專利名稱：測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法。
背景技術(shù)：
浙青混合料是一種粘彈塑性材料，具有明顯的感溫性能和流變特性。浙青路面是由浙青混合料鋪筑而成層狀構(gòu)筑物，應(yīng)力場和溫度場的共同作用會對浙青路面的路用性能產(chǎn)生重大影響，因此，浙青路面溫度場是研究浙青路面路用性能的基礎(chǔ)工作之一。研究路面溫度場分布的方法，一種是通過對太陽輻射、大氣溫度和材料熱特性分析而得到的理論模型預(yù)估方法，另一種則是通過路面現(xiàn)場實(shí)測方法來獲得路面的實(shí)際溫度。路面實(shí)測方法中一種是采用電子測溫計(jì)對路表溫度進(jìn)行測量，另一種則是在路面內(nèi)部安裝溫度傳感器對路面溫度進(jìn)行實(shí)測。采用電子測溫計(jì)通常只能得到路面表面溫度，數(shù)據(jù)不夠充分。在路面內(nèi)部安裝的傳感器，最常使用的類型是電學(xué)溫度傳感器，但這類傳感器因受到傳輸導(dǎo)線電阻影響大，所以很難實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量，進(jìn)而使得長期連續(xù)溫度監(jiān)測成為困難。光纖光柵傳溫度感器，因其具有高靈敏、高精度、高穩(wěn)定性及較強(qiáng)的抗電磁場能力，近年來越來越多地被應(yīng)用到土木工程領(lǐng)域。使用光纖光柵傳溫度感器對浙青路面進(jìn)行長期監(jiān)測具有巨大的優(yōu)越性，在實(shí)際項(xiàng)目采用光纖光柵傳感器測量浙青路面內(nèi)部溫度，能夠滿足浙青路面溫度場的遠(yuǎn)距離長期連續(xù)觀測，具有較高的實(shí)用價值，目前已在實(shí)際項(xiàng)目中得到應(yīng)用。根據(jù)光纖光柵傳感器的溫度測量原理，我們知道傳感器的溫度變化和波長改變具有良好的線性關(guān)系，如 公式(I)所示。但是由于光纖光柵傳感器的特性，它是通過反射波長變化來計(jì)算溫度的變化，得到的結(jié)果也是一段時間內(nèi)的溫度變化值，若想得到待測物體的絕對溫度值，則必須對傳感器進(jìn)行絕對溫度的標(biāo)定。Δ λ = α τΔΤ (I)式中:Λ λ——傳感器反射波長變化；α τ——傳感器溫度靈敏度系數(shù)；Δ T——溫
度變化量。對于光纖光柵傳感器的標(biāo)定，絕大多數(shù)研究米用在室內(nèi)試驗(yàn)室標(biāo)定，然后用于實(shí)際浙青路面中，傳感器的絕對溫度標(biāo)定值和溫度靈敏度系數(shù)采用試驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果。但是根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，傳感器的絕對溫度標(biāo)定值和溫度靈敏度系數(shù)在埋入路面前后發(fā)生了巨大變化，且無規(guī)律可循。因此，合理的標(biāo)定方法應(yīng)當(dāng)是在光纖光柵傳感器埋入路面內(nèi)部后，再對傳感器的絕對溫度值和靈敏度系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。但是目前還沒有路面現(xiàn)場光纖光柵溫度傳感器絕對溫度和靈敏度系數(shù)的標(biāo)定方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有的采用室內(nèi)試驗(yàn)室標(biāo)定光纖光柵溫度傳感器的方法的絕對溫度標(biāo)定值和溫度靈敏度系數(shù)相對于路面現(xiàn)場需求的誤差大的問題，從而提供一種測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法。
測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn):步驟一、在浙青層中的SMA-16上面層的底部、AC-20中面層的底部、IOcm AC-25下面層的底部和ATB-30基層的底部分別埋設(shè)一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4 ；在浙青層中的SMA-16上面層、AC-20中面層、IOcm AC-25下面層和ATB-30基層中分別埋設(shè)一號熱電偶D1、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4 ；步驟二、采用光纖光柵解調(diào)儀分別通過四根光纖以時間間隔Al對一號光纖光柵溫度傳感器SI的波長、二號光纖光柵溫度傳感器S2的波長、三號光纖光柵溫度傳感器S3的波長和四號光纖光柵溫度傳感器S4的波長進(jìn)行NI次采集；A1為正數(shù)，NI為大于2的整數(shù)；

米用熱電偶溫度測量裝置以時間間隔A2分別對一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4進(jìn)行N2次溫度采集；N2為大于或等于2的整數(shù)；A2為正數(shù)；步驟三、通過公式:Δ λ = a Ti ΔΤi = 1、2、3或4 ;獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的溫度靈敏度系數(shù)a Ti ；式中:Λ λ為NI次采集第i個光纖光柵溫度傳感器波長的變化量；Λ T為N2次采集第i個熱電偶的溫度變化量；步驟四、通過公式:T = T0+ α 1 Ti ( λ - λ 0)獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的絕對溫度標(biāo)定值；式中=Ttl為初始的標(biāo)定溫度；λ為第N次采集第i個光纖光柵溫度傳感器波長值；λ ^為初始標(biāo)定光纖光柵溫度傳感器的波長值； αr=1/αr，完成測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定?！柟饫w光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4位于一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的 0.8mο一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。本發(fā)明在路面現(xiàn)場的標(biāo)定光纖光柵溫度傳感器，獲得光纖光柵溫度傳感器的絕對溫度標(biāo)定值和溫度靈敏度系數(shù)。本發(fā)明方法新穎、簡潔、可操作性強(qiáng)，方便適用于多種環(huán)境下的光纖光柵溫度傳感器的標(biāo)定。


圖1是本發(fā)明中光纖光柵溫度傳感器和熱電偶埋設(shè)在浙青層的位置示意圖；其中B表示浙青層中的SMA-16上面層、C表示AC-20中面層、D表示IOcm AC-25下面層和E表示ATB-30基層；
圖2是本發(fā)明的測量原理示意圖；圖3是具體實(shí)施方式
二中24小時中路面溫度變化引起的光纖光柵傳感器波長隨時間變化量的仿真示意圖；圖4是具體實(shí)施方式
二中24小時中路面溫度變化引起的光纖光柵傳感器波長隨溫度變化量的仿真示意圖；圖5是具體實(shí)施方式
二中根據(jù)波長計(jì)算得到路面內(nèi)部溫度的24小時的變化量仿
真示意圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖2說明本具體實(shí)施方式
，測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn):步驟一、在浙青層中的SMA-16上面層的底部、AC-20中面層的底部、IOcm AC-25下面層的底部和ATB-30基層的底部分別埋設(shè)一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4 ；在浙青層中的SMA-16上面層、AC-20中面層、IOcm AC-25下面層和ATB-30基層中分別埋設(shè)一號熱電偶D1、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4 ；步驟二、采用光纖光柵解調(diào)儀分別通過四根光纖以時間間隔Al對一號光纖光柵溫度傳感器SI的波長、二號光纖光柵溫度傳感器S2的波長、三號光纖光柵溫度傳感器S3的波長和四號光纖光柵溫度傳感器S4的波長進(jìn)行NI次采集；A1為正數(shù)，NI為大于2的整數(shù)； 采用熱電偶溫度測量裝置以時間間隔A2分別對一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4進(jìn)行N2次溫度采集；N2為大于或等于2的整數(shù)；A2為正數(shù)；步驟三、通過公式:Δ λ = a Ti Δ Ti = 1、2、3或4 ;獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的溫度靈敏度系數(shù)a Ti ；式中:Λ λ為NI次采集第i個光纖光柵溫度傳感器波長的變化量；Λ T為N2次采集第i個熱電偶的溫度變化量；步驟四、通過公式: T = T0+ α ' Ti ( λ - λ 0)獲得一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3或四號光纖光柵溫度傳感器S4的絕對溫度標(biāo)定值；式中=Ttl為初始的標(biāo)定溫度；λ為第N次采集第i個光纖光柵溫度傳感器波長值；λ ^為初始標(biāo)定光纖光柵溫度傳感器的波長值押=長;完成測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定?！柟饫w光柵 溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4位于一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的 0.8mο
—號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。
具體實(shí)施方式
二、本具體實(shí)施方式
與具體實(shí)施方式
一所述的測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法的區(qū)別在于，一號光纖光柵溫度傳感器S1、二號光纖光柵溫度傳感器S2、三號光纖光柵溫度傳感器S3和四號光纖光柵溫度傳感器S4位于一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的0.Sm。一號熱電偶Dl、二號熱電偶D2、三號熱電偶D3和四號熱電偶D4距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。A的取值為I分鐘。NI的取值為1440。N2的取值范圍為5至15之間。以下通過待測現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)說明本發(fā)明:現(xiàn)場情況:高速公路現(xiàn)場B處的路面結(jié)構(gòu)為四層浙青層和兩層半剛性基層，浙青層材料從上到下分別為SMA-16、AC-20、AC-25和ATB-30。路面修筑期間，在路面內(nèi)部埋設(shè)了光纖光柵溫度傳感器S1、S2、S3、S4，水平方向距離中央分隔帶邊緣0.Sm位置處，豎向分別位于浙青層SMA-16、AC-20、AC-25的各層底部，且處在同一條豎直線上。通過長距離光纜將四個光纖光柵傳感器連接至距離傳感器埋設(shè)點(diǎn)IOkm的A位置處監(jiān)測室內(nèi)的光纖光柵解調(diào)儀上，解調(diào)儀可對傳感器的波長進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。如圖2所示。使用本發(fā)明方法對S1、S2、S3、S4四個光纖光柵溫度傳感器進(jìn)行靈敏度系數(shù)和絕對溫度值標(biāo)定。鉆孔:根據(jù)現(xiàn)場光纖光柵傳感器埋設(shè)情況，在沿車輛行駛方向，距離光纖光柵傳感器水平方向20cm、30cm、40cm和50cm位置處,用粉筆進(jìn)行標(biāo)記?，F(xiàn)場米用小型發(fā)電機(jī)對電錘供電，使用電錘在路面上標(biāo)記位置處鉆孔，鉆孔直徑1.5cm 2cm，深度分別對應(yīng)待測浙青層底部距尚路表面的距尚?？注偕?cm、孔②深 12cm、孔③深22cm，孔④深34cm，鉆孔后將鉆孔灰掏出。如圖1所示。安裝熱電偶:用于標(biāo)定路面光纖光柵溫度傳感器的熱電偶，需比現(xiàn)場光纖光柵溫度傳感器的測量精度高一個數(shù)量級。將實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定好的高精度熱電偶Dl、D2、D3、D4，分別插入已經(jīng)鉆好的①、②、③、④四個孔中，根據(jù)深入長度判斷是否熱電偶測頭是否已經(jīng)達(dá)到預(yù)定待測點(diǎn)。使用發(fā)電機(jī)對電爐供電，用電爐加熱浙青。浙青加熱后灌入安裝有熱電偶的孔洞中，過程應(yīng)迅速、穩(wěn)定，保證浙青在硬化前充滿孔洞，使熱電偶與路面材料傳熱均勻。溫度測試:現(xiàn)場熱電偶安裝完成后返回A處監(jiān)測室內(nèi)，啟動光纖光柵解調(diào)儀，開始對S1、S2、S3、S4四個光纖光柵傳感器波長進(jìn)行米集,每隔一分鐘取一個值。以S2傳感器為例，其波長在一天的變化情況如圖3所示。根據(jù)圖3，通過對波長變化情況的分析，選定傳感器標(biāo)定時刻為7時，10時，13時，16時，19時左右對現(xiàn)場溫度進(jìn)行測試。在現(xiàn)場熱電偶安裝完成24小時后可對傳感器進(jìn)行標(biāo)定，即在選定的標(biāo)定時刻到路面現(xiàn)場對熱電偶溫度進(jìn)行實(shí)測，并記錄測試時間，現(xiàn)場測試期間保證室內(nèi)解調(diào)儀對光纖光柵傳感器的波長進(jìn)行不間斷采集。測試完成后，分別得到一天中7時，10時，13時，16時，19時左右的某一時刻下S1、S2、S3、S4傳感器對應(yīng)的溫度值。拆除熱電偶:為保證車輛行駛的安全性以及路面結(jié)構(gòu)的完整性，在現(xiàn)場標(biāo)定測量完成后，必須將現(xiàn)場測試熱電偶拆除，并使用浙青砂對鉆孔進(jìn)行填充，防止水從空中進(jìn)入路面內(nèi)部對路面造成損壞。浙青路面絕對溫度計(jì)算:根據(jù)現(xiàn)場不同時刻溫度測量值，找到該時刻對應(yīng)的光纖光柵傳感器波長值，對S1、S2、S3、S4進(jìn)行溫度-波長的回歸分析，分別得到各傳感器對應(yīng)的回歸模型，同時得到各傳感器的溫度靈敏度系數(shù)和絕對溫度標(biāo)定初始值，通過計(jì)算即可得到對應(yīng)光纖光柵溫度傳感器的絕對溫度值。以S2傳感器為例，現(xiàn)場標(biāo)定回歸分析結(jié)果如圖3所示，通過傳感器波長得計(jì)算得到的對應(yīng)的溫度如圖4所示。由波長計(jì)算得到路面內(nèi)部溫度一天的變化情況如圖5所示。本發(fā)明采用高精度熱電偶，使用小型發(fā)電機(jī)、電爐、電錘、鋼卷尺、電偶測試儀、光纖光柵解調(diào)儀等工具設(shè)備，通過在路面現(xiàn)場鉆孔、熱電偶安裝、現(xiàn)場溫度實(shí)測以及絕對溫度計(jì)算等步驟，對已經(jīng)埋設(shè)在浙青路面內(nèi)部的光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)和絕對溫度值進(jìn)行標(biāo)定，最終得到浙青路面內(nèi)部的絕對溫度值。方法新穎、簡潔、可操作性強(qiáng)，方便適用于多種環(huán)境下的光 纖光柵溫度傳感器的標(biāo)定。
權(quán)利要求
1.測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，其特征是:它由以下步驟實(shí)現(xiàn): 步驟一、在浙青層中的SMA-16上面層的底部、AC-20中面層的底部、IOcm AC-25下面層的底部和ATB-30基層的底部分別埋設(shè)一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)和四號光纖光柵溫度傳感器(S4)； 在浙青層中的SMA-16上面層、AC-20中面層、IOcm AC-25下面層和ATB-30基層中分別埋設(shè)一號熱電偶(Dl)、二號熱電偶(D2)、三號熱電偶(D3)和四號熱電偶(D4)； 步驟二、采用光纖光柵解調(diào)儀分別通過四根光纖以時間間隔Al對一號光纖光柵溫度傳感器(SI)的波長、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)的波長、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)的波長和四號光纖光柵溫度傳感器(S4)的波長進(jìn)行NI次采集；A1為正數(shù)，NI為大于2的整數(shù)； 采用熱電偶溫度測量裝置以時間間隔A2分別對一號熱電偶(Dl)、二號熱電偶(D2)、三號熱電偶(D3)和四號熱電偶(D4)進(jìn)行N2次溫度采集；N2為大于或等于2的整數(shù)；A2為正數(shù)； 步驟三、通過公式: Δ 入=a Ti Δ T i= 1、2、3或4 ;獲得一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)或四號光纖光柵溫度傳感器(S4)的溫度靈敏度系數(shù)aTi ；式中:Λ λ為NI次采集第i個光纖光柵溫度傳感器波長的變化量；Λ T為N2次采集第i個熱電偶的溫度變化量； 步驟四、通過公式:· T = T0+ a , Ti ( λ _ λ 0) 獲得一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)或四號光纖光柵溫度傳感器(S4)的絕對溫度標(biāo)定值； 式中=Ttl為初始的標(biāo)定溫度；λ為第N次采集第i個光纖光柵溫度傳感器波長值；λ ^為初始標(biāo)定光纖光柵溫度傳感器的波長值盧:=士； 完成測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于一號光纖光柵溫度傳感器(SI)、二號光纖光柵溫度傳感器(S2)、三號光纖光柵溫度傳感器(S3)和四號光纖光柵溫度傳感器(S4)位于一條豎直的直線上，且均距離中央分隔帶邊緣的0.8mο
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于一號熱電偶(Dl)、二號熱電偶(D2)、三號熱電偶(D3)和四號熱電偶(D4)距浙青層上表面的距離分別為5cm、12cm、22cm和34cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于A的取值為I分鐘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于NI的取值為1440。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，其特征在于 N2的取值范圍為5至15之間。
全文摘要
測量實(shí)際路面溫度的光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法，涉及一種光纖光柵傳感器的標(biāo)定方法。它是為了解決現(xiàn)有的采用室內(nèi)試驗(yàn)室標(biāo)定光纖光柵溫度傳感器的方法的絕對溫度標(biāo)定值和溫度靈敏度系數(shù)相對于路面現(xiàn)場需求的誤差大的問題。本發(fā)明采用高精度熱電偶，使用小型發(fā)電機(jī)、電爐、電錘、鋼卷尺、電偶測試儀、光纖光柵解調(diào)儀等工具設(shè)備，通過在路面現(xiàn)場鉆孔、熱電偶安裝、現(xiàn)場溫度實(shí)測以及絕對溫度計(jì)算等步驟，對已經(jīng)埋設(shè)在瀝青路面內(nèi)部的光纖光柵溫度傳感器的溫度靈敏度系數(shù)和絕對溫度值進(jìn)行標(biāo)定，最終得到瀝青路面內(nèi)部的絕對溫度值。本發(fā)明適用于多種環(huán)境下的光纖光柵溫度傳感器的標(biāo)定。
文檔編號G01K15/00GK103234663SQ20131018426
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月17日
發(fā)明者董澤蛟, 李生龍, 溫佳宇, 肖桂清 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)