一种路面下陷检测系统及检测方法
阅读说明：本技术 一种路面下陷检测系统及检测方法 (Pavement subsidence detection system and detection method ) 是由 陈锐 吴月成 金好乾 万正华 朱江华 于 2020-11-09 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种路面下陷检测系统及检测方法。检测系统包括：设置在路面下方且与路面间隔预设间距的光纤光栅传感器；设置在光纤光栅传感器外部的应变传导层；与光纤光栅传感器连接,根据通过光纤光栅传感器的光波的波长确定光纤光栅传感器的应变大小的信号处理装置。本方案通过外部荷载(主要是汽车荷载)对路面的作用,使得位于路面下方布设的光纤光栅传感器中通过的光波的波长发生改变,从而确定光纤光栅传感器中的光栅的应变大小,即光栅发生了多少位移,从而确定光栅对应的路面的应变大小。(The invention relates to a pavement subsidence detection system and a detection method. The detection system comprises: the fiber grating sensor is arranged below the road surface and is spaced from the road surface by a preset distance; the strain conducting layer is arranged outside the fiber grating sensor; and the signal processing device is connected with the fiber grating sensor and determines the strain magnitude of the fiber grating sensor according to the wavelength of the light wave passing through the fiber grating sensor. According to the scheme, the wavelength of light waves passing through the fiber grating sensor arranged below the road surface is changed under the action of an external load (mainly an automobile load) on the road surface, so that the strain magnitude of the grating in the fiber grating sensor, namely the displacement of the grating is determined, and the strain magnitude of the road surface corresponding to the grating is determined.)
技术领域
本发明涉及桥梁及公路养护技术和信息化自动采集技术领域，尤其涉及一种路面下陷检测系统及检测方法。
背景技术
近些年，随着交通建设事业的蓬勃发展，越来越多新的公路和桥梁投入运营和使用阶段，但随着运营周期的增加，结构物本身不可避免就会出现一系列的问题，其中桥头跳车现象就是其中之一。
桥头跳车现象的出现主要是由于桥涵两端路面部分相对桥面下沉，并且因下沉量过大导致错台，引起车辆跳跃颠簸。在我过现有的桥梁与路面过渡段中或多或少都存在桥头跳车现象的存在，对此不仅降低了乘车的舒适感，还有可能使驾驶员产生“路怒”的心理，甚者导致交通事故的发生。而且车辆在桥头跳车产生的水平和垂直作用力，对桥梁结构施加了附加的冲击荷载，加速了桥台、桥头搭板、伸缩缝的损坏，从而增加桥梁的维修费用。
不仅仅是桥梁处容易出现跳车的情况，路面存在坑洞或者公路的井盖等位置也容易出现跳车的现象，特别是在高速上如出现坑洞或者路面出现下陷的情况时，跳车的问题会更加严重。
发明内容
为了解决现有技术存在的问题，本发明的至少一个实施例提供了一种路面下陷检测系统及检测方法。
第一方面，本发明实施例提供了一种路面下陷检测系统，所述检测系统包括：
设置在路面下方且与路面间隔预设间距的光纤光栅传感器；
设置在所述光纤光栅传感器外部的应变传导层；
与所述光纤光栅传感器连接，根据通过所述光纤光栅传感器的光波的波长确定光纤光栅传感器的应变大小的信号处理装置。
基于上述技术方案，本发明实施例还可以做出如下改进。
结合第一方面，在第一方面的第一种实施例中，所述光纤光栅传感器包括：
由至少两个光纤光栅传感探头可拆卸连接组成的光纤光栅传感探头阵列。
结合第一方面的第一种实施例，在第一方面的第二种实施例中，所述光纤光栅传感探头包括：
套管；
设置在所述套管内、两端分别固定在所述套管两端的光纤；所述光纤上刻写有可移动的光栅；
设置在所述套管外部的保护层；
所述保护层包括：耐高温隔离管和玄武纤维封装层。
结合第一方面，在第一方面的第三种实施例中，所述应变传导层包括：
弹性直杆；
套设在所述弹性直杆外部的可挠性金属套管；所述光纤光栅传感器设置在所述弹性直杆内；
间隔设置在所述可挠性金属套管内壁、且与所述弹性直杆相接触的多个应变传导柱。
结合第一方面的第三种实施例，在第一方面的第四种实施例中，所述可挠性金属套管两端设置有密封盖；
所述密封盖上设置有连接线穿出孔。
结合第一方面的第三种实施例，在第一方面的第五种实施例中，所述应变传导层还包括：
设置在在所述弹性直杆外部的防水卷材。
结合第一方面的第三种实施例，在第一方面的第六种实施例中，
所述可挠性金属套管通过镀锌钢带制成，或者，所述可挠性金属套管由钢带和电工纸制成。
结合第一方面的第三、第四、第五或第六种实施例，在第一方面的第七种实施例中，
所述可挠性金属套管外部设置有聚氯乙烯覆层套管、铝带覆层套管和不锈钢带覆层套管中的至少一种。
第二方面，本发明实施例提供了一种路面下陷检测方法，所述检测方法包括：
获取路面上各个位置点的对应的光栅中通过的光波的波长，其中，所述路面下方预设位置设置有光纤光栅传感器，且所述光纤光栅传感器中的光栅与各个位置点相对应；
根据所述光波的波长得到对应的所述位置点的应变；
根据各个所述位置点的应变确定路面下陷的第一位置点。
结合第二方面，在第二方面的第一种实施例中，所述检测方法包括：
根据所述光波的波长得到弹性直杆的自振频率；其中，所述光纤光栅传感器设置在所述弹性直杆的内部；
根据所述弹性直杆的自振频率，得到自振频率变化点；
根据所述自振频率变化点确定路面下陷的第二位置点；
根据所述第一位置点和所述第二位置点，得到所述路面下陷的第三位置点。
本发明的上述技术方案与现有技术相比具有如下优点：本发明实施例通过外部荷载(主要是汽车荷载)对路面的作用，使得位于路面下方布设的光纤光栅传感器中通过的光波的波长发生改变，从而确定光纤光栅传感器中的光栅的应变大小，即光栅发生了多少位移，从而确定光栅对应的路面的应变大小。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种路面下陷检测系统结构示意图示意图；
图2是本发明另一实施例提供的一种光纤光栅传感阵列结构示意图；
图3是本发明又一实施例提供的一种路面下陷检测系统中的应变传导层结构示意图；
图4是本发明又一实施例提供的一种可挠性金属套管横向截面示意图；
图5是本发明又一实施例提供的一种可挠性金属套管轴向截面示意图；
图6是本发明又一实施例提供的一种路面下陷检测方法流程示意图；
图7是本发明又一实施例提供的一种路面下陷检测方法流程示意图。
图中：1：路面；2：信号处理装置；3：光纤光栅传感探头；4：套管；5：保护层；6：光纤；7：光栅；8：光纤光栅传感器；9：弹性直杆；10：防水卷材；11：可挠性金属套管；12：密封盖；13：连接线穿出孔。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供了一种路面下陷检测系统。参照图1，检测系统包括：
设置在路面下方且与路面间隔预设间距的光纤光栅传感器；
设置在光纤光栅传感器外部的应变传导层；
与光纤光栅传感器连接，根据通过光纤光栅传感器的光波的波长确定光纤光栅传感器的应变大小的信号处理装置。
本方案基本原理是基于外部荷载(主要是汽车荷载)对路面的作用，使得位于路面下方布设的光纤光栅传感器中通过的光波的波长发生改变，从而确定光纤光栅传感器中的光栅的应变大小，即光栅发生了多少位移，从而确定光栅对应的路面的应变大小。具体的，在应变测量结果中可以清晰反映出在平顺路面时应变变化幅度基本趋于稳定，而当路面有高差现象出现时(桥头跳车)应变会在此位置发生突变现象，从而找到应变突变点就可以获得桥头跳车位置点坐标。
应变指在外力和非均匀温度场等因素作用下物体局部的相对变形。通过设置在光纤光栅传感器外部的应变传到层既可以完成对光纤光栅传感器的保护，也可以将地面的应变传导至光纤光栅传感器。
光纤光栅传感器的光纤出口通过光纤连接至信号处理装置，信号处理装置还可以通过导线连接至光纤光栅传感器的主动光源，并控制主动光源发光，以为光纤光栅传感器提供光源。
如图2所示，在本实施例中，光纤光栅传感器包括：由至少两个光纤光栅传感探头可拆卸连接组成的光纤光栅传感探头阵列。
在本实施例中，光纤光栅传感探头依次串联得到光纤光栅传感器探头阵列，其中，光纤光栅传感探头阵列的一端设置有主动光光源，以为光纤光栅传感器探头阵列提供光源。
具体的，光纤光栅传感探头阵列的长度可以由用户自由设置，连接的光纤光栅传感探头越多，光纤光栅传感探头阵列越长。
在本实施例中，光纤光栅传感探头包括：套管；设置在套管内、两端分别固定在套管两端的光纤；光纤上刻写有可移动的光栅；设置在套管外部的保护层；保护层包括：耐高温隔离管和玄武纤维封装层。
在本实施例中，光纤光栅传感探头包括套管，封装在套管内的光纤和刻写在光纤上的光栅。光纤的两端分别固定在套管的两端，光栅在套管内可自由滑动，两个固定点之间的距离即为设定的标距，标距长度的大小可以根据用户需求自己定义设置。
如图3、图4所示，在本实施例中，应变传导层包括：弹性直杆；套设在弹性直杆外部的可挠性金属套管；光纤光栅传感器设置在弹性直杆内；间隔设置在可挠性金属套管内壁、且与弹性直杆相接触的多个应变传导柱。
在本实施例中，弹性直杆的材质可以是纤维增强塑料制成，将光纤光栅传感器与纤维增强塑料制成的弹性直杆封装起来，使其融为一体，保证弹性直杆的应变可以影响到内部的光纤光栅传感器。
在本实施例中，将弹性直杆设置到可挠性金属套管中，将弹性直杆与地面隔离，避免土壤环境直接与弹性直杆接触腐蚀弹性直杆，同时可挠性金属套管具备一定的柔韧性，可以在路面发生应变时，同步产生一定的形变，同时在可挠性金属套管内壁设置多个应变传导柱，使得应变传导柱与弹性直杆相接触，将可挠性金属套管的形变传导至弹性直杆。
如图4、图5所示，在本实施例中，可挠性金属套管两端设置有密封盖；密封盖上设置有连接线穿出孔。
在本实施例中，连接线穿出孔包括光纤穿出孔和导线穿出孔，以方便线缆穿出，更优先的，连接线穿出孔上还设置有收缩密封环，可以在线缆穿出后，向内收缩进行密封，以避免可挠性金属套管内的电子元器件接触外界环境出现损坏。
在本实施例中，应变传导层还包括：设置在在弹性直杆外部的防水卷材。在弹性直杆外部设置防水卷材，当然也可以是其他防水结构，比如防水涂层，但是考虑到应变传导柱会与弹性直杆接触，所以采用防水卷材以提高防水结构的耐用性，以此来避免接触水环境导致弹性直杆腐蚀。
在弹性直杆外侧套入了防水卷材，并在内部采用了纤维增强塑料封装，整体材料的耐水、耐腐蚀性十分优越。在加以外部金属套管封装以后更能适用各类条件恶劣的环境，因此具有较高耐久性和广泛的适用性。
在本实施例中，可挠性金属套管通过镀锌钢带制成，或者，可挠性金属套管由钢带和电工纸制成。
在本实施例中，可挠性金属套管外部设置有聚氯乙烯覆层套管、铝带覆层套管和不锈钢带覆层套管中的至少一种。根据所处项目环境不同，还有为适应室外、高温、高寒以及洁净或腐蚀性气体环境使用而特制的聚氯乙烯覆层、铝带覆层、不锈钢带覆层套管
如图6所示，本发明实施例提供了一种路面下陷检测方。参照图5，检测方法包括如下步骤：
S11、获取路面上各个位置点的对应的光栅中通过的光波的波长，其中，路面下方预设位置设置有光纤光栅传感器，且光纤光栅传感器中的光栅与各个位置点相对应。
在本实施例中，通过在路面下方土层中设置光纤光栅传感器，在路面存在下陷的情况时，通过的车辆会因为车辆的跳车对路面施加一个更大的力，从而导致存在下陷的位置的应变会比其他位置的应变更大，通过比对应变大小即可确定路面的情况。
S12、根据光波的波长得到对应的位置点的应变。
方案基本原理是基于外部荷载(主要是汽车荷载)对路面的作用，使得位于路面下方布设的光纤光栅传感器中通过的光波的波长发生改变，从而确定光纤光栅传感器中的光栅的应变大小，即光栅发生了多少位移，从而确定光栅对应的路面的应变大小。具体的，在应变测量结果中可以清晰反映出在平顺路面时应变变化幅度基本趋于稳定，而当路面有高差现象出现时(桥头跳车)应变会在此位置发生突变现象，从而找到应变突变点就可以获得桥头跳车位置点坐标。
S13、根据各个位置点的应变确定路面下陷的第一位置点。
在本实施例中，应变中，当长标距光纤光栅桥头跳车监控系统埋入路面下时，当存在桥头跳车现象时，在位置点汽车因有坡度的存在会产生一个额外的竖向冲击力，此冲击力就会导致此时位置点应变相较于无桥头跳车时数值增大，这样就可以通过光栅的波长特征识别位置点应变大小来判断桥头跳车的位置。
如图7所示，与图6所示检测方法相比，区别在于，检测方法还包括如下步骤：
S21、根据光波的波长得到弹性直杆的自振频率；其中，光纤光栅传感器设置在弹性直杆的内部。
在本实施例中，根据设置在弹性直杆内的光纤光栅传感器中通过的光波的波长，确定光纤光栅传感器中光栅所发生的应变，即光栅所发生的位移，由于光栅位移会导致所通过的光波的波长发生变化，所以，在本方案中根据光波的波长所产生的变化，就可以得到光栅的位置的变化，由此可以得到光纤光栅传感器中光栅的应变，由于光纤光栅传感器设置在弹性直杆内，所以，可以由此得到弹性直杆的自振频率，而弹性直杆的自振频率突然增大的部分，就是出现跳车的位置点。
S22、根据弹性直杆的自振频率，得到自振频率变化点。
S23、根据自振频率变化点确定路面下陷的第二位置点。
在本实施例中，同上，弹性直杆的自振频率的变化点，即可确定路面下陷的第二位置点。
S24、根据第一位置点和第二位置点，得到路面下陷的第三位置点。
在本实施例中，自振频率中，当存在桥头跳车现象时会加剧弹性直杆自振的幅度，通过找到自振频率变化点便可以确定桥头跳车的位置点。
在本实施例中，通过确定的第二位置点和第一位置点同步调整，确定更加准确的第三位置点，以提高对于路面下陷的位置的点的准确性，其中，可以根据第一位置点和第二位置点采用平均的方式得到第三位置点，还可以采用通过第二位置点对第一位置点进行修正的方式得到第三位置点，还可以采用第第一位置点和第二位置点进行权重赋值，根据权重值和位置点的左边得到第三位置点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。