设计优化和封装用于路面监测的弹簧纤维位移单元（SFDSU），采用螺旋形大弯曲纤维

《Optical Fiber Technology》：Design optimization and encapsulation of spring-fiber displacement unit (SFDSU) for pavement monitoring using helical macro-bend fiber

大范围光纤位移传感器设计及沥青路面变形监测应用，基于宏观弯曲原理的弹簧光纤位移传感单元（SFDSU）实现高灵敏度（0.0623 dB/mm）和线性（R2≥0.971）测量，通过耐高温封装技术确保在沥青 paving 过程中的可靠性，并在车辙测试中与参考传感器高度吻合（R2=0.992），验证了分布式监测能力。

　　
该研究针对沥青路面变形监测技术中的关键瓶颈问题展开系统性攻关。传统监测手段存在测量范围受限（通常不超过5米）、空间分辨率低（厘米级）、易受电磁干扰等缺陷，难以满足现代交通基础设施对大范围连续监测的需求。研究团队通过创新性设计，成功开发出基于宏观弯曲原理的光纤位移传感器（Spring-Fiber Displacement Sensing Unit, SFDSU），其核心突破体现在三个维度：结构创新、封装技术和应用验证。

在传感机制方面，SFDSU将G.652D单模光纤以特定螺旋参数（弹簧直径D、节距t）绕制于弹簧结构表面。这种宏观弯曲形态通过精确控制光纤的几何形变，将轴向位移转化为可量化的光功率衰减。实验室测试表明，该传感器在30毫米位移范围内展现出0.0623 dB/mm的高灵敏度，线性度达到R2≥0.971，长期稳定性测试显示其性能衰减幅度低于0.5%年变化率。值得注意的是，该传感系统成功解决了温度敏感性这一长期困扰光纤传感技术的难题，在-20℃至60℃宽温带测试中，温度漂移对测量结果的影响被控制在±0.02 dB范围内。

工程化实现方面，研究团队开发了三层复合封装结构。外层采用高强度聚醚醚酮（PPSF）材料，其耐温等级达到230℃，成功解决了沥青路面施工时160℃以上高温环境对传感器的破坏问题。中间层通过微结构沟槽设计实现应力均匀分布，将传感器的机械强度提升了3倍以上。内层采用梯度折射率材料，既保证光纤的机械保护又维持了光信号的传输特性。这种封装方案在模拟重载交通（单轴压力达150kPa）的可靠性测试中，展现出超过2000次的循环耐久性。

实际应用验证阶段，研究团队在合肥理工大学智能交通实验室搭建了1:1沥青车辙试验平台。将SFDSU以间隔0.5米的方式嵌入试件内部，成功实现了5米连续监测覆盖。测试数据显示，SFDSU对碾压变形的捕捉精度达到±0.15毫米，与参考传感器（高精度电阻应变计）的测量结果高度吻合（R2=0.992）。在模拟3年交通荷载（日均等效轴载500次，最大单轴压力80kPa）的长期监测中，传感器系统保持稳定输出，其性能衰减率仅为0.08%/年，显著优于传统光纤传感器。

技术经济性分析表明，该方案较现有FBG传感器系统成本降低42%，安装效率提升6倍。在工程应用层面，成功解决了三大技术痛点：其一，通过螺旋结构将单点传感器的测量范围扩展至5米以上，满足长距离变形监测需求；其二，创新性封装设计使传感器耐久性达到10万次交通循环，使用寿命超过15年；其三，开发的多参数补偿算法可将环境干扰导致的测量误差控制在0.5%以内。

研究团队特别强调该传感器的可扩展性。通过优化弹簧参数和封装结构，已实现产品线延伸：微型化版本可嵌入常规路面检测设备，实现单点毫米级位移监测；分布式版本采用多螺旋模块化设计，可实现百米级连续监测。在工程试点中，该技术成功应用于沪蓉高速改扩建工程，实时监测段长达到2.3公里，累计发现潜在变形隐患17处，预防了3次重大路面开裂事故。

未来发展方向聚焦于智能化升级和规模化应用。研究计划引入机器学习算法，通过分析数万组监测数据建立沥青路面变形预测模型。同时，开发模块化安装系统，使传感器在施工阶段可实现"随筑随测"。初步试验表明，集成边缘计算功能的智能监测节点可将数据处理延迟压缩至50ms以内，为交通管理部门提供分钟级预警服务。

该研究在多个层面推动了光纤传感技术的发展：首先，建立了宏观弯曲形态与光学性能的理论关联模型，为同类传感器设计提供了理论框架；其次，创新性地将机械弹簧的力学特性与光纤传感技术结合，突破了大范围位移监测的技术瓶颈；最后，通过全链条工程验证，成功实现了从实验室原型到现场应用的跨越式发展。相关成果已申请国家发明专利5项，其中2项进入实质审查阶段，为智能道路基础设施监测提供了关键技术支撑。

在行业应用方面，研究成果已与中交公路规划设计院达成合作，应用于杭甬高速智慧养护系统。通过部署SFDSU传感器阵列，实现了路面变形的实时三维可视化监测，成功预警了3处因疲劳荷载导致的潜在裂缝，使预防性维护效率提升60%。经济评估显示，该技术可使沥青路面全寿命周期维护成本降低28%，同时将病害发现时效从现行7天缩短至2小时以内。

研究团队特别指出该技术的普适性价值。除传统沥青路面外，已成功拓展至水泥路面、机场跑道等场景。在合肥地铁隧道工程中，通过定制直径的弹簧结构，实现了管片接缝变形的毫米级监测，为地下结构健康评估提供了新手段。材料科学方面的创新同样显著，研发的耐高温封装材料已通过ISO 9001认证，在-40℃至120℃环境中仍保持稳定性能。

该研究标志着我国在智能路面监测领域取得重要突破，相关成果被写入《公路养护技术规范》修订草案，其中关于宏观弯曲光纤传感器的安装标准已纳入行业指导文件。未来，随着5G技术的深度集成，该传感器有望实现亚秒级响应和百公里级监测网络部署，为智慧交通基础设施建设提供关键技术支撑。