CN205192441U - 基于光纤光栅的圆柱形试验试件双向应变测试传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种基于光纤光栅的圆柱形试验试件双向应变测试传感器，属于道路实验设备领域。环向光纤光栅经由环向光纤光栅固定装置环向围绕固定于圆柱形试验试件环向横截面，竖向光纤光栅经由竖向光纤光栅顶部固定装置和竖向光纤光栅底部固定装置固定于圆柱形试验试件竖向外侧。环向光纤光栅，竖向光纤光栅分别与数据采集***相连。本实用新型利用光纤光栅本身体积轻巧、柔韧性好、耐高温、采数频率高的特点，用于圆柱形沥青混凝土试件动静态加载试验中，弥补一般变形传感器对于环向变形量测，以及高频动态过程量测的功能局限，对圆形截面的环向变形进行高频率、高精度的有效量测，解决圆柱体试件在动载下竖向、环向变形同步量测的技术难题。
Description
技术领域
本实用新型属于道路实验设备领域，涉及到的是一种将光纤光栅量测技术应用于沥青混合料试块室内试验；配合试验机加载，测量沥青混合料试件在动态荷载、复杂加载历史下的实时竖向、侧向(双向)响应，从而获得相应动态力学参数的实验技术。
背景技术
本量测技术可以满足里沥青混合料在规定温度、加载方式(静载、动载、复杂加载)、采样频率要求下的竖向、横向变形(应变)测量的需要，根据加载波形和加载频率的不同，可以对数据的采样频率进行调节；通过光纤光栅传感器的试验数据计算沥青混合料试件的动态力学参数(包括动态模量E*、动态泊松比μ*)。同时，根据需要可以在试验中对复杂波形加载下混合料试件的变形进行全过程的数据采集，从而满足针对沥青混合料粘弹力学特性的研究需要，改善该方面研究试验手段缺乏的困境。
伴随我国经济的稳步发展，高等级公路的建设又迎来了一个新的时期；特别是在经济建设的大环境下，各行业对交通运输***提出了新的、更高的要求；突出表现在交通量的增长以及轴载水平的提高。因此，为实现公路运输体系的有效运转，必须保证高等级公路的服务水平；这就要求针对新环境下路面结构功能的需要以及由新变化导致的一系列路面早期损坏现象，进行科学的研究分析，改进现行设计方法中的不足。因此，提出新的、有效的试验手段及研究方法成为了一种迫切的需要。
06年颁布的现行沥青路面设计规范(JTGD50‐2006)，在应用过程中遇到了一些局限；特别是针对现今最为普遍的高温、重载作用下路面结构永久变形的控制方面表现不佳。另外，沥青混合料本身的粘‐弹力学特性也没能在设计方法以及试验规程中很好的体现。针对这一点，11年颁布了新的沥青混合料试验规程(JTGE20‐2011)，其主要特点是借鉴了国外一些关于沥青混合料动态力学参数的测定试验，结合粘弹性理论分析材料在高温重载下抵抗永久变形的能力。但新的路面结构设计规范却迟迟没有颁布，一个重要的原因是由于针对新的研究着眼点和新的设计参数，需要有便于工程应用的、有效的量测手段予以配合，而现有的绝大部分试验方法以经验性为主，这就造成了试验指标与结构设计参数的结合遇到了很大的困难。
在沥青混合料动态力学分析成为主流的今天，很多学者已经对将动态模量E*引入结构计算进行了深入的分析，但是对于另一个重要的力学参数泊松比μ的分析涉及很少，特别是在动态加载下所表现出的泊松比μ*的量测和分析几乎是一片空白；其原因是混合料试件在动载下侧向变形的量测要在控制温度、加载频率的情况下实现全过程的量测，存在着很多的技术难点。对于沥青混合料，进行常规三轴试验难度很大；现行试验规范仅涉及静态泊松比而非动态加载测量，采用的试验方法为间接拉伸，通过测量试件某截面横向、纵向的应变，计算泊松比的代表值。但是，该方法是只考虑一个平面某一局部的近似方法，本身存在局限，且操作较繁琐。
由于圆柱型试件的室内试验具有受力形式简单、清晰，且易于同理论相结合的优势，成为材料力学性质研究实验的首选。另外，光纤光栅元件具有柔韧性好，耐高温，且数据采集频率高的特点，故可将光纤光栅元件布设于沥青混合料试件的圆柱形表面，实现在指定温度和频率下的数据采集；因此采用光栅量测技术结合万能试验机加载就可以实现动态加载下沥青混合料竖向、侧向变形响应的同时测量，从而获得动态泊松比μ*；本量测技术不仅适用于沥青混合料，对于其它圆柱形固体材料试件同样适用，且试验设备零件设计轻巧、操作简单并易于应用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于光纤光栅高精度应变测试技术，同时测试圆柱形试验试件竖向、环向的双向动静态应变的传感器。
本实用新型的技术方案：
基于光纤光栅的圆柱形试验试件双向应变测试传感器，同时测试圆柱形试验试件竖向和环向的双向动静态应变的传感器，包括光纤光栅、光纤光栅夹持块、竖向光纤光栅顶部固定装置、竖向光纤光栅底部固定装置和环向光纤光栅固定装置；竖向光纤光栅顶部固定装置包括试件加载上盖、竖向松紧调节螺母和顶部固定挡板；竖向光纤光栅底部固定装置包括底部固定挡板和试件底座；环向光纤光栅固定装置包括松紧调控螺母和环向光纤光栅夹具；按照圆柱形试验试件的长度，通过光纤光栅夹持块夹持光纤光栅两端；环向光纤光栅经环向光纤光栅固定装置环向围绕固定于圆柱形试验试件环向横截面，竖向光纤光栅经竖向光纤光栅顶部固定装置和竖向光纤光栅底部固定装置固定于圆柱形试验试件竖向外侧；将环向光纤光栅和竖向光纤光栅分别与数据采集***相连；
环向光纤光栅部分：将环向光纤光栅环向围绕于圆柱形试验试件环向横截面；通过转动松紧调控螺母减小环向光纤光栅夹具两端悬臂的距离，使得环向光纤光栅两端伸出的光纤光栅夹持块嵌于悬臂的两端，转动松紧调控螺母增大环向光纤光栅悬臂两端的距离，使得围绕于圆柱形试验试件上的环向光纤光栅被反向拉紧，通过环向光纤光栅数据采集设备实时控制；
竖向光纤光栅部分：将竖向光纤光栅两端的光纤光栅夹持块分别固定于圆柱形试验试件上的顶部固定挡板和底部固定挡板，并通过调节顶部固定挡板上的竖向松紧调节螺母使得竖向光纤光栅具备预应变，预应变大小根据实验中将要产生的竖向变形总量确定。
环向光纤光栅夹具由两个重叠可相对滑动的悬臂组成，通过连接处的旋转螺母来调节两悬臂的相对位置，改变悬臂两端相对距离，拉紧所固定环向光纤光栅。
光纤光栅夹持块采用纤维强化塑料(FRP，FiberReinforcedPolymer)、环氧树脂材料或焊接金属制成，竖向光纤光栅顶部固定装置、竖向光纤光栅底部固定装置和环向光纤光栅固定装置采用金属或纤维强化塑料制成。
竖向光纤光栅及环向光纤光栅的数量根据实际实验需要进行增减，通过改变竖向光纤光栅顶部固定装置和竖向光纤光栅底部固定装置的预留孔数以及环向光纤光栅固定装置的使用数量实现。
本实用新型的有益效果：该圆柱形试验试件双向应变测试传感器通过将光纤光栅固定于圆柱形试验试件的环侧周围，调节松紧使光栅元件与试件变形一致，从而测量环向变形；通过底座和上盖装置用以竖向固定光纤光栅，预拉紧光栅为竖向变形测量提供空间，同时使得光栅元件方便拆卸更换或反复利用。本实用新型利用光纤光栅本身体积轻巧、柔韧性好、耐高温、采数频率高的特点，用于圆柱形沥青混凝土试件动静态加载试验当中，弥补一般变形传感器对于环向变形量测，以及高频动态过程量测的功能局限，对圆形截面的环向变形进行高频率、高精度的有效量测，进而解决圆柱体试件在动载下竖向、环向变形同步量测的技术难题。本实用新型获得的圆柱形试件动态加载下的竖向、环向的变形信息、一方面可以作为动态力学参数(E*、μ*)的量测手段，也可以用于沥青混凝土试件在复杂荷载作用下竖向、环向全过程变形信息的量测，用于研究沥青混合料的粘弹性力学特性。
附图说明
图1为基于光纤光栅的圆柱形试验试件双向应变测试传感器结构示意图。
图2为环向光纤光栅固定示意图。
图3(a)为环向光纤光栅固定装置。
图3(b)为环向光纤光栅固定装置分解图。
图4为竖向光纤光栅顶部固定装置。
图5为竖向光纤光栅底部固定装置。
图中：1试件加载上盖；2竖向松紧调节螺母；3光纤光栅夹持块；4顶部固定挡板；5圆柱形试验试件；6竖向光纤光栅；7环向光纤光栅；8松紧调控螺母；9环向光纤光栅夹具；10底部固定挡板；11试件底座。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明实用新型的具体实施方式。
实施例
基于光纤光栅的圆柱形试验试件双向应变测试传感器是基于光纤光栅量测技术，通过设计的顶部、底部以及环向装置将光纤光栅传感器固定于圆柱形试验试件的环向和侧向；如附图所示，组装体主要包括环向传感器固定装置(图1、2、3)和竖向传感器固定装置(图1、4、5)；数据采集设备和试验加设备图略。
在设备组装前，将所需光纤光栅按照设计长度两端利用光纤光栅夹持块3做夹持处理。
环向光纤光栅传感器的组装方式为：将环向光纤光栅7环向围绕于圆柱形试验试件5环向横截面；通过转动松紧调控螺母8来减小环向光纤光栅夹具9两端悬臂的距离，使得环向光纤光栅7两端伸出的光纤光栅夹持块3能够嵌于悬臂的两端，之后转动松紧调控螺母8增大元件悬臂两端的距离，使得围绕于圆柱形试验试件5上面的环向光纤光栅7被反向拉紧，拉紧程度可以通过光纤光栅数据采集设备实时控制；
竖向光纤光栅传感器的组装方式为：将竖向光纤光栅6两端的光纤光栅夹持块3分别固定于试件顶部固定装置和底部固定装置的顶部固定挡板4和底部固定挡板10的上部和下部，通过调节顶部固定装置上的竖向松紧调节螺母2使得光纤光栅元件在试验初期具备预应变(预应变大小根据实验中将要产生的竖向变形总量确定)；
最后，将环向光纤光栅，竖向光纤光栅传感器与的数据采集***相连，以同步采集实验数据。并将组装好的试件置于试验机的环境箱内，通过控制试验温度与加载方式进行试验。
Claims (2)
1.一种基于光纤光栅的圆柱形试验试件双向应变测试传感器，其特征在于，该圆柱形试验试件双向应变测试传感器是同时测试圆柱形试验试件竖向和环向的双向动静态应变的传感器，包括光纤光栅、光纤光栅夹持块、竖向光纤光栅顶部固定装置、竖向光纤光栅底部固定装置和环向光纤光栅固定装置；竖向光纤光栅顶部固定装置包括试件加载上盖、竖向松紧调节螺母和顶部固定挡板；竖向光纤光栅底部固定装置包括底部固定挡板和试件底座；环向光纤光栅固定装置包括松紧调控螺母和环向光纤光栅夹具；按照圆柱形试验试件的长度，通过光纤光栅夹持块夹持光纤光栅两端；环向光纤光栅经环向光纤光栅固定装置环向围绕固定于圆柱形试验试件环向横截面，竖向光纤光栅经竖向光纤光栅顶部固定装置和竖向光纤光栅底部固定装置固定于圆柱形试验试件竖向外侧；将环向光纤光栅和竖向光纤光栅分别与数据采集***相连；
环向光纤光栅部分：将环向光纤光栅环向围绕于圆柱形试验试件环向横截面；通过转动松紧调控螺母减小环向光纤光栅夹具两端悬臂的距离，使环向光纤光栅两端伸出的光纤光栅夹持块嵌于悬臂的两端，转动松紧调控螺母增大环向光纤光栅悬臂两端的距离，使围绕于圆柱形试验试件上的环向光纤光栅被反向拉紧，通过环向光纤光栅数据采集设备实时控制；所述的环向光纤光栅夹具由两个重叠可相对滑动的悬臂组成，通过连接处的旋转螺母调节两悬臂的相对位置，改变悬臂两端相对距离，拉紧所固定环向光纤光栅；
竖向光纤光栅部分：将竖向光纤光栅两端的光纤光栅夹持块分别固定于圆柱形试验试件上的顶部固定挡板和底部固定挡板，并通过调节顶部固定挡板上的竖向松紧调节螺母使得竖向光纤光栅具备预应变，预应变根据产生的竖向变形总量确定。
2.根据权利要求1所述的圆柱形试验试件双向应变测试传感器，其特征在于，所述的光纤光栅夹持块采用纤维强化塑料、环氧树脂材料或焊接金属制成；竖向光纤光栅顶部固定装置、竖向光纤光栅底部固定装置和环向光纤光栅固定装置采用金属或纤维强化塑料制成。
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