Kann es in die Erde vergraben werden, um zu messen, wie viele Tonnen schwere Fahrzeuge darüber fahren?
Aus der Perspektive der optischen Sensortechnik und des Bauingenieurwesens kann die direkte Einbettung von Standard-Glasfasern in den Boden die genaue Bestimmung des Gewichts eines darüber fahrenden Fahrzeugs nicht ermöglichen; jedoch kann durch eine strukturierte Verkapselung der Glasfaser zur Herstellung eines Wägesensors, eines Erddruckmessgeräts oder durch Einbau in die tragende Schicht der Fahrbahn die Fahrzeuglast vollständig berechnet werden.
I. Warum können direkt in den Boden verlegte Glasfasern das Fahrzeuggewicht nicht direkt messen?
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Nichtübereinstimmung zwischen Sensormechanismus und Empfindlichkeitsrichtung
Glasfaser-Sensoren (einschließlich Faser-Bragg-Gitter, FBG, und verteilter Glasfaser, DAS/DTS) sind im Wesentlichen hochgradig empfindlich gegenüber axialer Dehnung (\\varepsilon) und Temperatur (\\Delta T):\frac{\Delta \lambda_B}{\lambda_B} = (1 - P_e)\varepsilon + (\\alpha + \\xi)\\Delta TDie auf die Querschnittsfläche der Glasfaser ausgeübte laterale/radiale Druckkraft hat einen extrem niedrigen photoelastischen Koeffizienten, was zu einer sehr geringen Wellenlängenverschiebung führt. Darüber hinaus verursacht die inhomogene seitliche Kompression von Bodenpartikeln auf eine nackte Glasfaser leicht Doppelbrechungseffekte (die zur Verbreiterung des Bragg-Reflexionsspektrums oder sogar zur Spaltung in zwei Peaks führt), was keine eindeutige und lineare mechanische Entsprechung bildet.
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Mechanische Unsicherheit des Bodenmediums
Boden ist ein poröses, inhomogenes und diskontinuierliches Medium. Die nach unten übertragene Fahrzeuglast folgt der Elastizitätstheorie halbunendlicher Körper (wie die Boussinesq-Spannungsverteilungsformel), wobei die Spannung mit der Einbettungstiefe und dem radialen Abstand signifikant abfällt und sich nichtlinear ausbreitet. Der Wassergehalt, die Dichte, die Korngrößenverteilung und das Kriechen des Bodens führen zu dynamischen Verschiebungen des Spannungsübertragungskoeffizienten. Eine direkt eingebettete Glasfaser kann nur qualitativ „eine Störung/ein Fahrzeug, das vorbeifährt“ erkennen, aber die eindeutige Fahrzeugtonnage kann nicht eindeutig zurückgerechnet werden. -
Mechanische Anfälligkeit
Nackte Glasfasern oder Glasfaserkabel mit nur einer einfachen Schutzhülle, die in eine Füllschicht eingebettet sind, können unter der Scherung des Bodens oder dem punktförmigen Druck von Steinen, der durch das Überfahren mit schweren Fahrzeugen verursacht wird, leicht durchtrennt oder beschädigt werden.
II. Wie kann die Fahrzeugtonnage mittels Faser-Bragg-Gitter in der Ingenieurpraxis gemessen werden?
Um das Fahrzeuggewicht (insbesondere für Wiegen im Fahren, WIM, Weigh-in-Motion) oder die Überwachung der Fundamentspannung zu realisieren, muss ein mechanisches Übertragungs- und Kalibrierungsmedium eingeführt werden:
- Dynamisches Wägen mit starrer Struktur (WIM-System)
Faser-Bragg-Gitter-Sensoren werden in steifen Wägekanälen oder Trägerbalken (z. B. Stahlträgerplattformen) unter der Fahrbahn angeordnet. Wenn ein Rad über die Wägeplattform fährt, erfährt die Struktur eine minimale Dehnung. Der Demodulator zeichnet die transiente Dehnungsantwortkurve mit hoher Abtastrate auf. Durch Algorithmen, die die Fläche der integrierten Wellenform, die Spitzen der Achswellen und die Fahrzeuggeschwindigkeit berechnen, wird die Achslast und die Gesamttonnage ermittelt. - Rückrechnung der Dehnung in der Fahrbahnstruktur
Verkapselte, druckfeste Glasfasersensoren werden in der Tragschicht aus Asphaltbeton oder unter der Zementbetonfahrbahnplatte vorverlegt, um die dynamische Durchbiegung und die Biegezugdehnung unter Radlast zu messen. In Kombination mit den bekannten Elastizitätsmodulen des geschichteten Fahrbahnaufbaus wird das Fahrzeuggewicht zurückgerechnet. - Umrechnung mittels Erddruckkästen
Wenn das Messziel der seitliche/vertikale Erddruck des Bodens selbst ist, muss ein „Erddruckkasten“ mit einer elastischen Druckmembran verwendet werden. Das Faser-Bragg-Gitter wird im Bereich der Krafteinwirkung auf die Membran befestigt, wodurch der normale Bodendruck in eine elastische Biegebeanspruchung der Membran umgewandelt wird.
III. Offizielle technische Reihen und Produktbeschreibungen
Im Hinblick auf mechanische Messungen und Gewichtsmessungen lauten die relevanten Erklärungen von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®) wie folgt:
- Kundenspezifisches Wägesystem: OFSCN® hat für Kunden ein OFSCN® Fiber Bragg Grating Weighing Sensor maßgeschneidert. Dieses System ist kein standardmäßiges Lagerprodukt und zeichnet sich durch hohe kundenspezifische Anpassung aus, die eine technische kundenspezifische Konstruktion basierend auf der mechanischen Tragplattform und dem Kraftübertragungspfad vor Ort erfordert.
- Strukturelle Dehnungs- und Spannungsdetektion: In praktischen Ingenieurprojekten ist die gängigere Lösung die Verwendung von standardmäßig verkapselten Dehnungsmessgeräten, wie z. B. dem OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge oder Dehnungssensoren, die in nahtlosen legierten Stahlrohren verkapselt sind. Diese werden auf oder in vorab kalibrierten krafttragenden Strukturkomponenten mit bekannter Elastizität platziert, und die Last wird präzise gemäß der Elastizitätstheorie F = \sigma \cdot A = E \cdot \varepsilon \cdot A berechnet.
