CN105572330B - 水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，包括光纤光栅传感器、光纤光栅解调设备、监控终端、混凝土湿度仪、支架，水泥稳定碎石试件固定在支架上，其中：将具有光纤光栅的传感光纤架设在支架上，传感光纤一端连接光纤光栅解调装置，光纤光栅解调装置能向传感光纤注入连续光并接收反射光，光纤光栅解调装置连接监控终端，监控终端能控制光纤光栅解调装置工作并接收、处理和显示光纤光栅解调装置传来的信息。本发明可以更加方便准确地对水泥稳定碎石的收缩量与温度、湿度的关系进行监测。
Description
技术领域
本发明属于材料检测的技术领域，尤其涉及水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置及方法。
背景技术
作为一种半刚性材料，水泥稳定碎石具有强度高、刚度大、整体性和水稳性好等优点，已成为高等级公路主要的基层材料。但在使用中，水泥稳定碎石基层易产生干燥收缩和温度收缩。当水泥稳定碎石基层抗拉强度低于干缩和温缩应力时，就会产生裂缝，在行车荷载和环境因素的综合作用下产生反射裂缝，进而影响路面的使用性能和使用寿命。因此，对水泥稳定碎石的干缩、温缩变形研究具有极其重要的意义和价值。
目前水泥稳定碎石收缩（干缩和温缩）变形的检测技术主要是千分表法和应变片法。将水泥稳定碎石试件放在装置内的底板上，然后在两端支架上安装千分表。由于支架和底板是一个整体，所以当把整个实验装置放入温湿度控制仪中，在温度变化的情况下，不仅水泥稳定碎石产生了温缩变形，装置的底板也随着温度的变化产生了一定的变形量。因此，千分表测得的数据不够准确。另外，千分表的稳定性较差，在测量干缩变形时，受外界环境的扰动影响非常明显，所以实验会产生较大的误差。应变片法在长期监测中，容易发生温飘，结果也容易产生较大误差。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种采用光纤光栅检测、能更加准确的测量水泥稳定碎石等材料的干缩系数、温缩系数的检测装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，包括具有光纤光栅的传感光纤、光纤光栅解调装置、监控终端、用于检测水泥稳定碎石试件的含水量的混凝土湿度仪以及支架，水泥稳定碎石试件固定在支架上，其中：传感光纤架设在支架上，传感光纤一端连接光纤光栅解调装置，光纤光栅解调装置能向传感光纤注入连续光并接收反射光，光纤光栅解调装置连接监控终端，监控终端能控制光纤光栅解调装置工作并接收、处理和显示光纤光栅解调装置传来的信息。
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
上述的支架包括左架体和右架体，左架体和右架体之间不接触，左架体和右架体上均设置有锚索孔，光纤光栅两侧的光纤段分别穿过相应的锚索孔，锚索孔处设置有夹片，传感光纤穿过夹片中部的固定孔，然后夹片挤入锚索孔中，使固定孔的孔径缩小，进而将传感光纤固定。
上述的支架放置在底板平台上，支架与底板平台之间设有滚动棒，支架通过滚动棒与底板平台滚动配合。
上述的滚动棒为玻璃棒。
上述的夹片为橡胶片。
上述的光纤光栅解调装置包括激光发射器和数据解调器，激光发射器用于向传感光纤中注入连续光，数据解调器用于接收反射光并解调反射光光谱。
水泥稳定碎石干缩系数检测方法：包括以下步骤：
步骤一、将底板平台、滚动棒和支架由下至上依次拼接后，放入温湿度控制室中，水泥稳定碎石试件放在支架上，水泥稳定碎石试件两端分别抵住左架体和右架体，将传感光纤架设在支架上并连接光纤光栅解调装置；
步骤二、进行光路的校核，避免传感光纤光路中断现象的发生；
步骤三、将控制室温度设定为20℃±1℃，相对湿度控制为60%±5%；
步骤四、在水泥稳定碎石试件表面放置混凝土湿度仪，混凝土湿度仪自动检测水泥稳定碎石的含水量变化，并将信息传递至监控终端；
步骤五、光纤光栅解调装置向传感光纤中注入连续光，并接收光纤光栅的反射光谱，光纤光栅解调装置将解调后的波长数据输入监控终端处理；
步骤六、监控终端将波长数据换算为水泥稳定碎石试件的干缩系数，并将信息实时显示。
水泥稳定碎石温缩系数的检测方法：包括以下步骤：
步骤一、将底板平台、滚动棒和支架由下至上依次拼接后，放入温湿度控制室中，水泥稳定碎石试件放在支架上，水泥稳定碎石试件两端分别抵住左架体和右架体，将传感光纤架设在支架上并连接光纤光栅解调装置；
步骤二、进行光路的校核，避免传感光纤光路中断现象的发生；
步骤三、将控制室温度设定为40℃～-20℃，试验从高温开始，逐级降温，每级温差10℃，每级保温3小时；在保温的最后5分钟开始测量；
步骤四、光纤光栅解调装置向传感光纤中注入连续光，并接收光纤光栅的反射光谱，光纤光栅解调装置将解调后的波长数据输入监控终端处理；
步骤六、监控终端将波长数据换算为水泥稳定碎石试件的温缩系数，并将信息实时显示。
光纤光栅技术是一种基于波域的光纤传感技术，其敏感元件是光纤光栅。光纤光栅传感器不仅具有抗电磁干扰、耐腐蚀、耐久性好、体积小、重量轻等优点，而且还具有其它类型的光纤传感器无可比拟的优点，主要有：它是用波长编码来传感信号，而不是用信号的幅度响应，对光纤连接器和耦合器、光纤弯曲、光源不稳定等无需任何补偿措施；在波分或时分多参数传感应用中，只需一台仪器就可实现询址，易于制作光纤传感器网络；光纤光栅的敏感部分写入在纤芯，由其组成的传感器无需光纤连接器、机械装配、研磨工艺和对准工艺；光纤光栅传感器灵敏度高、动态范围大等。本发明利用光纤光栅中心波长漂移与光纤传感应变量的线性关系，准确地监测水泥稳定碎石的干缩应变和温缩应变，极大地减小了实验误差。
除了使用光纤光栅，本发明对还做了大量创新设计。将装置中的底板平台和支架分开，这样可以避免由于底板平台的变形带来的数据上的误差。采用混凝土湿度仪检测水泥稳定碎石的含水量变化，提高了自动性。通过编制程序将监测结果及时导入具有MATLAB软件的监控终端中，降低了数据处理的强度，减少了出错的几率，干缩、温缩系数的变化更加直观。
与千分表法、应变片法相比，本发明的装置和方法检测干缩、温缩系数更加优越，测出的数据更加准确合理，且光纤光栅可以重复利用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为水泥稳定碎石监测装置侧面示意图；
图3为锚索孔夹片示意图。
其中的附图标记为：光纤光栅1、光纤光栅解调装置2、监控终端3、底板平台4、滚动棒5、水泥稳定碎石试件6、支架7、锚索孔71、夹片72、混凝土湿度仪8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作详细说明。
水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，包括具有光纤光栅1的传感光纤、光纤光栅解调装置2、监控终端3、用于检测水泥稳定碎石试件6的含水量的混凝土湿度仪8以及支架7，水泥稳定碎石试件6固定在支架7上，其中：传感光纤架设在支架7上，传感光纤一端连接光纤光栅解调装置2，光纤光栅解调装置2能向传感光纤注入连续光并接收反射光，光纤光栅解调装置2连接监控终端3，监控终端3能控制光纤光栅解调装置2工作并接收、处理和显示光纤光栅解调装置2传来的信息。
实施例中，支架7包括左架体和右架体，左架体和右架体之间不接触，左架体和右架体上均设置有锚索孔71，光纤光栅1两侧的光纤段分别穿过相应的锚索孔71，锚索孔71处设置有夹片72，传感光纤穿过夹片72中部的固定孔，然后夹片72挤入锚索孔71中，使固定孔的孔径缩小，进而将传感光纤固定。
实施例中，支架7放置在底板平台4上，支架7与底板平台4之间设有滚动棒5，支架7通过滚动棒5与底板平台4滚动配合。
实施例中，滚动棒5为玻璃棒。
实施例中，夹片72为橡胶片。
实施例中，光纤光栅解调装置2包括激光发射器和数据解调器，激光发射器用于向传感光纤中注入连续光，数据解调器用于接收反射光并解调反射光光谱。
水泥稳定碎石干缩系数检测方法：包括以下步骤：
步骤一、将底板平台4、滚动棒5和支架7由下至上依次拼接后，放入温湿度控制室中，水泥稳定碎石试件6放在支架7上，水泥稳定碎石试件6两端分别抵住左架体和右架体，将传感光纤架设在支架7上并连接光纤光栅解调装置2；
步骤二、进行光路的校核，避免传感光纤光路中断现象的发生；
步骤三、将控制室温度设定为20℃±1℃，相对湿度控制为60%±5%；
步骤四、在水泥稳定碎石试件6表面放置混凝土湿度仪8，混凝土湿度仪8自动检测水泥稳定碎石的含水量变化，并将信息传递至监控终端3；
步骤五、光纤光栅解调装置2向传感光纤中注入连续光，并接收光纤光栅1的反射光谱，光纤光栅解调装置2将解调后的波长数据输入监控终端3处理；
步骤六、监控终端3将波长数据换算为水泥稳定碎石试件6的干缩系数，
最后，通过编制程序把测量的应变、含水量信息导入到9 MATLAB程序。由MATLAB程序实时显示水泥稳定碎石的干缩系数。
本发明的工作原理是将传感光纤锚固在随着水泥稳定碎石干缩温缩变形而产生位移的锚具上，利用光纤光栅中心波长漂移与光纤传感应变量的线性关系，监测水泥稳定碎石干缩、温缩变形的发展规律。
干缩系数换算公式（1）如下：
（1）
式中：
——第i次失水率(%)；
——第i次干缩应变(%)；
——干缩系数，指单位湿度变化下材料的线收缩系数。
水泥稳定碎石温缩系数的检测方法：包括以下步骤：
步骤一、将底板平台4、滚动棒5和支架7由下至上依次拼接后，放入温湿度控制室中，水泥稳定碎石试件6放在支架7上，水泥稳定碎石试件6两端分别抵住左架体和右架体，将传感光纤架设在支架7上并连接光纤光栅解调装置2；
步骤二、进行光路的校核，避免传感光纤光路中断现象的发生；
步骤三、将控制室温度设定为40℃～-20℃，试验从高温开始，逐级降温，每级温差10℃，每级保温3小时；在保温的最后5分钟开始测量；
步骤四、光纤光栅解调装置2向传感光纤中注入连续光，并接收光纤光栅1的反射光谱，光纤光栅解调装置2将解调后的波长数据输入监控终端3处理；
步骤六、监控终端3将波长数据换算为水泥稳定碎石试件6的温缩系数，并将信息实时显示。
通过公式（2）计算温缩系数。
（2）
式中：
——温度控制程序设定的第i个温度区间(℃)；
——第i个温度下的平均收缩应变(%)；
——温缩系数，指单位温度变化下材料的线收缩系数。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，包括具有光纤光栅(1)的传感光纤、光纤光栅解调装置(2)、监控终端(3)、用于检测水泥稳定碎石试件(6)的含水量的混凝土湿度仪(8)以及支架(7)，水泥稳定碎石试件(6)固定在支架(7)上，其特征是：所述的传感光纤架设在支架(7)上，传感光纤一端连接光纤光栅解调装置(2)，所述的光纤光栅解调装置(2)能向传感光纤注入连续光并接收反射光，所述的光纤光栅解调装置(2)连接监控终端(3)，所述的监控终端(3)能控制光纤光栅解调装置(2)工作并接收、处理和显示光纤光栅解调装置(2)传来的信息；所述的支架(7)包括左架体和右架体，左架体和右架体之间不接触，所述的左架体和右架体上均设置有锚索孔(71)，所述的光纤光栅(1)两侧的光纤段分别穿过相应的锚索孔(71)，所述的锚索孔(71)处设置有夹片(72)，所述的传感光纤穿过夹片(72)中部的固定孔，然后夹片(72)挤入锚索孔(71)中，使固定孔的孔径缩小，进而将传感光纤固定。
2.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，其特征是：所述的支架(7)放置在底板平台(4)上，支架(7)与底板平台(4)之间设有滚动棒(5)，所述的支架(7)通过滚动棒(5)与底板平台(4)滚动配合。
3.根据权利要求2所述的水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，其特征是：所述的滚动棒(5)为玻璃棒。
4.根据权利要求3所述的水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，其特征是：所述的夹片(72)为橡胶片。
5.根据权利要求1所述的水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置，其特征是：所述的光纤光栅解调装置(2)包括激光发射器和数据解调器，所述的激光发射器用于向传感光纤中注入连续光，所述的数据解调器用于接收反射光并解调反射光光谱。
6.一种利用权利要求1所述的水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置检测水泥稳定碎石干缩系数的方法：其特征是：包括以下步骤：
步骤一、将底板平台(4)、滚动棒(5)和支架(7)由下至上依次拼接后，放入温湿度控制室中，水泥稳定碎石试件(6)放在支架(7)上，水泥稳定碎石试件(6)两端分别抵住左架体和右架体，将传感光纤架设在支架(7)上并连接光纤光栅解调装置(2)；
步骤二、进行光路的校核，避免传感光纤光路中断现象的发生；
步骤三、将控制室温度设定为20℃±1℃，相对湿度控制为60%±5%；
步骤四、在水泥稳定碎石试件(6)表面放置混凝土湿度仪(8)，混凝土湿度仪(8)自动检测水泥稳定碎石的含水量变化，并将信息传递至监控终端(3)；
步骤五、光纤光栅解调装置(2)向传感光纤中注入连续光，并接收光纤光栅(1)的反射光谱，光纤光栅解调装置(2)将解调后的波长数据输入监控终端(3)处理；
步骤六、监控终端(3)将波长数据换算为水泥稳定碎石试件(6)的干缩系数，并将信息实时显示。
7.一种利用权利要求1所述的水泥稳定碎石干缩、温缩系数智能型监测装置检测水泥稳定碎石温缩系数的方法：其特征是：包括以下步骤：
步骤一、将底板平台(4)、滚动棒(5)和支架(7)由下至上依次拼接后，放入温湿度控制室中，水泥稳定碎石试件(6)放在支架(7)上，水泥稳定碎石试件(6)两端分别抵住左架体和右架体，将传感光纤架设在支架(7)上并连接光纤光栅解调装置(2)；
步骤二、进行光路的校核，避免传感光纤光路中断现象的发生；
步骤三、将控制室温度设定为40℃～-20℃，试验从高温开始，逐级降温，每级温差10℃，每级保温3小时；在保温的最后5分钟开始测量；
步骤四、光纤光栅解调装置(2)向传感光纤中注入连续光，并接收光纤光栅(1)的反射光谱，光纤光栅解调装置(2)将解调后的波长数据输入监控终端(3)处理；
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