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标题 分布式路面裂缝传感技术研究
范文 裴建新



摘要：基于光时域反射原理（OTDR）的路面裂缝传感技术，通过自制裂缝调制器测量了沥青混凝土中裂缝宽度与光功率损耗的关系，并提出了Logistic和Gomperz预测模型，对2种预测模型在1.5～2.5 mm宽的裂缝的重点关注区域内的识别度D和误差率进行对比分析，得出结论：三参数Logistic预测模型对于裂缝宽度的预测效果更好。
关键词：光时域反射技术；沥青路面裂缝；Logistic模型；Gomperz模型
中图分类号：U418.3文献标志码：B 文章编号：1000033X（2016）06010406
0引言
沥青路面裂缝的监测对于保证沥青路面长期安全运营有着非常重要的意义。细小的纵向或横向裂缝会导致后期路面出现块裂或龟裂，这些裂缝受雨雪的侵蚀和交通荷载的共同作用将产生卿浆、坑槽等加速路面使用性能的降低和路面结构的破坏[1]。为了对沥青路面裂缝及时进行修复和加固，裂缝尤其是微小裂缝的实时监测尤为重要。
中国《公路技术状况评定标准》（JTG H20—2007）将沥青路面裂缝分为轻、重2个等级，裂缝宽度小于3 mm为轻裂缝，裂缝宽度大于3 mm为重裂缝。目前路面裂缝的检测方法主要是人工检测和依靠路面检测车进行图像采集的图像处理法，但是这些方法仅适用于裂缝较宽的重裂缝[23]，对于轻裂缝的检测还没有较好的方法，同时这些方法不能实现监测自动化，人工工作量较大。本文研究一种基于分布式实时监测的路面裂缝传感系统，试验证明该系统能够有效地对路面3 mm以下的轻裂缝进行监测，并且有利于实现监测的自动化。
1传感技术原理
基于分布式实时监测的路面裂缝传感系统的运用需要预知裂缝的走向，由于路面轻裂缝多是横向和纵向裂缝，因此可以预测可能产生的裂缝走向。该传感系统的原理如图1所示，将传感光纤与裂缝成一定角度埋设在路面结构内部，当裂缝产生时，光纤也会随之弯曲，
当一束探测光经过该光纤弯曲处时会发生散射损耗，其背向散射称之为瑞丽散射。通过光时域反射仪（OTDR）在探测光入射端对瑞丽散射进行探测，就可获知该弯曲点的光功率损耗值及弯曲点的位置信息[4]。图1中，a、b为光纤微弯位置，两光功率损耗值之和为两弯曲点的光功率损耗值。
2试验方案
2.1裂缝传感试验系统
为了获得光损耗值同裂缝宽度精确的关系，用车辙板来模拟实际沥青路面结构。
裂缝传感试验系统包括光时域反射计、传感光纤、加长光纤以及自己设计的裂缝调制器和沥青混合料试件，图2为自制的裂缝调制器。
光时域反射计采用AV6418型号， 其激光器类型为INGAASP FP，最大脉冲为50 mW，脉冲持续时间最长为10 μs，脉冲能量最大为500 nWs，输出功率为500 μW，波长为1 310、1 550、1 620 nm。传感器采用电信级单模通信光纤，该传感光纤的技术指标如表1所示。
2.2试验步骤
（1）车辙板成型。用车辙板来模拟沥青路面，首先按照规范采用轮碾法成型标准车辙试件，标准尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。
（2）试件切割。将已成型好的标准车辙板切割为150 mm×200 mm×50 mm的标准试件，切割采用金刚石锯片锯石机。
（3）开槽。将2块已成型好的试件组成一个300 mm×200 mm×50 mm的组合试件，并且在该组合试件上进行开槽，开槽采用金刚石锯片开槽机进行，槽的深度为10 mm，宽度为2 mm，槽与切面的夹角如图3所示。
（4）测试光纤固定。将光纤布设在槽内并用沥青进行浇注，为了使该系统在裂缝较大的情况下不至于被拉断，同时具有较好的测量范围，本文提出了光纤径向可微动的布设方法，为了达到在拉伸过程中径向可微动的要求，在浇注之前需要对传感光纤表面涂一层脱模剂。
（5）测试。测试需要在浇注完成后静置一段时间以后进行。首先，缓慢旋转裂缝调制器上的调节螺母，使试块裂缝宽度缓慢增加，同时观测千分表上的度数。裂缝每增加0.1 mm采集一次读数，每次采集数据之前需要将“开裂”后的试件静置45 min以上，这是为了使光纤涂覆层发生足够量的变形直至稳定。为了探究波长对结果的影响，每次采集过程中需要分别将时域反射计的波长调至1 550 nm和1 310 nm。
3试验结果及分析
3.1光功率损耗值
图4为在1 310 nm和1 550 nm波长条件下的光功率损耗值测试结果，可见每种条件下的曲线都呈现S型增长，有明显的识别点和转折点。从原理上来分析，当裂缝较小（小于05 mm）时，虽然传感光纤也有弯曲，但是弯曲半径R较大，其损耗可以认为是宏弯损耗，由于宏弯损耗的损耗值较小，所以用光时域反射仪探测结果并不显著。在裂缝较大（大于2.5 mm）的情况下，光纤弯曲半径R已达到极限值，当裂缝宽度继续扩展时，光纤的弯曲半径将不再发生显著变化，转而呈现径向拉伸，所以后期虽然裂缝宽度持续扩展，但是光功率损耗值并不显著增加，因此出现了转折点。
关键点试验结果见表2。识别点反映了该系统识别微小裂缝的能力，识别点到转折点的区间范围称为测量范围，该区域反映了系统的探测能力；极限点反映了该系统所能承受裂缝宽度的极值，当裂缝宽度大于该值时，传感光纤将会发生破坏，故将转折点到极限点之间范围称为安全储备。
考虑到路面裂缝的实际情况，本文将裂缝宽度为15～2.5 mm的范围作为重点关注区域，如图5所示，深色区域表示系统在该种条件下的测量范围，浅色区域表示系统的安全储备能力，虚线范围表示1.5～2.5 mm的重点关注区域。由图5可以得出以下结论。
（1）在2种波长、3种夹角的不同测试条件下，系统对于裂缝的初始识别能力基本相同。其中波长为1 550 nm、角度为30°的情况下能够识别宽度值更低的裂缝；波长为1 310 nm、角度为60°的情况下能够识别裂缝宽度的最小值相对较大。
（2）在1 310 nm或1 550 nm的测试波长下，光纤裂缝夹角θ较大时，系统对裂缝的测量范围也较大，但光纤的安全储备能力较低；而夹角较小时，测量范围较小，安全储备能力较高。
（3）当裂缝和传感光纤夹角成30°时，15～25 mm裂缝重点关注区域已经超出该系统的测量范围；而在夹角为45°和60°时，该区域都处于系统的测量范围之内，这种情况下系统具有较好的测量精度。
为了进一步对多种条件下系统在重点关注区域内的监测能力进行比较，提出了以识别度作为评价指标。
D=ΔP2.5-ΔP1.5d×100%（1）
式中：D为识别度（dB·mm-1）；ΔP2.5为裂缝宽度为25 mm时对应的光功率损耗值；ΔP1.5为裂缝宽度为15 mm时对应的光功率损耗值；d为关注区域的裂缝宽度，本文取1 mm。
图6为不同测试条件下的识别度，可以看出：裂缝的识别度D与夹角θ成负相关；同一夹角下，波长为1 550 nm时系统对于裂缝的识别度比1 310 nm时更好。
3.2建立预测模型
光纤裂缝传感系统测得的裂缝处的光损耗与光纤裂缝交角以及测试光波波长的选取直接相关：交角不同，由裂缝产生的弯曲程度不同，因而光损耗不同；而测试波长不同，光波的折射率不同。可以得到光损耗a的表达式为
a=10lg（Pout/Pin）L（2）
式中：Pin、Pout分别为射入光纤的光功率值和输出光纤的光功率值；L为光纤的长度。
根据光纤弯曲损耗的原理，分别对测得的数据用最小二乘法进行函数拟合，根据散点图呈现S型增长的特点，本文选定的拟合函数为Gompertz函数和Logistic函数[56]。
夹角为45°的拟合结果如表3所示，同时表3也给出了各参数的误差值。误差值的物理意义是对应参数的置信区间，误差值越大，表明该参数取值的稳定性越差。可以看出，Gompertz模型和Logistic模型对于曲线的拟合效果都较好，拟合优度较高。对比各参数误差值可以看出，Logistic函数虽然具有较高的拟合优度，但是参数的误差值较高。拟合曲线如图7、8所示。
为了对2种模型进行进一步的比较，本文引入了误差率μ的概念
μ=ΔPS-ΔPYΔPS×100%
式中：ΔPS为实测光功率损耗值；ΔPY为预测光功率损耗值。
对于误差率的分析如图9所示。
当误差率不小于10%时认为误差偏大，可见该预测模型误差偏大区域主要集中在裂缝发生的初始阶段。对于Logistic模型，误差偏大区域集中在裂缝宽度不大于07 mm的范围；对于Gomperz模型而言，误差偏大区域集中在裂缝宽度不大于11 mm的范围，可见Logistic预测模型对于监测较小裂缝更有优势。
对于Gomperz模型而言，关注的宽度为1.5～2.5 mm裂缝区域的最大误差率为-9.38%和-912%；而对于Logistic模型而言，2种波长在该区域的误差率都小于5%，其中最大仅为3.2%，可见在1.5～2.5 mm裂缝宽度区域内，Logistic预测模型具有更小的误差率，预测值更可靠。
整体对比，去除误差率偏大的区域，在整个曲线上的误差率见表4，可以看出2种预测模型都能符合实际中光功率损耗值与裂缝宽度对应关系的变化趋势，预测曲线与实际曲线基本吻合。相对而言，Gomperz模型的预测值较实际值略微偏小，而Logistic模型的预测值较实际值略微偏大。
4缝面与光纤夹角对结果的影响分析
缝面与光纤夹角θ对光纤微弯损耗有显著的影响，并且θ的大小与微弯损耗值之间有一定的相关性，本文专门设计了试验研究其相关性。
4.1试验步骤及结果
（1）首先将传感光纤用环氧树脂固定在测试台上，使得光纤与模拟裂缝之间成θ角，θ的取值依次为10°、20°、30°、45°、60°、75°；传感光纤依旧采用电信级光纤。
（2）旋转调节螺母加载裂缝，待系统变形充分后依次测量角度为θ、裂缝宽度为d情况下的光功率损耗值并做记录，裂缝宽度d的取值分别为1、15、2 mm。
测试结果如表5、6所示。
4.2数据分析
分析表5、6可知，数据大致呈指数分布，因此选用指数函数进行回归分析，指数函数的表达式为：Δp=AeB θ。其中，Δp是光功率损耗值（dB）；θ为裂缝面与光纤夹角；A、B为常数，其取值如表7所示。
由表7可以看出，在缝宽分别为1、1.5、2 mm的情况下，缝面与光纤的夹角与光功率损耗值的关系都能够较好地符合指数分布，其拟合优度均在099以上。相对于1 550 nm波长而言，波长为1 310 nm时光功率损耗值对于角度的变化更为敏感，缝宽分别为1、1.5、2 mm时，光功率损耗值比波长为1 550 nm时分别大118%、236%和81%。拟合后的曲线如图10所示。
5结语
（1）本文以光时域反射为基础研究裂缝宽度与光功率损耗值的关系，其结果服从三参数Logistic模型分布和Gomperz模型分布，2种模型均能准确地反映路面裂缝监测中光功率损耗值与缝宽的关系。相对于Gomperz模型而言，三参数Logistic预测模型在识别微小裂缝方面更有优势，并且在1.5～2.5 mm的重点关注区域内该模型比Gomperz模型的误差率更低。
（2）传感光纤与裂缝夹角对试验结果有显著的影响，试验证明：当θ为30°时，系统对裂缝的测量范围较小，不能实现对路面1.5～2.5 mm宽度裂缝的监测，当θ为45°和60°时均有较好的测量范围。
（3）在裂缝宽度给定的情况下，缝面与传感光纤的夹角与光功率损耗值成指数关系分布，并且在裂缝宽度一定、波长为1 310 nm的测试条件下，光功率损耗值对于角度变化更敏感。
参考文献：
[1]毛成.沥青路面裂纹形成机理及扩展行为研究[D].成都：西南交通大学.2004.
[2]陆健.图像系统在路面破损检测中的应用研究[D].南京：东南大学，2006.
[3]王荣本，王超.路面破损图像识别研究进展[J].吉林工业大学学报：工学版，2002，32（4）：9197.
[4]廖延彪.光纤传感技术的发展状况[J].激光与红外，1996（4）：244246.
[5]苑延华.关于Logistic模型参数估计的比较[J].黑龙江科技学院学报，2008，18（6）：474477.
[6]范晓秋，洪宝宁.Logistic和Gompertz曲线及其最优组合模型在沉降预测中的运用[J].防震减灾工程学报，2007，27（2）：192196.
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更新时间：2025/2/6 2:03:16