（材料学专业论文）基于内部传感测量的沥青路面结构试验方法研究.pdf

摘要 公路路面是长期暴露在大自然环境中的一种特殊的带状构造物，会在荷载、温 度、水等多种因素的影响下衰损。常规手段很难真实了解实际路面结构的力学响应情 况，通过在实际路面结构中埋设传感器可以较真实地了解路面结构在现实环境中的受 力和使用情况，为路面力学理论的研究提供实测数据支持。 针对目前国内还没有形成一个系统的基于内部传感测量的路面结构试验体系和 方法的事实，本文对实际环境中依靠传感器的路面结构试验方法进行研究，采用传感 器作为路面结构试验的数据采集工具，提出了一套基于内部传感测量的沥青路面结构 试验方法。本方法突破了传统室内试验的局限性，考虑了实际路面结构层之间的相互 影响及温湿度等环境因素的影响。 采用l a b v i e w 软件平台及n i 数据采集硬件系统，编写了数据采集卡的调用程 序，包括路面结构试验应变采集程序，路面结构试验压力采集程序，路面结构试验温 度采集程序。结合国外路面结构试验经验，研究分析传感器的校检技术，提出了适用 于沥青路面结构试验的传感器校检方法。结合国外路面结构试验经验，研究分析传感 器的安装埋设技术，提出考虑温度、湿度、机械振动、碾压、试验设备、试验车辆行 驶或刹车等因素的传感器埋设技术，建立适用于沥青路面结构试验的传感器安装埋设 方法。采用计算值和实测值对比的方法，从层间连接状态和面层模量变化两方面考虑， 就半刚性基层底部受力情况评价计算值与实测值的差异性。对比结果表明，不同软件 之间的计算结果差异很大，有的应力变化趋势竟然相反，可见软件计算不能真实反映 实际情况。 关键词：路面结构、结构试验方法、传感器、半刚性基层、沥青路面 a b s t r a c t h i g h w a yp a v e m e n ti sak i n do fs p e c i a lz o n a ls t r u c t u r e ，l o n g - t e r me x p o s e di nn a t u r e e n v i r o n m e n t ，a n di ti sd e t e r i o r a t i n ga tl o a d ，t e m p e r a t u r e ，w a t e ra n ds oo n i ti sd i f f i c u l tt o v e r i t a b l yu n d e r s t a n dt h em e c h a n i c sr e s p o n s eo fp a v e m e n ts t r u c t u r ei na c t u a le n v i r o n m e n t b yr e g u l a rm e t h o d ，b u ti t c a nv e r i t a b l yu n d e r s t a n dp a v e m e n ts t r u c t u r a lm e c h a n i c a l r e s p o n s ev i ae m b e d d e ds e n s o r si np a v e m e n ts t r u c t u r e ，a n dc a ns u p p l yt e s t i n gd a t as u p p o r t f o r t h er e s e a r c ho fp a v e m e n tm e c h a n i c st h e o r y a tp r e s e n ti n l a n dn o ty e tf o r mo n es y s t e m i cs e n s o r - b a s e dp a v e m e n ts t r u c t u r a lt e s t s y s t e ma n dm e t h o d ，t h ep a p e rm a k e ss t u d yo np a v e m e n ts t r u c t u r a lt e s tm e t h o da c t u a l e n v i r o n m e n td e p e n do ns e n s o r s ，a c q u i r et e s td a t ab ys e n s o r s ，p u tf o r w a r das u i to ft h e s t r u c t u r et e s t - m e t h o do fa s p h a l tp a v e m e n tb a s e do ni n t e r n a ls e n s o rs u r v e y t h em e t h o d b r e a k st h r o u g ht h ed r a w b a c ko ft h et r a d i t i o nl a b o r a t o r y e x p e r i m e n t ，c o n s i d e r s t h e i n t e r a c t i o na m o n gp a v e m e n ts t r u c t u r a ll a y e r s ，a tt h es a m et i m ec a nc o n s i d e rt h ee f f e c to f e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，s u c ha st e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ya n ds oo n u t i l i z i n gl a b v i e ws o f t w a r ep l a t f o r ma n dn id a t aa c q u i s i t i o nh a r d w a r es y s t e m ，w r i t t e n c a l l i n gp r o g r a mo fd a t aa c q u i s i t i o nc a r d s ，i n c l u d e ds t r a i nc o l l e c t i o np r o g r a m s ，p r e s s u r e c o l l e c t i o np r o g r a m sa n dt e m p e r a t u r ec o l l e c t i o np r o g r a m s r e s e a r c h e da n da n a l y s e dt h e c h e c k o u ta n de m b e d m e n tt e c h n o l o g yo fs e n s o r s ，c o n s i d e r i n ga b r o a dp a v e m e n ts t r u c t u r a l t e s te x p e r i e n c e ，p u tf o r w a r dt h ec h e c k o u tm e t h o do fs e n s o r sa n dt h ee m b e d m e n tm e t h o do f s e n s o r s ，c o n s i d e r i n gt e m p e r a t u r e ，m o i s t u r e ，m e c h a n i c a lv i b r a t i o n ，t e s te q u i p m e n ta n d v e h i c l ea n ds oo n c o n t r a s tb o t ht h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nv a l u ea n dt e s tv a l u e ，a p p r a i s et h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n da c t u a lt e s tv a l u ea tt h eb o t hs i d eo f c o n n e c t i n gs t a t eo fi n t e r l a y e ra n dt h es u r f a c em o d u l u s p r o v e n ：i t sd i f f e r e n tv e r ym u c h b e t w e e nt h er e s u l to fd i f f e r e n ts o f t w a r e s ，s o m ev a r i a t i o nt r e n do fs t r e s sa c t u a l l yr e v e r s e ，i t i so b v i o u st h a ts o f t w a r ec a l c u l a t ec a n n o tv e r i t yr e f l e c tp r a c t i c a ls i t u a t i o n k e yw o r d s ：p a v e m e n ts t r u c t u r e ；t e s tm e t h o do fp a v e m e n ts t r u c t u r e ；s e n s o r ；s e m i r i g i d b a s e ；a s p h a l tp a v e m e n t 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 ：窈专竹 秽日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) ：玄，滞 导师签名： 勺乏 影朋年6 月f 日 训年石月r 日 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出及研究意义 第一章绪论 公路路面是暴露在大自然环境中的一种特殊的带状构造物，有很多自身特点。由于 其长期暴露在大自然之中，除了受行车荷载的影响外还受到很多因素的影响，比如温度、 水等，所以其在使用运营过程中会在各种因素的共同作用下衰损限1 7 2 抛6 3 0 1 。而我们 目前对路面结构的研究还不是很完备，尤其是对现实运营中道路路面结构的力学研究较 少。以往国内外对路面的研究多集中在室内的理论研究和室内试验研究，对路面结构在 使用过程中的力学理论研究偏少，其中较为著名的有美国的w a h s o ( w e s t e r n a s s o c i a t i o no fs t a t eh i g h w a yo f f i c i a l s ) 道路试验、a a s h t o 试验路、明尼苏达试验路( t h e m i n n e s o t ar o a dr e s e a r c hp r o j e c t ) 、弗吉尼亚试验路( t h ev i r g i n i as m a r tr o a d ) 以及n c a t ( n a t i o n a lc e n t e rf o ra s p h a l tt e c h n o l o g y ) 试验路【4 8 9 1 4 1 6 2 8 3 1 1 。然而，要想更好的了解 路面结构在现实环境中的受力和使用情况，较好的方法还是通过在实际路面结构中埋设 大量传感器来完成，尽管这种方法耗资耗时较大。 目前国内还没有形成一个系统的依靠传感器的路面结构试验方法，更没有大量开展 使用传感器的路面结构试验，本研究就是要提出一个在实际环境中基于传感器的路面结 构试验方法，为以后大规模的开展路面结构试验提供一个有力的参照，为路面结构设计 理论的完善提供一个有力的工具，为推动国内道路工程的进一步发展作出贡献。 1 2 国内外路面结构试验路发展状况 早期的路面结构试验不像现在的路面结构试验成熟，设备也极其短缺，对环境的模 拟也出于探索阶段。早期的路面结构试验使用较多的是模拟或实际的交通荷载，后来慢 慢出现了路面结构车道试验，最早的车道试验可追溯到1 9 0 9 年的底特律试验【l 】。 较为成熟的路面结构试验要追溯到1 9 1 9 1 9 3 0 年美国的a r l i n g t o n 环道试验【l 】，该 试验路对混凝土路面设计做出了突出贡献。在1 9 2 0 年的i l l i n o i s 试验道路中，首次控制 了交通荷载，并给出了砖块、沥青混凝土和水泥混凝土等不同材料的基本试验数据，为 后来的道路试验奠定了一个基础。之后，1 9 2 0 - - - 1 9 2 3 年在美国加州的p i t t s b u r g 、1 9 4 9 年 在马里兰以及1 9 4 4 , - - 1 9 5 4 年的h y b l av a l l e yn o n 的刚性路面试验都产生了较大的影响。 # 章绪* 这些早期道路试验的主要目的在于路面的结构设计，并没有产生一些系统的统计分析结 果。 1 9 4 4 年，m a r s h a l 等人在美国一个为期5 年的研究计划中提出了沥青混合料试验方 法，就是影响至今的m a r s h a l l 试验方法，此方法为后来沥青路面结构设计、混合了设计 和沥青路面施工技术带来历史性的改变。2 0 世纪5 0 年代，在美囡则开展了第一个采用 c b r 值表征路面材料特性的研究。这些试验带来了路面厚度和混合料设计方法的改变： 在刚性路面设计方面，渐渐趋向于使用产生于1 9 4 2 年的w a s t e r g a a r d 理论。 1 9 5 1 年，美国的w a s h o 道路试验发现1 2 1 ：当路面的总厚度相同时，面层厚度为 1 0 0 m m 的沥青路面，其性能远远优于面层厚度为5 0 m m 的路面：外轮迹带路面的损坏 比内轮迹带严重，较强的路肩支撑有利于改善路面性能；轮载越重，路面损坏越厉害： 路面层的车辙来源于横向位移，而不是来源于压缩；大部分损坏产生于路基潮湿的春季； 与单轴车辆相比，双轴车辆可以增加5 0 的载重量而不增加路面的损坏。在w a s h o 道 路试验期问，还产生了一件改变后来路面结构试验和检测观念的重要设备，就是 b e n k e h n a n 在期间发明了弯沉仪( b e n k e k n m l 粱) ，如图l1 ，这是一种较早的路面结构 无损检测设备。b e n k e l m a n 发明的弯沉仪第一次使我们能够快速定量地评价路而结构在 缓慢移动的荷载作用下的反应，也提供了了解将来路面性能变化的早期指标，并可以检 验计算结果的正确性。同时这项发明还提供了改善路面罩面设计的重要工具。时至今 同b e n k e l m a n 粱弯沉仪在公路行业仍发挥着重要的作用不过随着交通事业的不断发展 将慢慢被f w d ( f a l l i n g w e i g h t d e f l e e l o m e t e r ) 所代替，如图12 。 图1 1 现代的b e n k e l m a l t 粱图1 2f v c d 落垂试回弹弯沉仪 1 9 5 8 1 9 6 0 年进行的a a s h o 道路试验是第一个现代意义上的大型道路试验，该试 验建立了路面设计参数、荷载和累计轴载作用次数之问的统计关系，全面提高了路面研 究和实践的水平，在世界范围内产生了深远的影响。与此同时，英国也在一些主要道路 上修筑了4 0 0 个道路试验段，该试验虽然没有控制交通荷载，但对英国同后采用的路面 2 长安大学硕士学位论文 基层类型产生了很大的影响。从1 9 6 3 年开始，同济大学也开始了路面结构的大型试验， 并实施了温度全控制，开创了中国大型路面结构试验的先河，随后北京重庆等地也开始 了大型路面结构试验的研究。 1 9 8 7 - 2 0 0 7 年，s h r p 开展了关于路面长期使用性能的l t p p ( l o n g t e r mp a v e m e n t p e r f o r m a n c e ) 研究计划，以及为验证s u p e r p a v e 而大量开展的加速加载路面试验a p t ( a c c e l e r a t e dp a v e m e n tt e s t ) 研究计划，其目的是对目前的路面技术进行全面客观的了 解和评价，提出能够解释路面使用性能变化过程的模型，弄清不同设计持点、不同交 通、不同环境、不同材料、不同施工质量和不同养护水平对路面性能的影响【2 7 3 7 3 9 】。 1 9 9 5 年，美国联邦公路局在内达华州建立的a p t 试验设施，即w e s t r a c k 试验路， 该试验最早提供了按s u p e r p a v e 方法设计的沥青混合料在高速率施加的重载作用下的 技术数据。1 9 9 7 年，在w e s t r a c k 铺筑的s u p e r p a v e 试验段迅速发生车辙，此事件使 道路工作者认识到在目前的路面设计和施工方法中，可能漏掉某些重要的未知因素【4 1 。 从1 9 9 2 年开始，美国明尼苏达试验路( m 以o a d ) 开始铺筑运行，1 9 9 7 年 - 2 0 0 2 年，在弗吉尼亚建设完成了1 7 英里试验路，5 7 英里( 9 5 公里) 项目预计于2 0 0 8 年完 成。美国国家沥青技术中心n c a t 在2 0 0 0 年开始实施n c a t 试验路，到2 0 0 8 年结束。 大规模道路试验研究的代价十分昂贵，为了节省研究资金，一种被称为为车道试验 ( t e s tt r a c k s ) 的试验技术得到开发应用，最早的车道试验可迫溯到1 9 0 9 年的底特律试 验【l 】。表1 1 汇总的是二十世纪6 0 - 9 0 年代世界各国所从事的路面结构试验情况。 表1 1 二十世纪6 0 9 0 年代建立的路面结构试验设备，设施 投入使摇摆 编 缩写名称所在地用时间 试道长直 宽度 速读 号 径m( k m h ) 轮载k n温度控制 译m 试验道路 lm n r o a d 明尼苏达1 9 9 36 0 1 0 03 6 5 4 6 5 x x无 2n a r d o意大利1 9 7 9无 3p t i 宾西法尼亚 1 9 7 l1 6 0 03 6 。无 4p w r l日本1 9 7 96 2 84 01 4 0 x x无 5w e s t r a c k 内华达 1 9 9 52 8 0 06 56 7 6 x x 无 环形试验道 6c t i cs a s k a t c h e w a n1 9 7 83 8 1 21 33 65 5 有 7c a p t i f ( 1 ) 新西兰 1 9 8 7 5 8 1 8 4 0 、5 0 2 l 6 0无 8i s e t h 瑞士 1 9 7 9 1 0 0 3 0 1 3 8 05 0 8 0有 9i u t 依利诺斯1 9 6 31 5l3 1 50 、3 0 第章绪论 续表1 1 投入使 试道长直 摇摆 速读编 缩写名称所在地用时间宽度轮载k n温度控制 号径m( k m h ) 年m 1 0 j h p c日本 1 9 7 9 2 0 8 0 41 0 6 00 、3 0 全控 1 1l c p c 法国 1 9 7 8 1 0 0 3 0 l3 0 、1 0 54 0 7 5 无 r o a d 1 2英国1 9 6 31 0 5 3 43 26 7高温 m a c h i n e ( 2 ) 1 3 r r t 罗马尼亚 1 9 8 2 4 8 1 5 5 4 01 0 0 1 6 0 无 1 4s h e l l 荷兰 1 9 6 7 1 5s - k s d斯洛伐克1 9 9 45 0 1 6o 9 5l o 7 08 3 1 3 0无 1 6u c f佛罗里达1 9 8 84 9 1 5 62 4 5 84 5 1 3 3 1 7u n a m墨西哥1 9 7 02 70 3 04 0 6 5高温 1 8w s j华盛顿1 9 6 58 11 25 0 1 9 同济大学 上海1 9 6 381 20 3 05 0全控 2 0 重庆公路所重庆 直线形试验道 2 1a l f 澳大利亚 1 9 8 41 21 41 2 04 0 1 0 0 可用 2 2 f h l 队- p t f 华盛顿特区 1 9 8 61 21 41 2 04 0 1 0 0 可用 交通部公路 2 3 北京 1 9 9 01 2i 41 2 04 0 1 0 0 可用 所a l f 2 4p r f l a路易斯安娜1 9 9 51 21 4l 2 04 0 1 0 0可用 2 5d r t m丹麦 1 9 7 39l2 0 3 0 6 5 全控 2 6e p f l瑞上1 9 7 750 81 01 2 0全控 2 7h v s 、h v s + 南非 1 9 7 1 81 51 42 0 2 0 0 有 2 8c a l a p t加利福尼亚 1 9 9 481 50 l o 2 0 1 0 0有 2 9 l i n t r a c k 荷兰 1 9 9 l1 621 0 2 01 5 1 0 0 高温 3 0m i n n e - a l f 明尼苏达 1 9 9 0 3 lp t f英国1 9 8 47ll 2 0 1 0 0高温 in d o t p u r d u 3 2 印地安娜 1 9 9 260 381 3 1 8 2全控 e 3 3 t x m l s 德克萨斯1 9 9 51 2 o 61 2 2 52 2 5 4 7 5 无 3 4 c e d e x 西班牙 1 9 8 72 * 6 70 88 5 84 4 1 0 0 无 其他 3 5b a s t 德国 1 9 6 31 52 0 1 0 0高温冰冻 3 6m u s 密西根 1 9 9 038 8 4 5 0 3 7 p h r i 日本 1 9 6 9 附注l ：x x 指车辆总重 到目前为止，国际上车道试验根据所用车道的形状分为四种类型，主要有：现场试 4 长安大学硕士学位论文 验路、环形试验道、直线形试验道和异形试验道。不同类型车道的特点见表1 2 。 表1 2 不同试验手段的特点p i 实际的交通荷载：实际的路面施工质量多个试荷载“加速”的程度有限；无法控制气候； 现场试验黯 验段 日倍度高。难以控制荷载；位置无法嚣动。 高速操作；能够拄制荷拽；“加速1 程度高；受 当半径较小时有蚂应力；一段路面损坏后 环形试验道将影响虬他段：路面施i 困难；位置无法 力简单；多个试验段；部舟环境控制， 移动。 单向或职向加苟，荷载客耪控制；可虬移动可 直线试验道用于实际道路的踌面试验；实际的路面施工质量； 速度有限t 受力过于简单。 部分环境控制；路段损坏目不红影响其他路段。 实际的路面施i 质量部分环境控制；茼载容易速度一般；一段路面搦坏后可能会影响其 异形试验道 控制 他皓段受力较复杂；位置无法移动 受力简单；可咀控制气候；路段担坏后不会影响横扭程度有限；路面施工田难；位i 无法 其他 其他龉段；荷氯容易控制移动 1 3 国内外用于车道试验的常用设备 早期的路面结构试验使用较多的是模拟或实际的交通车辆荷载，试验成本高，试验 周期长，严重制约着路面结构试验和路面研究的发展，随着科学水平和加工制造水平的 提高，车道试验慢慢占据了路面结构试验的主导地位。 上世纪6 0 年代，首先是南非c s i r 研制成功了“重载车辆模拟试验车f i v s ( h e a v y v e h i c l es i m u l a t o r ) ”，通过试验可以测量出对路面影响的关键参数，为路面、路基设计 提出具体的技术指标。该技术已经在南非、美国、瑞典和芬兰等国家的交通部门得到应 用。到了上世纪七八十年代南非又试验成功了“加速加载模拟系统”，也被称为“第 二代路面检测系统”。紧接着，c s i r 研制生产了h v s i v + 型加速加载设备，被称为重载 车辆模拟设备，属于第三代路面加速加载设备。该系统的“第三代”又被美国和欧洲一 些国家所采用，美国开发了h v s i v 型路面加速加载设备，如图l3 。 弋 图1 3 重载车辆模扭设备h v s 第一帝绪论 1 9 9 8 年南非开发出了最新一代活动荷载模拟器m l s ( m o b i l el o a d in gs i m u l a t o r ) 系列检测系统，即“第四代检测系统”。最新一代检测系统可模拟的最高直线运行时速 能达到每小时2 6 公里。由南非、美国和瑞士联合开发的第四代路面加速加载设备有多 种型号删l s 3 、m l s l 0 、m l s 6 6 ，如图1 4 和圈15 所示。m m l s 3 轮压荷载较小；m l s l 0 、 m l s 6 6 轮压荷载较大，可以实现足尺大型试验，并可以实现系统设定连续工作三个月， 预测2 0 年内公路运营状况。 阐氡 图1 4 活动荷载模拟器m m l s 3 图1 5 活动荷载模拟器m l s l 0 2 0 世纪8 0 年代初期，溲大利亚公路局( r t a ) 引进南非“加速加载模拟系统”，设 计了可移动、野外足尺加速加载设备( a l f ) 它同样可以实现可移动式、足尺路面试 验，通过对路面施加可控制的车轮荷载，模拟实际交通荷载对路面结构的破坏作用。澳 长安大学硕士学位论文 大利亚是应用a l f 最早的国家，到1 9 9 5 年底澳大利亚道路研究所己进行丁1 5 次加速 加载试验，对约8 0 种路面进行了评价，累计加载次数2 xl o7 次，主要应用于材料性能 和当量荷载的研究。我国于1 9 9 0 年从澳大利亚引进加速加载设备a l f ，如图1 6 ，并首 次在京深高速公路河北省正定县试验段进行了试验，到1 9 9 7 年底己进行了2 0 多种路面 结构的2 4 次试验。2 0 0 5 年，我国对a l f 再次成功地进行了技术改造和升级。a l f 主 要应用于半刚性路面车辙及其发展规律、路面承载力以及沥青路面轴载换算的研究【2 9 i 。 圈1 6 大型加速加载a l f 此外2 0 世纪8 0 年代中后期，新西兰i a n w o o d a s s o c i a t e s 也设计了用作路面结构试 验的设备，称作坎特伯雷室内加速路面试验设备( c a 2 t i f ) ，如图i 7 。c a 2 r l f 设备的 用途有：深化对多层路面性能的认识；进行路面破坏机理研究，完善路面计方法；验证 新材料的适用性及理论分析结；鉴别轮胎的磨损。 图1 7 坎特伯雷室内加速路面试验设备 1 9 9 9 年4 月美国在新泽西州大西洋城建立了美国国家机场铺面中心( n a p i f ) 道面 测试设施，如图1 - 8 所示。在三个路基强度的试验测试道上可以分成多大9 个独立的测试 项目，三个路基强的可以分为低强度、中强度和高强度。这样可以用柬做在各种路面结 构试验，既包括刚性和柔性路面。 第一章绪论 图1 , 8n a p t f 遵面测试设施 14 传感器在国内外车道试验中的应用 随着科学技术的发展，路面结构试验也发生着不断的革新，高技术产品在路面结构 试验中得到广泛的使用，除了上述过的新型路面结构试验设备，在路面结构内部数据采 集方面也有陆足的发展，计算机编程和精密的传感器开始应用在路面结构试验之中。 早在1 9 8 7 年美国开始实行的s h r p 计划中就计划使用了大量的传感器，可以采集温 度数据、动静荷载数据等，其中使用了测量动静荷载应力应变的光纤传感器，使用效果 良好。光纤传感器具有抗腐蚀性强、抗电磁干扰好、信号可信度高、失真小等特点t 5 “。 1 9 9 2 1 9 9 3 年，美国的m n r o a d 中采用了热传感器，用柬测量温缩裂缝中的温度数 据。1 9 9 4 年，美国明尼苏达试验路中为了测量路面结构中的温度、应力应变、湿度等数 据，应用了大量的高性能传感器，取得了很多影响较大的成果【7 “”“”i 。 1 9 9 7 年7 j j 2 0 0 2 年在弗吉尼亚建设的17 英里试验路，以及预计于2 0 0 8 年完成的57 英里试验路中，使用了先进的通信系统，其中包括一些以光纤为骨干的无线网络接口， 超过4 0 0 个传感器安装在试验路结构中。可以收集应力应变、压力、湿度、霜冻、交通 量数据。 1 9 9 9 年4 月美国在新泽西州大西洋城建立美国国家机场铺面中心( n a p t f ) 道面测 试设施，在其后的试验中大量的使用了静态和动态传感器，静态传感器监控温度、湿度 和裂纹状况( 电阻) 状况，动态传感器测量应变、路面弯沉响应负荷等。 美国国家沥青技术中，i ：* n c a t 在2 0 0 0 年开始实施n c a t 试验路中，同样使用了大量 的传感器，有温度传感器湿度传感器，应力应变传感器，以及压力传感器等等，还采 用了相当先进的数据采集技术日1 。该项目目前还在进行之中，预计n 2 0 0 8 年1 2 月后续施 工项目结柬。 长安大学硕士学位论文 1 5 本研究的主要内容及技术路线 1 5 1 研究的主要内容 目前国内还没有形成一个系统的依靠传感器的路面结构试验方法，更没有大量开展 使用传感器的路面结构试验，本研究就是要提出一个在实际环境中基于传感器的路面结 构试验方法。在试验中，通过精密的n i 数据采集设备、多种高性能传感器结合自己通 过l a b v i e w 编辑的数据采集程序准确地测量路面结构内部的应力应变，获得了与理论 分析相对比的实测应力应变数据。 1 5 2 技术路线 论文主要研究技术路线如图1 9 所示。 国内外沥青路面结构试验调研 沥青路面结构试验主要设备调研 传感器在路面结构试验中应用调研 路面结构试验用传感器 原理分析 国内外路面结构试验用 传感器的分类及特点 应变传感器 压力传感器 温度传感器 湿度传感器 基于l a b v i e w 的路面 结构试验用传感器的 数据采集系统 提出路面结构试验用 传感器的校检方法 提出路面结构试验用传 感器的安装埋设方法 结构试验及数据分析 基于内部传感测量的沥青路面结构试验方法 图1 9 本研究的技术路线 9 第二章路面结构试验用传感器 2 1 概述 第二章路面结构试验用传感器 通常将能把被测物理量或化学量转换为与之有确定对应关系的电量输出的装置称 为传感器，也可以叫作变换器、换能器或者探能器【肛1 2 】。传感器输出的信号有不同的形 式，如电压、电流、频率、脉冲等等，以满足信息的传输、处理和控制等的功能需求。 传感器的应用极其广泛，它是测量装置和控制装置的重要器件。随着科学技术的发展， 传感器在道路工程中的应用也开始广泛起来，给路面结构试验带来质的变化，不再停留 在室内试验或表面试验层面，开始进入路面结构内部。美国的n c a t 试验路、w a h s o 道路试验、a a s h t o 试验路、m n r o a d 以及维吉尼亚试验路等都采用过埋设传感器的 方法研究路面结构的相关性能及规律。 由于传感器的种类多种多样，仅按检测功能就可以为以下几类，温度传感器、压力 传感器、应变传感器、湿度传感器、光敏传感器、气敏传感器、磁敏传感器。本论文主 要探讨路面结构试验用传感器，考虑到现实环境中路面结构的外在影响因素主要是荷 载、温度和湿度，本章也主要从荷载、温度和湿度这几个角度去分析路面结构试验用传 感器的原理及分类特点。总括国内外试验路以及诸多运营的道路中所使用的传感器，大 致可以分为四个种类：应变传感器、压应力传感器、温度传感器和湿度传感器。 2 2 传感器的特性 用作信息收集和信息转换的传感器有很多自身的特性特点，以完成科学研究、生产 生活、实时监控等赋予它的不同使命。 l 、静态特性 静态特性的基本要求是：当输入信号为零时，输出也要求为零。并且输出量应该和 输入保持一定的对应关系。 1 ) 、灵敏度 灵敏度是传感器选择时的首要考虑因素。人们总是希望传感器有尽可能高的灵敏 度，但灵敏度太高容易引进一些不必要的干扰信号，除了环境噪声以外，还有来自传感 器本身的噪声。 l o 长安大学硕士学位论文 2 ) 、线性 输入与输出之间若为线性比例关系，则称为线性关系。在实际的传感器中线性关系 很少，一般都是非线性关系，所以在电路形式上也要用到一定的线性补偿电路、非线性 校正电路等，用来减小或消除非线性输出给测量带来的不利影响。 3 ) 、时滞 若输入为x 1 ，输出为y 1 ，再继续增大x 1 ，然后再将输入返回原来的值，这时的 输出不是y 1 ，而是y 2 。这样的现象在传感器中叫时滞。因此在选用传感器的时候要尽 量选用时滞较小的器件。 4 ) 、稳定性 对于理想的传感器，对应相同的输入量其输出量总是相同的，然而实际上的传感器 特性随着时间在变化，这种对应相同输入量的不同输出量叫做传感器的时间稳定性。在 实际工作中，还要考虑安装传感器周围环境给传感器带来的温度稳定性的变化。 5 ) 、精度 精度是评价传感器优良程度的一个指标。精度分为准确度和精密度，在实际传感器 电路中，要尽量采用准确度和精密度都比较高的传感器元件。这样后续的校正电路就可 以相对简单一些。 2 、动态特性 传感器检测的信号是随着时间的变化而逐渐变化的，所以传感器的特性应该能够跟 踪这种输入的变化，并能得到准确的输出信号。如果传感器不能跟踪过快的信号变化， 这样测量的信号将发生误差。所以动态特性是传感器的重要特性之一，在选用传感器的 时候要特别注意。 2 3 路面结构试验用传感器 2 3 1 应力应变传感器 在路面结构试验中，用来测量应变的传感器主要是电阻式应变传感器和光纤光栅式 应变传感器，用来测量压力的主要是电阻应变式压力传感器，也有光纤光栅式的压力传 感器，本节主要论述电阻应变式传感器和光纤光栅应变传感器的基本原理。 2 3 1 1 电阻应变式传感器原理 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，路面结构试 第二章路面结构试验用传感器 验用应变传感器是由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成，如图2 1 所示。电阻应 变式传感器由电阻应变片、传感器自身材料和测量电路三部分组成。当荷载作用在传感 器上时，传感器的变形引起电阻应变片的电阻值变化，并通过测量电路将其转变成电信 号输出，电信号变化的大小反映了被测物应力应变的大小。 k b 5- i i 图2 1电阻应变式传感器 1 ) 、应变片的基本原理 众所周知，导体的电阻与导体的材料性能( 电阻率p ) 、导体的尺寸形状( 如长度? ， 横截面积s ) 以及导体的温度有关。其关系式如下： ， 尺= p 兰 ( 2 1 ) 。s 对于大多数作为应变片的金属来说，其电阻丝电阻变化率a r r 在弹性范围内存在以下 关系： a r ：七型船( 2 一2 ) 一= 庀庀占 lz 夕 r， 式中：k 为常数，称为灵敏系数；占= 址，为线应变。 制作传感器的电阻应变片的工作原理是基于形变效应，即在导体产生机械变形时，它的 电阻值相应发生变化，以上所述就是电阻应变片测量应变的基本理论。 2 ) 、应变片的基本结构 电阻应变片品种和形式繁多，在路面结构试验中多采用金属电阻应变片。金属应变 片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图2 2 所示。敏感栅是应变片的核心 部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。 金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄模式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等 工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0 0 0 3 - - 0 0 1 r a m 。其优点是散热条件好， 允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。薄膜应变片是采用真空 1 2 r_liiii引引1iilltii引引_llltll引剐上 几吲u幽 长安大学硕士学位论文 蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成o 1 “m 以下的金属电阻薄膜的敏感栅，最 后再加上保护层。它的优点是应变片灵敏度系数大，允许电流密度大，工作范围广。 图2 2 金属电阻应变片的结构 1 电阻丝式敏感栅、2 基片、3 覆盖层、4 引线 3 ) 、应变片的温度效应及其补偿 、温度效应 粘贴到载体上的应变片，由于环境温度变化的影响，也将引起电阻的变化，这种现 象称为应变片的温度效应。由温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在 测量中需设法予以消除。应变片产生热输出的原因主要有两个：一是由于敏感栅的电阻 值将会随着温度的变化而改变：二是由于敏感栅材料与载体材料的线性膨胀系数不同， 使得应变片不能自由伸缩，只能跟随载体一起变形，从而使敏感栅产生一定的附加应变 而造成的。敏感栅的电阻值随温度变化的关系可用式( 2 3 ) 表示 r r = r o ( 1 + 口o r ) = r o + r o 口o r ( 2 3 ) 式中r r 一度为t o c 时的电阻值： 风一温度为t o 。c 时的电阻值； 口。一敏感栅材料的电阻温度系数； 丁一温度的变化量。 电阻值随温度变化而引起的应变误差为l ，如式( 2 4 ) ，丝r 为温度变化丁时的电阻 变化量。 蝇= 等省弧删k 他4 ， 由于敏感栅材料与载体材料的线性膨胀系数不同引起附加变形而使电阻变化的关系式 第二章路面结构试验用传感器 可用式( 2 5 ) 表示 a r r = r 。k ( 窖一，) 丁 ( 2 5 ) 式中 1 3 9 一载体材料的线性膨胀系数： d 。一应变敏感材料的线性膨胀系数。 由于敏感栅材料与载体材料的线性膨胀系数不同而使电阻变化造成的应变误差为2 ， 用式( 2 6 ) 表示 蝇= 等腿= ( 以诅) t ( 2 6 ) 根据以上分析可知，由于温度效应而造成的附加应变( 热输出) 为，见式( 2 7 ) a s ，卸等( a o a t ) 腿+ ( g 一s ) 竹 ( 2 7 ) = 口o k + ( g 一，) 丁 一 对于较大温度变化情况或测量精度要求较高时，必须采用温度补偿措施。 、温度补偿 温度补偿就是为了消除热输出对应变测量的影响，温度补偿方法通常有桥路补偿法 和应变片自补偿法两大类。 桥路补偿的原理是用两个参数相同的应变片分别接入测量电桥的两个相邻桥臂，其 中r l 为工作应变片，r 2 为补偿应变片。测量时，r 1 粘贴在测试试件上，r 2 在和试件材 料相同并处于同一温度的补偿块上，如图2 3 所示。工作过程中，补偿块不受外部荷载， 当温度变化时，由于补偿块与试件材料相同，且两个应变片参数相同，所以两个应变片 的电阻变化a r l 与a r 2 也相同，因此电桥仍满足平衡条件，电桥输出电压为零。若有应 变作用时，只有工作应变片感受应变，补偿应变片由于粘贴在补偿块上而不感受应变， 因此电桥输出只与被测试件受力情况有关，与温度变化无关，从而起到温度补偿作用。 1 4 长安大学硕士学位论文 图2 3 桥路补偿法 半桥双臂测量是用图中应变片r l 和接入电桥相邻两臂组成应变测量电路，如图 2 4 a 所示，e x 是信号调理卡提供的激励电压；r c 是信号调理卡提供的组桥电阻；信号 连接到信号调理卡通道正( + ) 接线端子。半桥单臂测量电路的由r c 代替凡，其余的 与双臂测量相同，如图2 4 b 所示。全桥测量电路如图2 4 c 所示，信号负极连接到信号 调理卡通道负( 一) 输入端子，其余符号意义与图2 4 a 相同。 曩一 v 妒b 一 ，l i 图2 4 - a 半桥双臂测量电路图2 4 b 半桥单臂测量电路 图2 4 - c 全桥测量电路 当变形构件产生变形应变时，应变片的电阻变化率为： 吆= k s ( 2 8 ) 式中k 为应变片的灵敏度系数。 半桥测量的电压信号为： = 筹隐= 圭k s 隐 c 2 m 全桥测量的电压信号为： = 等隐= 胎胁 c 2 舯， 实际测量时由于构件变形前各种原因造成的电桥不平衡，使得v 。g o 0 ，因此实际的应 变计算公式要复杂一些。l a b v i e w 的c o n v e r ts t r a i ng a u g er e a d i n g 函数可以完成这一 第二章路面结构试验用传感器 运算。 应变片自补偿法：这种温度补偿方式是利用自身具有温度补偿作用的特殊应变片， 这种应变片称为温度自补偿应变片，它是通过选配敏感栅材料及其结构参数来制成的。 在路面结构试验当中，由于应力应变传感器需要加工密封，采用桥路补偿的方法不 方便，为了能保证采集数据的准确度和精确度，建议在路面结构试验中采用应变片自补 偿法。 2 3 1 2 光纤式传感器原理 光纤光栅传感器( f i b e rg r a t i n gs e n s o r ，f b g ) 是通过栅格上光反射波长的移动来 感应外界物理量的微小变化，具有线性程度高、重复性好，可对结构的静应变、动应变、 位移、速度与温度等多种变量进行测量。 用来制作传感器的光纤光栅其实就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的 结构，如图2 5 所示。根据模耦合理论，厶= 2 n a 的波长就被光纤光栅所反射回去( 其 中五。为光纤光栅的中心波长，人为光栅周期，n 为纤芯的有效折射率) 。 n 透蚊 j 。? ：。二、 图2 5 光纤光栅的结构 反射的中心波长信号九，跟光栅周期人，纤芯的有效折射率n 有关，所以当外界的 被测信号引起光纤