【技术领域】
[0001] 本
发明涉及路面结构力学和损伤预估研究技术领域，尤其是涉及一种用于检测路面结构复杂
应力状态的传感器。【背景技术】
[0002] 无论是
水泥路面还是
沥青路面，均属于半无限体层状结构。路面出现的疲劳、车辙、龟裂等各种破坏形式，是半无限体内部应力应变累积的结果。因此，检测获取实际交通荷载下路面结构内部力学状态信息，是研究其损伤演化过程，优化路面结构和路面材料设计，完善相关设计规范的
基础。但是，实际路面结构承受移动车辆荷载作用，路面结构又呈多层体系结构，路面材料还是力学性质随
温度和加载
频率变化而变化的多项
复合材料，这导致路面结构内部应力应变状态非常复杂。同时，考虑到施工时的高温、碾压、剪切等破坏作用，为置入路面内部的检测其应力状态的传感器提出了很大的挑战。
[0003] 目前采用的置入式传感器，经试验中的合理布置，往往能够检测车辆行驶方向、垂直车辆行驶方向和垂直路面方向的应变。而对于路面这一复杂应力状态的半无限体结构，一般认为最大拉应力是评价其损伤破坏的合理力学指标。仅仅检测以上3个方向上的应变，是无法获得路面内部最大拉应变或拉应力的，因此，改进现有检测原理，开发能够直接或间接检测获取路面内部最大拉应变信息的传感器，显得尤为必要。
[0004] 同时，有些学者认为，剪应力是导致路面上
面层及中面层破坏的力学原因，需要
跟踪检测实际交通荷载下路面内部的剪应力。从力学原理而言，剪应力无法直接检测，只能通过检测3个
正交方向以及3个45度方向的应变，采用弹性力学，合成得到剪应变和剪应力。而现有相关传感器均没有考虑该方面检测需求。
[0005] 另外，为了防止施工中压路机和
摊铺机对传感器的剪切、揉搓破坏作用，在传感器上常常设计有
刚度较大的保护结构，一般为金属
钢结构。该处理方法，可以有效提高传感器的成活率，但是，由于金属钢结构的
弹性模量与路面材料的严重差异，就改变了检测
位置的力学状态，引起严重的测量误差。长期使用，传感器还影响路面的使用寿命。【发明内容】
[0006] 针对以上不足，本发明提出一种用于检测路面结构复杂应力状态的传感器，其突出的创新性在于：1)能够检测得到路面内部任意一个方向的应变，以及最大拉应变；2)能够检测得到路面内部剪应力；3)传感器与路面材料能够协调
变形，没有钢结构保护套；4)体积小、结构简单、成本低、灵敏度高；5)能够抵抗路面施工中的破坏作用，是一种理想的预埋置入式传感器。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 一种用于检测路面结构复杂应力状态的传感器，包括弹性元件10和设置在弹性元件内用于对被检测路面的动力响应进行检测的多个敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)；
[0009] 在弹性元件10内建立空间直
角坐标系，所述的敏感元件分别设置在该空间直角坐标系中的六个不同的方位上；
[0010] 所述的六个不同的方位为该坐标系中同一卦限对应的三个坐标轴的半轴分别对应的方位，以及分别在该卦限对应的三个坐标平面内各对应一个方位，处于坐标平面内的方位为每个坐标平面对应的两个坐标轴的角平分线对应的方位；
[0011] 所述的弹性元件内还设置有
信号传递线路，所述的敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)与该信号传递线路连接。
[0012] 所述的弹性元件10内开设有布纤凹槽B，所述的敏感元件和信号传递线路均设置在该布纤凹槽B内，布纤凹槽B的端口即进出线口J延伸至弹性元件的外表面。
[0013] 所述的弹性元件10内开设有注防水胶凹槽F，所述的注防水胶凹槽F内填充有用于防水的防水胶，所述的注防水胶凹槽F开设在所述的敏感元件和信号传递线路的外缘，且注防水胶凹槽F的端口延伸至弹性元件的外表面。
[0014] 所述的弹性元件10包括第一弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3和第四弹性元件4，所述的第一弹性元件1、第四弹性元件4和第二弹性元件2相互连接在一起且设置在第三弹性元件3的表面上；
[0015] 第一弹性元件1与第四弹性元件4相
接触的表面、第一弹性元件1与第二弹性元件2相接触的表面和第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面相互垂直；
[0016] 所述的布纤凹槽B开设在第一弹性元件1分别与第四弹性元件4、第二弹性元件2和第三弹性元件3之间相互接触的表面上，所述的注防水胶凹槽F开设在第一弹性元件1、第四弹性元件4、第二弹性元件2和第三弹性元件3之间相互接触的表面上；
[0017] 以第一弹性元件1与第四弹性元件4相接触的表面、第一弹性元件1与第二弹性元件2相接触的表面和第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面的交点为所述空间直角坐标系的原点，以第一弹性元件1与第四弹性元件4相接触的表面、第一弹性元件1与第二弹性元件2相接触的表面和第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面为所述空间直角坐标系的坐标平面，所述敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)设置在该坐标系中所述的六个不同的方位上，敏感元件和所述信号传递线路设置在第一弹性元件1上开设的布纤凹槽B内。
[0018] 所述的第一弹性元件1、第四弹性元件4、第二弹性元件2和第三弹性元件3之间相互接触的表面通过
粘合剂粘合密封连接，粘合剂选用环
氧沥青。
[0019] 所述的第一弹性元件1包括第一1/8球体Q1和第一1/4平板P1，第四弹性元件4包括第一1/4球体Q2和第一1/2平板P2，第二弹性元件2包括第二1/8球体Q3和第二1/4平板P3，所述第三弹性元件3为板件；第一弹性元件1、第四弹性元件4、第三弹性元件3和第二弹性元件2连接在一起形成的结构包括由所述第一1/8球体Q1、第一1/4球体Q2和第二1/8球体Q3构成的半球体结构9，以及由所述第一1/4平板P1、第一1/2平板P2、第二1/4平板P3和第三弹性元件3构成的平板结构8，所述的半球体结构9设置在平板结构8的中心位置，半球体结构9的平面部分设置在平板结构8的上表面；所述的平板结构8上开设有通孔K，该通孔K用于填充路面材料，使传感器与路面结构协调变形。
[0020] 所述的半球体结构9的球面上设置有嵌入结构13，所述的嵌入结构13包括从所述半球体结构9球面上垂直向
外延伸的立柱11和设置在该立柱自由端上的凸台12，传感器通过所述嵌入结构13镶嵌到路面材料中使传感器与路面结构协调变形；
[0021] 所述的立柱11为圆柱形立柱，所述的凸台12为椭球形凸台，椭球形凸台的长轴与圆柱形立柱的轴线垂直；
[0022] 所述的嵌入结构13包括第一嵌入结构5、第二嵌入结构6和第三嵌入结构7，所述的第一嵌入结构5设置在第一弹性元件1与第二弹性元件2的交界处，且第一嵌入结构5的轴线与所述平板结构8呈45度夹角，第二嵌入结构6设置在第一弹性元件1与第四弹性元件4的交界处，且第二嵌入结构6的轴线与所述平板结构8呈45度夹角，第三嵌入结构7设置在半球结构球面的顶部，且第三嵌入结构7的轴线与所述平板结构8呈90度夹角。
[0023] 所述的每个立柱11中均设置有所述的敏感元件，设置在立柱11中的敏感元件沿着立柱的轴向设置。
[0024] 所述的敏感元件为布拉格光栅。
[0025] 所述弹性元件的材质为与路面材料的弹性模量相同的尼龙材料。
[0026] 本发明与
现有技术相比具有如下有益效果：
[0027] 本发明的传感器能够全面检测路面结构内部复杂的应力应变状态，通过将本发明的用于检测路面结构复杂应力状态的传感器中的敏感元件沿着车辆行驶方向、在路面上垂直车辆行驶方向以及垂直路面方向这三个正交方向设置，同时，还在以上三个正交方向的正交平面内45度方向设置敏感元件，因此本发明不仅可以直接检测车辆行驶方向、在路面上垂直车辆行驶方向以及垂直路面方向等三个正交方向的应变，同时，还可以直接检测以上3个正交平面内45度方向的应变；利用弹性力学理论和所直接检测的6个方向上的应变，可以间接检测得到任意方向的应变，确定最大拉应变及其方向；同时还可以间接检测剪应变及剪应力。
[0028] 进一步的，本发明的传感器采用尼龙制的第一弹性元件、第二弹性元件、第三弹性元件和第四弹性元件既承担传递路面应变的作用，又承担保护敏感元件的作用；而且，尼龙制弹性元件的弹性模量与路面材料的弹性模量接近，这样，既使得传感器不改变检测位置路面结构的力学状态，确保检测结果的真实性；又使得弹性元件与路面材料协调变形，确保测量结果更准确地反映路面结构的实际应力应变状态；还减小对路面结构的破坏作用，确保埋入传感器位置的路面使用寿命与其它位置的一致。
[0029] 进一步的，本发明在弹性元件内开设有注防水胶凹槽，注防水胶凹槽内设置有用于防水的防水胶，注防水胶凹槽开设在所述的敏感元件和信号传递线路的外缘，且注防水胶凹槽的端口延伸至弹性元件的外表面，将防水胶注入凹槽，可以防止水渗入传感器内部，保护敏感元件。
[0030] 进一步的，弹性元件上开有若干通孔，在布置传感器时，路面材料可以流动到通孔内，确保传感器弹性元件与路面结构协调变形，保证测量的准确性。
[0031] 进一步的，本发明采用光纤布拉格光栅作为传感器的敏感元件，相对于其他采用应变片作为敏感元件的传感器，光栅的尺寸远小于应变片的尺寸，而且也容易布置，使得本发明传感器尺寸能够远小于其他传感器，确保该传感器能够比较准确地检测一个较小区域的应变，而且可以检测厚度很薄的上面层的应变。
[0032] 进一步的，本发明采用光纤布拉格光栅作为传感器的敏感元件，相对于其他采用应变片作为敏感元件的传感器，灵敏度更高，既能够检测面层等变形较大位置的动应变，也可以检测
基层和低基层等变形较小位置的动应变，还可以检测小型车辆荷载作用下的动应变，提高应用范围。
[0033] 进一步的，本发明的传感器使用效果好，布设安装方便，本发明为一种预埋式传感器，能够在道路施工时布置在预设位置，既不影响道路正常施工，又能够保证传感器位置路面力学性能与其它位置力学性能一致。【
附图说明】
[0034] 图1为本发明的传感器三维结构示意图，其中图1(a)为总体三维结构示意图，图1(b)为
实施例的三维结构示意图；
[0035] 图2为本发明的传感器所测应变方向图；
[0036] 图3为本发明的总体装配图，其中图3(a)为俯视图，图3(b)为主视图即图2(a)的D向示意图，图3(c)为左视图即图2(a)的E向示意图，图3(d)为图3(b)中B部放大图，图3(e)为图3(c)中A部放大图；
[0037] 图4为发明的信号传递原理图；
[0038] 图5为发明的第一弹性元件的结构示意图，其中图5(a)为俯视图，图5(b)为图5(a)的A向示意图，图5(c)为图5(a)的B向示意图，图5(d)为图5(b)的C向示意图即第一弹性元件底部的结构示意图；
[0039] 图6为发明的第四弹性元件的结构示意图，其中图6(a)为俯视图，图6(b)为主视图即图6(a)的G向示意图，图6(c)为左视图即图6(a)的H向示意图；
[0040] 图7为发明的第二弹性元件的结构示意图，其中图7(a)为俯视图，图7(b)为图7(a)的A向示意图，图7(c)为图7(a)的B向示意图；
[0041] 图8为发明的第三弹性元件的结构示意图，其中图8(a)为俯视图，图8(b)为主视图。
[0042] 其中：1为第一弹性元件；2第二弹性元件；3为第三弹性元件；4为第四弹性元件；5-第一嵌入结构；6-第二嵌入结构；7-第三嵌入结构；8-平板结构；9-半球体结构；10-弹性元件；11-立柱；12-凸台；13-嵌入结构；T1-1为第一1/2椭球凸台；L1-1为第一1/2圆立柱；T1-2为第二1/2椭球凸台；L1-2为第二1/2圆立柱；T2-1为第三1/2椭球凸台；L2-1为第三1/2圆立柱；T2-2为第四1/2椭球凸台；L2-2为第四1/2圆立柱；T3-1为第一1/4椭球凸台；L3-1为第一1/4圆立柱；T3-2为第五1/2椭球凸台；L3-2为第五1/2圆立柱；T3-3为第二1/4椭球凸台；L3-
3为第二1/4圆立柱；Q1为第一1/8球体；Q2为第一1/4球体；Q3为第二1/8球体；P1为第一1/4平板；P2为第一1/2平板；P3为第二1/4平板；K为通孔；F0为第一注防水胶口；J为进出线口；
F7为第二注防水胶口；M1为第一敏感元件；M2为第二敏感元件；M3为第三敏感元件；M4为第四敏感元件；M5为第五敏感元件；M6为第六敏感元件；Y1为ASE宽带
光源；Y2为光环行器；Y3为
波长监控器；Y4为工程机；F为注防水胶凹槽；B为布纤凹槽。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图来对本发明作进一步的说明。
[0044] 如图1至图8所示，本发明的一种用于检测路面结构复杂应力状态的传感器包括弹性元件10和设置在弹性元件10内用于对被检测路面的动力响应进行检测的若干个敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)，所述弹性元件10的材质为与路面材料的弹性模量相同或相近的尼龙材料，弹性元件10包括第一弹性元件1、第四弹性元件4、第二弹性元件2和第三弹性元件3，所述的第一弹性元件1、第四弹性元件4和第二弹性元件2相互连接在一起且设置在第三弹性元件3的表面上，第一弹性元件1、第四弹性元件4、第二弹性元件2和第三弹性元件3之间相互接触的表面通过粘合剂粘合密封连接，粘合剂为不影响弹性元件力学性能和协调变形能力的环氧沥青；
[0045] 第一弹性元件1与第四弹性元件4相接触的表面、第一弹性元件4与第二弹性元件2相接触的表面和第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面相互垂直；以第一弹性元件1与第四弹性元件4相接触的表面、第一弹性元件4与第二弹性元件2相接触的表面和第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面的交点为所述空间直角坐标系的原点，以第一弹性元件1与第四弹性元件4相接触的表面、第一弹性元件1与第二弹性元件2相接触的表面和第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面为所述空间直角坐标系的坐标平面，所述敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)设置在该坐标系中，所述的敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)为六个布拉格光栅，敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)分别设置在该空间直角坐标系中同一卦限对应的坐标平面内和该卦限对应坐标轴的半轴上，设置在坐标平面内的敏感元件位于该坐标平面对应坐标轴的角平分线上；所述的弹性元件10内还设置有信号传递线路，所述的敏感元件与该信号传递线路连接。
[0046] 所述的第一弹性元件1包括第一1/8球体Q1和第一1/4平板P1，第四弹性元件4包括第一1/4球体Q2和第一1/2平板P2，第二弹性元件2包括第二1/8球体Q3和第二1/4平板P3，所述第三弹性元件3为板件；第一弹性元件1、第四弹性元件4、第三弹性元件3和第二弹性元件2连接在一起形成的结构包括由所述第一1/8球体Q1、第一1/4球体Q2和第二1/8球体Q3构成的半球体结构9，以及由所述第一1/4平板P1、第一1/2平板P2、第二1/4平板P3和第三弹性元件3构成的平板结构8，所述的半球体结构9设置在平板结构8的中心位置，半球体结构9的平面部分设置在平板结构8的上表面；所述的平板结构8上开设有通孔K，该通孔K用于填充路面材料，使传感器与路面结构协调变形。
[0047] 所述的半球体结构9的球面上设置有嵌入结构13，所述的嵌入结构13包括从所述半球体结构9球面上垂直向外延伸的立柱11和设置在该立柱自由端上的凸台12，传感器通过所述嵌入结构13镶嵌到路面材料中使传感器与路面结构协调变形；
[0048] 所述的立柱11为圆柱形立柱，所述的凸台12为椭球形凸台，椭球形凸台的长轴与圆柱形立柱的轴线垂直；
[0049] 所述的嵌入结构13包括第一嵌入结构5、第二嵌入结构6和第三嵌入结构7，所述的第一嵌入结构5设置在第一弹性元件1与第二弹性元件2的交界处，且第一嵌入结构5的轴线与所述平板结构8呈45度夹角，第二嵌入结构6设置在第一弹性元件1与第四弹性元件4的交界处，且第二嵌入结构6的轴线与所述平板结构8呈45度夹角，第三嵌入结构7设置在半球结构球面的顶部，且第三嵌入结构7的轴线与所述平板结构8呈90度夹角。
[0050] 所述的每个立柱11中均设置有所述的敏感元件，设置在立柱11中的敏感元件沿着立柱的轴向设置。
[0051] 弹性元件内开设有布纤凹槽B，所述的敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)和信号传递线路均设置在该布纤凹槽B内，所述的布纤凹槽B开设在第一弹性元件1分别与第四弹性元件4、第二弹性元件2和第三弹性元件3之间相互接触的表面上，布纤凹槽B的端口即进出线口J延伸至弹性元件10的外表面，敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)和所述信号传递线路设置在第一弹性元件1上开设的布纤凹槽B内；弹性元件10内开设有注防水胶凹槽F，所述的注防水胶凹槽F内填充有用于防水的防水胶，所述的注防水胶凹槽F开设在第一弹性元件1、第四弹性元件4、第二弹性元件2和第三弹性元件3之间相互接触的表面上，且注防水胶凹槽F开设在所述的敏感元件(M1，M2，M3，M4，M5，M6)和信号传递线路的外缘，注防水胶凹槽F的端口延伸至弹性元件的外表面。
[0052] 所述弹性元件均为由尼龙材料经3D打印成的弹性结构。
[0053] 在布置传感器时，路面材料可以流动到弹性元件的平板结构8上开设的通孔K内，因而能够确保传感器弹性元件与路面结构协调变形，保证测量的准确性。
[0054] 在布置传感器时，嵌入结构13镶嵌到沥青混合料中，因而能够确保传感器弹性元件与路面结构协调变形，保证测量的准确性。
[0055] 第一弹性元件1、第四弹性元件4、第二弹性元件2、第三弹性元件3经环氧沥青粘合在一起后，使弹性元件内开设的注防水胶凹槽F相互连通，再将防水胶从注防水胶凹槽F的端口注入该注防水胶凹槽F后，可以防止水渗入传感器内部，保护敏感元件。
[0056] 如图5至图7所示，再结合图3和图1，第一弹性元件1、第四弹性元件4、第二弹性元件2、第三弹性元件3粘合成为一个整体后，第一弹性元件1上的第三1/2圆立柱L2-1与第四弹性元件4上的第四1/2圆立柱L2-2可以组合成为一个完整的圆柱形立柱11；第一弹性元件1上的第一1/2圆立柱L1-1与第二弹性元件上的第二1/2圆立柱L1-2可以组合成为一个完整的圆柱形立柱11；第一弹性元件上的第一1/4圆立柱L3-1、第四弹性元件上的第五1/2圆立柱L3-2及第二弹性元件上的第二1/4圆立柱L3-3可以组合成为一个完整的圆柱形立柱11；
第一弹性元件上的第三1/2椭球凸台T2-1与第四弹性元件上的第四1/2椭球凸台T2-2可以组合成为一个完整的椭球形凸台12；第一弹性元件上的第一1/2椭球凸台T1-1与第二弹性元件上的第二1/2椭球凸台T1-2可以组合成为一个完整的椭球形凸台12；第一弹性元件上的第一1/4椭球凸台T3-1、第四弹性元件上的第五1/2椭球凸台T3-2与第二弹性元件上的第二1/4椭球凸台T3-3可以组合成为一个完整的椭球形凸台12；第一弹性元件1上的第一1/8球体Q1、第四弹性元件4上的第一1/4球体Q2和第二弹性元件2上的第二1/8球体Q3组成半球体结构9；第一弹性元件1、第四弹性元件4和第二弹性元件2上的平板结构部分(P1，P2，P3)分别占整个平板结构8的1/4、1/2和1/4。
[0057] 如图2、图3及图5所示，图3中，以X轴所指的方向为车辆行驶方向，Y轴所指方向为与地面垂直的方向，Z轴所指方向为地面上与车辆行驶方向相垂直的方向，Xy向为在XOY平面内与X轴和Y轴呈45度夹角的方向，Xz向为在XOZ平面内与X轴和Z轴呈45度夹角的方向，Yz向为YOZ平面内与Y轴和Z轴呈45度夹角的方向，在X轴、Y轴、Z轴、Xy向、Xz向和Yz向的正向上分别设置第四敏感元件M4、第三敏感元件M3、第六敏感元件M6、第一敏感元件M1、第五敏感元件M5和第二敏感元件M2；
[0058] 如图2及图5，本发明在使用时，以第一弹性元件1与第四弹性元件4相接触的表面、第一弹性元件1与第二弹性元件2相接触的表面和第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面的交点为所述空间直角坐标系的原点O，以第一弹性元件1与第四弹性元件4相接触的表面为XOY坐标平面，以第一弹性元件1与第二弹性元件2相接触的表面为YOZ坐标平面，以第一弹性元件1与第三弹性元件3相接触的表面为XOZ坐标平面，依据图2中敏感元件的排布方式，将所述敏感元件设置在第一弹性元件1上对应的位置。
[0059] 本发明的传感器在组装时，先将第一弹性元件1与第二弹性元件2相配合的面用粘合剂粘合在一起，组成一个与第四弹性元件4相似的构件，然后再与第四弹性元件4进行粘合，最后将第一弹性元件1、第四弹性元件4和第二弹性元件2组合完整后的结构体粘接在第三弹性元件3的表面上，组装完成后在平板结构8的对称的四角位置开设通孔。
[0060] 第一弹性元件1、第二弹性元件2、第三弹性元件3、第四弹性元件4粘合成为一个整体后，通过第一注防水胶口F0和第二注防水胶口F7向其内部注入防水胶，防水胶选用
硅胶，对敏感元件起到防水防潮作用，防止敏感元件受到水侵害，便于本发明的长期使用。
[0061] 安装本发明时，沥青混合料可以流入传感器的通孔，嵌入结构可以与沥青混合料镶嵌在一起，确保传感器弹性元件与路面结构协调变形，保证测量的准确性。
[0062] 如图4所示，本发明工作时，将布拉格光栅通过信号传递线路连接起来，并将信号传递线路的端头从布纤凹槽B的端口即进出线口J处引出，然后将信号传递线路与光环行器Y2连接，光环行器Y2与ASE宽带光源Y1和波长监控器Y3相连接，波长监控器Y3与工程机Y4相连；光从ASE宽带光源Y1经过光纤和光环行器Y2送入布拉格光栅，当布拉格光栅感受到沥青混合料的变形时会产生一定的
光信号，该光信号再经过光纤送入波长监控器Y3，最后经过工程机Y4处理该光信号数据后获得被测量。本发明的传感器利用弹性力学理论和所直接检测的上述6个方向应变，可以间接检测得到任意方向的应变，确定最大拉应变及其方向；同时还可以间接检测剪应变及剪应力。
[0063] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单
修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
