逐渐减小。通过对比有限元的模拟值和传感器的实测值，表明实测值与模拟值基本能够在同一时刻达到应变的峰值，且峰值接近，但是在峰值前后，实测值并不能很好的匹配模拟值，说明封装材料与形式存在一定的缺陷，导致传感器与沥青路面土基的变形协调性受到影响。

与大部分利用ABAQUS有限元软件建立三维模型不同的是，张翔飞[19]利用Matlab编写了基于包围盒法的可自主控制多面体形态的集料生成算法，同时生成光纤传感器模型，在虚拟构件中植入光纤传感器。以三点小梁弯曲试验为依托，通过虚拟试验证明沥青混合料的矿料级配、粗细集料的微观特征以及沥青和粘结性能等，都能够对光纤传感器的测量造成影响。

4. 结束语

光纤传感器作为道路自我感知的工具，是未来智慧道路的发展趋势，本文回顾了学者对光纤传感器的研究进展。从学者们的研究来看，应变的理论值基本都来自于建立模型进行计算分析，但是沥青路面不同的结构形式和不同的材料类型，就导致弹性模量和泊松比的不同，传感器的封装形式不同，弹性模量与泊松比同样也各不相同，不同层间的接触形式如何定义，传感器与沥青混合料的接触面如何定义，这些都会对模拟仿真的应变值造成影响。因此以室内加载试验为依托，验证模型的准确性就显得尤为重要，但是对传感器的参数设定的问题仍亟待解决。