Волоконно-оптические датчики помогут контролировать качество дорог

1 февраля 2021
43

Ученый из Университета ЛЭТИ с коллегами из Технического университета Риги испытал новую технологию для мониторинга состояния дорожного покрытия. Волоконно-оптические датчики деформации и температуры собирают данные о том, как меняется структура дорожного полотна в зависимости от нагрузки. Эта информация поможет проектировать надежные дороги и планировать их ремонт. Результаты исследования опубликованы в Journal of Sensors.

Покрытие любой автомобильной дороги со временем разрушается. Полностью остановить этот процесс нельзя, но можно, с одной стороны, подбирать более устойчивые материалы, а с другой — исправлять мелкие трещины и колеи в структуре дорожного полотна на ранних стадиях, пока разрушение не требует замены всего покрытия. Поэтому наряду с новыми материалами в дорожном строительстве необходимы и эффективные системы мониторинга. В них должны применяться датчики, которые позволят не только вовремя заметить дефекты дорожного полотна, но и оценить нагрузку на участок. Тогда при следующем ремонте дороги можно будет учесть, давление и вибрации какой силы создает транспорт в этой зоне, и укрепить покрытие в нужных местах.

Для асфальтированных дорог ученый университета ЛЭТИ Дмитрий Редька применил в совместном проекте с Техническим университетом Риги волоконно-оптические датчики. Они интересны не только высокой чувствительностью, но и тем, что не требуют электоропитания: их можно установить в существующую оптоволоконную сеть и получать данные удаленно. Основа такого сенсора — так называемая брэгговская волоконная решетка. Это участок в середине оптического волокна, в котором с помощью ультрафиолета был изменен показатель преломления света. В результате такой участок всегда отражает излучение только в очень небольшой части спектра, а остальной свет пропускает без потерь. Брэгговскую решетку можно сформировать таким образом, что длина волны отражаемого света будет зависеть от изменения окружающей температуры, давления на оптоволокно или других физических величин. Благодаря этому эффекту и работают волоконно-оптические сенсоры. Например, если это температурный датчик, он будет по-разному отражать посланный на него лазерный сигнал при +20 и при –15°C. 

Исследователи разместили волоконно-оптические датчики двух типов — для измерения деформаций и температуры — в слое асфальта на одной из латвийских автомобильных дорог во время ее ремонта. Датчики поместили на глубину 25–30 мм в двух точках на одной стороне дорожного полотна. Так как незащищенные волоконно-оптические датчики довольно хрупкие, их упаковали в композитные и керамические трубки. Чтобы убедиться в работоспособности системы, в первых экспериментах датчики испытали с помощью дефлектометра падающего груза — этот прибор измеряет прогиб поверхности под нагрузкой. При этом центр плиты, на которую падает груз, размещали на разном расстоянии от датчиков и прямо над ними. Эта проверка показала, что наиболее точные измерения деформаций возможны, когда нагрузка приходится ровно на место размещения датчиков. Потому при реальном мониторинге важно учитывать направление, в котором двигаются автомобили по дороге. Также ученые убедились, что температура играет большую роль в деформациях асфальта: осенью все замеренные значения оказались ниже, чем теплым летом. Ключевой частью эксперимента стал мониторинг реального дорожного движения. Через точку, в которой проводились измерения, за год проезжает около 3,15 млн автомобилей, свыше 23% из них — тяжелые грузовики. Физики определили, какие типы грузовиков воздействуют на дорожное полотно сильнее всего, и подсчитали, что в 33% случаев проезд грузовика деформирует асфальт на 0,3 мм на каждый метр.

«Наши эксперименты показывают, что волоконно-оптические датчики позволяют достаточно точно измерять деформации дорожного полотна. При этом важно отслеживать температуру, так как в теплую погоду асфальт податливее, и значения деформации повышаются. Используя наш подход при постоянном мониторинге, можно определить момент, когда на выбранном участке будет превышен предел допустимых деформаций, и учесть это при проектировании новых дорог и ремонте существующих», — говорит кандидат технических наук Дмитрий Редька, доцент кафедры фотоники Университета ЛЭТИ.