分布式路面裂縫傳感技術(shù)研究

裴建新

摘要：基于光時(shí)域反射原理（OTDR）的路面裂縫傳感技術(shù)，通過自制裂縫調(diào)制器測(cè)量了瀝青混凝土中裂縫寬度與光功率損耗的關(guān)系，并提出了Logistic和Gomperz預(yù)測(cè)模型，對(duì)2種預(yù)測(cè)模型在1.5～2.5 mm寬的裂縫的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)的識(shí)別度D和誤差率進(jìn)行對(duì)比分析，得出結(jié)論：三參數(shù)Logistic預(yù)測(cè)模型對(duì)于裂縫寬度的預(yù)測(cè)效果更好。

關(guān)鍵詞：光時(shí)域反射技術(shù)；瀝青路面裂縫；Logistic模型；Gomperz模型

中圖分類號(hào)：U418.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1000033X（2016）06010406

0引言

瀝青路面裂縫的監(jiān)測(cè)對(duì)于保證瀝青路面長期安全運(yùn)營有著非常重要的意義。細(xì)小的縱向或橫向裂縫會(huì)導(dǎo)致后期路面出現(xiàn)塊裂或龜裂，這些裂縫受雨雪的侵蝕和交通荷載的共同作用將產(chǎn)生卿漿、坑槽等加速路面使用性能的降低和路面結(jié)構(gòu)的破壞[1]。為了對(duì)瀝青路面裂縫及時(shí)進(jìn)行修復(fù)和加固，裂縫尤其是微小裂縫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)尤為重要。

中國《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG H20—2007）將瀝青路面裂縫分為輕、重2個(gè)等級(jí)，裂縫寬度小于3 mm為輕裂縫，裂縫寬度大于3 mm為重裂縫。目前路面裂縫的檢測(cè)方法主要是人工檢測(cè)和依靠路面檢測(cè)車進(jìn)行圖像采集的圖像處理法，但是這些方法僅適用于裂縫較寬的重裂縫[23]，對(duì)于輕裂縫的檢測(cè)還沒有較好的方法，同時(shí)這些方法不能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，人工工作量較大。本文研究一種基于分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的路面裂縫傳感系統(tǒng)，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能夠有效地對(duì)路面3 mm以下的輕裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并且有利于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化。

1傳感技術(shù)原理

基于分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的路面裂縫傳感系統(tǒng)的運(yùn)用需要預(yù)知裂縫的走向，由于路面輕裂縫多是橫向和縱向裂縫，因此可以預(yù)測(cè)可能產(chǎn)生的裂縫走向。該傳感系統(tǒng)的原理如圖1所示，將傳感光纖與裂縫成一定角度埋設(shè)在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)裂縫產(chǎn)生時(shí)，光纖也會(huì)隨之彎曲，

當(dāng)一束探測(cè)光經(jīng)過該光纖彎曲處時(shí)會(huì)發(fā)生散射損耗，其背向散射稱之為瑞麗散射。通過光時(shí)域反射儀（OTDR）在探測(cè)光入射端對(duì)瑞麗散射進(jìn)行探測(cè)，就可獲知該彎曲點(diǎn)的光功率損耗值及彎曲點(diǎn)的位置信息[4]。圖1中，a、b為光纖微彎位置，兩光功率損耗值之和為兩彎曲點(diǎn)的光功率損耗值。

2試驗(yàn)方案

2.1裂縫傳感試驗(yàn)系統(tǒng)

為了獲得光損耗值同裂縫寬度精確的關(guān)系，用車轍板來模擬實(shí)際瀝青路面結(jié)構(gòu)。

裂縫傳感試驗(yàn)系統(tǒng)包括光時(shí)域反射計(jì)、傳感光纖、加長光纖以及自己設(shè)計(jì)的裂縫調(diào)制器和瀝青混合料試件，圖2為自制的裂縫調(diào)制器。

光時(shí)域反射計(jì)采用AV6418型號(hào)， 其激光器類型為INGAASP FP，最大脈沖為50 mW，脈沖持續(xù)時(shí)間最長為10 μs，脈沖能量最大為500 nWs，輸出功率為500 μW，波長為1 310、1 550、1 620 nm。傳感器采用電信級(jí)單模通信光纖，該傳感光纖的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2.2試驗(yàn)步驟

（1）車轍板成型。用車轍板來模擬瀝青路面，首先按照規(guī)范采用輪碾法成型標(biāo)準(zhǔn)車轍試件，標(biāo)準(zhǔn)尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。

（2）試件切割。將已成型好的標(biāo)準(zhǔn)車轍板切割為150 mm×200 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，切割采用金剛石鋸片鋸石機(jī)。

（3）開槽。將2塊已成型好的試件組成一個(gè)300 mm×200 mm×50 mm的組合試件，并且在該組合試件上進(jìn)行開槽，開槽采用金剛石鋸片開槽機(jī)進(jìn)行，槽的深度為10 mm，寬度為2 mm，槽與切面的夾角如圖3所示。

（4）測(cè)試光纖固定。將光纖布設(shè)在槽內(nèi)并用瀝青進(jìn)行澆注，為了使該系統(tǒng)在裂縫較大的情況下不至于被拉斷，同時(shí)具有較好的測(cè)量范圍，本文提出了光纖徑向可微動(dòng)的布設(shè)方法，為了達(dá)到在拉伸過程中徑向可微動(dòng)的要求，在澆注之前需要對(duì)傳感光纖表面涂一層脫模劑。

（5）測(cè)試。測(cè)試需要在澆注完成后靜置一段時(shí)間以后進(jìn)行。首先，緩慢旋轉(zhuǎn)裂縫調(diào)制器上的調(diào)節(jié)螺母，使試塊裂縫寬度緩慢增加，同時(shí)觀測(cè)千分表上的度數(shù)。裂縫每增加0.1 mm采集一次讀數(shù)，每次采集數(shù)據(jù)之前需要將“開裂”后的試件靜置45 min以上，這是為了使光纖涂覆層發(fā)生足夠量的變形直至穩(wěn)定。為了探究波長對(duì)結(jié)果的影響，每次采集過程中需要分別將時(shí)域反射計(jì)的波長調(diào)至1 550 nm和1 310 nm。

3試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1光功率損耗值

圖4為在1 310 nm和1 550 nm波長條件下的光功率損耗值測(cè)試結(jié)果，可見每種條件下的曲線都呈現(xiàn)S型增長，有明顯的識(shí)別點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。從原理上來分析，當(dāng)裂縫較小（小于05 mm）時(shí)，雖然傳感光纖也有彎曲，但是彎曲半徑R較大，其損耗可以認(rèn)為是宏彎損耗，由于宏彎損耗的損耗值較小，所以用光時(shí)域反射儀探測(cè)結(jié)果并不顯著。在裂縫較大（大于2.5 mm）的情況下，光纖彎曲半徑R已達(dá)到極限值，當(dāng)裂縫寬度繼續(xù)擴(kuò)展時(shí)，光纖的彎曲半徑將不再發(fā)生顯著變化，轉(zhuǎn)而呈現(xiàn)徑向拉伸，所以后期雖然裂縫寬度持續(xù)擴(kuò)展，但是光功率損耗值并不顯著增加，因此出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

關(guān)鍵點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果見表2。識(shí)別點(diǎn)反映了該系統(tǒng)識(shí)別微小裂縫的能力，識(shí)別點(diǎn)到轉(zhuǎn)折點(diǎn)的區(qū)間范圍稱為測(cè)量范圍，該區(qū)域反映了系統(tǒng)的探測(cè)能力；極限點(diǎn)反映了該系統(tǒng)所能承受裂縫寬度的極值，當(dāng)裂縫寬度大于該值時(shí)，傳感光纖將會(huì)發(fā)生破壞，故將轉(zhuǎn)折點(diǎn)到極限點(diǎn)之間范圍稱為安全儲(chǔ)備。

考慮到路面裂縫的實(shí)際情況，本文將裂縫寬度為15～2.5 mm的范圍作為重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，如圖5所示，深色區(qū)域表示系統(tǒng)在該種條件下的測(cè)量范圍，淺色區(qū)域表示系統(tǒng)的安全儲(chǔ)備能力，虛線范圍表示1.5～2.5 mm的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域。由圖5可以得出以下結(jié)論。

（1）在2種波長、3種夾角的不同測(cè)試條件下，系統(tǒng)對(duì)于裂縫的初始識(shí)別能力基本相同。其中波長為1 550 nm、角度為30°的情況下能夠識(shí)別寬度值更低的裂縫；波長為1 310 nm、角度為60°的情況下能夠識(shí)別裂縫寬度的最小值相對(duì)較大。

（2）在1 310 nm或1 550 nm的測(cè)試波長下，光纖裂縫夾角θ較大時(shí)，系統(tǒng)對(duì)裂縫的測(cè)量范圍也較大，但光纖的安全儲(chǔ)備能力較低；而夾角較小時(shí)，測(cè)量范圍較小，安全儲(chǔ)備能力較高。

（3）當(dāng)裂縫和傳感光纖夾角成30°時(shí)，15～25 mm裂縫重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域已經(jīng)超出該系統(tǒng)的測(cè)量范圍；而在夾角為45°和60°時(shí)，該區(qū)域都處于系統(tǒng)的測(cè)量范圍之內(nèi)，這種情況下系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度。

為了進(jìn)一步對(duì)多種條件下系統(tǒng)在重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測(cè)能力進(jìn)行比較，提出了以識(shí)別度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

D=ΔP2.5-ΔP1.5d×100%（1）

式中：D為識(shí)別度（dB·mm-1）；ΔP2.5為裂縫寬度為25 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的光功率損耗值；ΔP1.5為裂縫寬度為15 mm時(shí)對(duì)應(yīng)的光功率損耗值；d為關(guān)注區(qū)域的裂縫寬度，本文取1 mm。

圖6為不同測(cè)試條件下的識(shí)別度，可以看出：裂縫的識(shí)別度D與夾角θ成負(fù)相關(guān)；同一夾角下，波長為1 550 nm時(shí)系統(tǒng)對(duì)于裂縫的識(shí)別度比1 310 nm時(shí)更好。

3.2建立預(yù)測(cè)模型

光纖裂縫傳感系統(tǒng)測(cè)得的裂縫處的光損耗與光纖裂縫交角以及測(cè)試光波波長的選取直接相關(guān)：交角不同，由裂縫產(chǎn)生的彎曲程度不同，因而光損耗不同；而測(cè)試波長不同，光波的折射率不同。可以得到光損耗a的表達(dá)式為

a=10lg（Pout/Pin）L（2）

式中：Pin、Pout分別為射入光纖的光功率值和輸出光纖的光功率值；L為光纖的長度。

根據(jù)光纖彎曲損耗的原理，分別對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)用最小二乘法進(jìn)行函數(shù)擬合，根據(jù)散點(diǎn)圖呈現(xiàn)S型增長的特點(diǎn)，本文選定的擬合函數(shù)為Gompertz函數(shù)和Logistic函數(shù)[56]。

夾角為45°的擬合結(jié)果如表3所示，同時(shí)表3也給出了各參數(shù)的誤差值。誤差值的物理意義是對(duì)應(yīng)參數(shù)的置信區(qū)間，誤差值越大，表明該參數(shù)取值的穩(wěn)定性越差?？梢钥闯觯珿ompertz模型和Logistic模型對(duì)于曲線的擬合效果都較好，擬合優(yōu)度較高。對(duì)比各參數(shù)誤差值可以看出，Logistic函數(shù)雖然具有較高的擬合優(yōu)度，但是參數(shù)的誤差值較高。擬合曲線如圖7、8所示。

為了對(duì)2種模型進(jìn)行進(jìn)一步的比較，本文引入了誤差率μ的概念

μ=ΔPS-ΔPYΔPS×100%

式中：ΔPS為實(shí)測(cè)光功率損耗值；ΔPY為預(yù)測(cè)光功率損耗值。

對(duì)于誤差率的分析如圖9所示。

當(dāng)誤差率不小于10%時(shí)認(rèn)為誤差偏大，可見該預(yù)測(cè)模型誤差偏大區(qū)域主要集中在裂縫發(fā)生的初始階段。對(duì)于Logistic模型，誤差偏大區(qū)域集中在裂縫寬度不大于07 mm的范圍；對(duì)于Gomperz模型而言，誤差偏大區(qū)域集中在裂縫寬度不大于11 mm的范圍，可見Logistic預(yù)測(cè)模型對(duì)于監(jiān)測(cè)較小裂縫更有優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于Gomperz模型而言，關(guān)注的寬度為1.5～2.5 mm裂縫區(qū)域的最大誤差率為-9.38%和-912%；而對(duì)于Logistic模型而言，2種波長在該區(qū)域的誤差率都小于5%，其中最大僅為3.2%，可見在1.5～2.5 mm裂縫寬度區(qū)域內(nèi)，Logistic預(yù)測(cè)模型具有更小的誤差率，預(yù)測(cè)值更可靠。

整體對(duì)比，去除誤差率偏大的區(qū)域，在整個(gè)曲線上的誤差率見表4，可以看出2種預(yù)測(cè)模型都能符合實(shí)際中光功率損耗值與裂縫寬度對(duì)應(yīng)關(guān)系的變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)曲線與實(shí)際曲線基本吻合。相對(duì)而言，Gomperz模型的預(yù)測(cè)值較實(shí)際值略微偏小，而Logistic模型的預(yù)測(cè)值較實(shí)際值略微偏大。

4縫面與光纖夾角對(duì)結(jié)果的影響分析

縫面與光纖夾角θ對(duì)光纖微彎損耗有顯著的影響，并且θ的大小與微彎損耗值之間有一定的相關(guān)性，本文專門設(shè)計(jì)了試驗(yàn)研究其相關(guān)性。

4.1試驗(yàn)步驟及結(jié)果

（1）首先將傳感光纖用環(huán)氧樹脂固定在測(cè)試臺(tái)上，使得光纖與模擬裂縫之間成θ角，θ的取值依次為10°、20°、30°、45°、60°、75°；傳感光纖依舊采用電信級(jí)光纖。

（2）旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺母加載裂縫，待系統(tǒng)變形充分后依次測(cè)量角度為θ、裂縫寬度為d情況下的光功率損耗值并做記錄，裂縫寬度d的取值分別為1、15、2 mm。

測(cè)試結(jié)果如表5、6所示。

4.2數(shù)據(jù)分析

分析表5、6可知，數(shù)據(jù)大致呈指數(shù)分布，因此選用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行回歸分析，指數(shù)函數(shù)的表達(dá)式為：Δp=AeB θ。其中，Δp是光功率損耗值（dB）；θ為裂縫面與光纖夾角；A、B為常數(shù)，其取值如表7所示。

由表7可以看出，在縫寬分別為1、1.5、2 mm的情況下，縫面與光纖的夾角與光功率損耗值的關(guān)系都能夠較好地符合指數(shù)分布，其擬合優(yōu)度均在099以上。相對(duì)于1 550 nm波長而言，波長為1 310 nm時(shí)光功率損耗值對(duì)于角度的變化更為敏感，縫寬分別為1、1.5、2 mm時(shí)，光功率損耗值比波長為1 550 nm時(shí)分別大118%、236%和81%。擬合后的曲線如圖10所示。

5結(jié)語

（1）本文以光時(shí)域反射為基礎(chǔ)研究裂縫寬度與光功率損耗值的關(guān)系，其結(jié)果服從三參數(shù)Logistic模型分布和Gomperz模型分布，2種模型均能準(zhǔn)確地反映路面裂縫監(jiān)測(cè)中光功率損耗值與縫寬的關(guān)系。相對(duì)于Gomperz模型而言，三參數(shù)Logistic預(yù)測(cè)模型在識(shí)別微小裂縫方面更有優(yōu)勢(shì)，并且在1.5～2.5 mm的重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域內(nèi)該模型比Gomperz模型的誤差率更低。

（2）傳感光纖與裂縫夾角對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有顯著的影響，試驗(yàn)證明：當(dāng)θ為30°時(shí)，系統(tǒng)對(duì)裂縫的測(cè)量范圍較小，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)路面1.5～2.5 mm寬度裂縫的監(jiān)測(cè)，當(dāng)θ為45°和60°時(shí)均有較好的測(cè)量范圍。

（3）在裂縫寬度給定的情況下，縫面與傳感光纖的夾角與光功率損耗值成指數(shù)關(guān)系分布，并且在裂縫寬度一定、波長為1 310 nm的測(cè)試條件下，光功率損耗值對(duì)于角度變化更敏感。

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