%*
*
TNO-rapport TPD-HOI-RPT-950147
TNO Technisch Physische Dienst TU Delft
HAALBAARHEIDSONDERZOEK NAAR VOERTUIGDETECTIE MET OPTISCHE GLASVEZELS Mogelijkheden voor sensoren onder de slijtlaag
Stieltjesweg 1 Postbus 155 2600 AD Delft
Datum
Telefoon 015 269 20 00 Fax 015 269 21 11
Auteur(s)
10 november 1995
ir. L.K. Cheng A.J.A. Bruinsma Opdrachtnummer
532.017
Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/o( openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke andere wijze dan ook, zonder vooraigaande toestemming van TNO. Indlen dit rapport In opdracht werd uitgebracht, wordt voor de rechten en verpllchtfngen van opdrachtgever en opdrachtnemer verwezen naar de Algemene Voorwaarden voor onderzoeksopdrachten aan TNO, dan wel de betrerfende terzake tussen partijen gesloten overeenkomst. Het ter Inzage geven van het TNO-rapport aan direct belanghebbenden is toegestaan.
Aan
In opdracht van: R.C. v.d. Voort Ministerie van Verkeer en Waterstaat Directoraat Generaal Rijkswaterstaat Adviesdienst Verkeer en Vervoer Afdeling Infrastructuur en Benutting; Systemen Rotterdam
© 1995 TNO
TPD vervuH vanuit aen multi-disciplinaire aanpak opdrachtan voor badrijfsleven en overheid. Kennisgabiadan zijn: toegepaste fysica, informatics, machanica, atektronica, materialan an procastachnologie.
TK#
Nederiandso organisatie voor toegepastnatuurwetenschappelijk onderzoek TNO
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
Inhoud
1
Inleiding
3
2
Benodigd meetbereik voor detectie van wielpassage
4
3
Onderzoek aan drie typen sensoren 3.1 Sensorkabel van Pope 3.2 Polarimetrische sensor van Alcatel 3.3 De TPD glasvezel sensor 3.4 Vergelijking tussen de drie typen sensoren
6 6 10 12 15
4
Conclusies
17
5
Aanbevelingen
19
6
Referenties
21
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
Inleiding In het kader van de haalbaarheidsstudie m.b.t. voertuigdetectie met optische glasvezel (RWS-AVV plan code 31802) zijn fase 1 en fase 2 (inventarisatie en voorlopige evaluatie van de mogelijkheden) reeds uitgevoerd [Ref. 1] en [Ref. 3]. Alvorens de haalbaarheid vast te stellen door middel van laboratorium- en veldexperimenten (fase 3 en 4 van het plan van aanpak) is een aanvullend onderzoek gewenst. Doel van dit aanvullend onderzoek is een inzicht te verwerven of met een sensor onder de slijtlaag van de weg wielpassage kan worden gedetecteerd. De belangrijkste deelactiviteiten hierbij zijn: 1 Vaststellen van het benodigde meetbereik voor een sensor onder de slijtlaag aan de hand van uit fase 2 beschikbare modelleringsresultaten. 2 Vaststellen van relevante eigenschappen van in aanmerking komende sensoren. 3 Op basis van in het bovenstaande geïnventariseerde gegevens nagaan of een geschikte sensorconstructie kan worden gevonden, waarmee detectie van wielpassage met een sensor onder de slijtlaag mogelijk zal zijn. Een gedetailleerd plan van aanpak voor de aanvullende studie is opgenomen in memorandum TPD-HOI-MEMO-950230 d.d. 9-10-1995. Dit verslag omvat de resultaten van het aanvullende onderzoek. In Hst. 2 wordt het meetbereik voor de verschillende parameters onder de slijtlaag in de wegconstructie vastgesteld en wordt een standaardafmeting van de sensorconstructie onder de slijtlaag gedefinieerd. Hst. 3 behandelt de drie mogelijke glasvezelsensoren. Hierin worden de verschillende sensorontwerpen beschreven en wordt het signaalniveau bij minimale respectievelijk maximale belasting vastgesteld, dan wel geschat. Een vergelijking tussen de verschillende sensoren is samengevat in een tabel. De conclusies zijn samengevoegd in Hst. 4 en in Hst. 5 zijn de referenties opgenomen.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
Benodigd meetbereik voor detectie van wielpassage In fase 2 hebben we de verschillende parameters, welke gebruikt kunnen worden als meetgrootheid voor het detecteren van wielpassage, m.b.v. een simulatiemodel onderzocht. De verticale spanning en de verticale rek, mits de gevoeligheid van de sensor toereikend is, zijn de meest geschikte parameters. Wegens de praktische aspecten is het gunstiger om de sensor diep onder de slijtlaag te plaatsen (b.v. 100 mm). Echter, een diepere positie leidt tot een lagere waarde van de te meten parameters. Aangezien voor beide relevante typen wegconstruktie in fase 2 (type A en type C, [Ref. 1]), simulaties uitgevoerd zijn op een diepte van 60 mm, kiezen we voorlopig 60 mm als de werkdiepte van de sensor. Uit de resultaten van die simulaties kunnen we de minimale en maximale waarden van de verticale rek en verticale spanning afleiden. Deze zijn gepresenteerd in Tabel 1. Tabel 1
Meetbereik voor de verticale rek en verticale spanning in wegconstructie type A en type C, op een diepte van 60 mm [Ref. 1]. (min = passage van een motorfiets met een snelheid van 200 km/h bij -10 °C, max = passage van een vrachtwagen met een snelheid van 10 km/h bij 30 °C) Wegconstruktie type A
Wegconstruktie type C
Verticale rek op 60 mm
ca. 3 (Je (min) tot ca. 130 \ie (max)
ca. 2 ^i£ (min) tot ca. 15 pe (max)
Verticale spanning op 60 mm
ca. 75 kPa (min) tot ca. 700 kPa (max)
ca. 75 kPa (min) tot ca. 650 kPa (max)
* u£=microrek. In dit onderzoek worden drie typen glasvezelsensoren onderzocht. Twee ervan, de sensorkabel van Pope en de sensorstrip van Alcatel, zijn bestaande sensorontwerpen. De derde is een voor dit doeleinde door TPD ontworpen en geteste sensor.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
Voor zowel de sensorkabel van Pope als de sensorstrip van Alcatel is het noodzakelijk dat ze in een robuuste sensorconstruktie worden opgenomen ter bescherming van de sensor. Om de aanwezige verticale rek om te kunnen zetten in een vervorming/indrukking, welke gebruikt zal worden voor verdere berekening van de respons van verschillende sensoren, kiezen we als uitgangspunt voorlopig een standaard afmeting van 40 mm hoog en 40 mm breed voor de sensorconstructie (zie Fig. 1).
i
Slijtlaag
<
Standaard afmeting van sensor
40mm
50mm
E E o
40mm
Figuur 1 De standaard afmeting van de sensorconstructie op een diepte van 60 mm onder het wegoppervlak.
Voor het detecteren van wielpassage kunnen we nu twee grootheden gebruiken, n.1. de verticale spanning en verticale rek in de wegconstructie. Echter, de optimale keuze is afhankelijk van de stijfheid van de sensorconstruktie. Bij een sensorconstructie die aanmerkelijk slapper is dan de wegconstruktie, kan de vervorming makkelijk overgedragen worden naar de sensor. Een slappe sensor is echter ongeschikt voor het meten van spanning in de relatief stijve wegconstructie, omdat de hoge spanningsopbouw (kPa's) in de wegconstructie gepaard gaat met een zeer geringe vervorming en deze geringe vervorming leidt in een slappe sensor niet tot een goed meetbare druk opbouw. Daarentegen kan een sensorconstructie die stijver is dan de wegconstructie niet optimaal gebruikt worden voor het meten van vervorming omdat de vervorming (rek) in de wegconstruktie nauwelijks overgebracht kan worden naar de stijve sensorconstructie. Een stijve sensorconstructie moet dus juist gebruikt worden om spanning te detecteren, terwijl een slappe sensorconstructie gebruikt moet worden voor het detecteren van vervorming/indrukking. Voor de voorgestelde standaard afmeting en positie van de sensorconstructie kunnen we nu het bereik van de vervorming/indrukking berekenen aan de hand van de verticale rek in Tabel 1.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
Tabel 2
Het bereik van de vervorming/indrukking van een sensor met de standaard afmeting op een diepte van 60 mm. Wegconstruktie type A
Vervorming/indrukking van een sensorconstructie met een hoogte van 40 mm
ca. 0.12 urn (min) ca. 5.2 pm (max)
Wegconstruktie type C ca. 0.08 urn (min) ca. 0.6 urn (max)
Onderzoek aan drie typen sensoren In dit onderzoek zijn drie typen sensoren onderzocht, n.1.: sensorkabel van Pope gebaseerd op microbending, sensorstrip van Alcatel gebaseerd op druk geïnduceerde vervorming in een polarisatie behoudende vezel en sensorconstructie ontwikkeld door de TPD gebaseerd op het meten van rek in een stuk glasvezel. Eerst wordt de gevoeligheid van de verschillende typen sensoren in kaart gebracht. Daarna worden deze gegevens in combinatie met de data in Tabel 1 en 2 verwerkt om de geschiktheid van verschillende sensoren te onderzoeken.
Sensorkabel van Pope
3.1
Bij de sensorkabel wordt licht eerst in het ene uiteinde van de glasvezel gekoppeld en de hoeveelheid licht uit het andere uiteinde wordt met een detector gemeten.
Lichtbron
li
L
—^ 1
i -—^ Pope sensorkabel
Detector
Figuur 2 Bij de Pope sensorkabel wordt het licht dat uit de glasvezel komt, gedetecteerd.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
Het meetpricipe van de kabel is gebaseerd op micro-buiging en de kabel is gevoelig voor door belasting geïnduceerde indrukking op de kabel. Bij indrukking verandert de demping van de sensor kabel. De demping cc als gevolg van indrukking op de kabel, uitgedrukt in dB is gedefinieerd als:
= 10 log^ - o, = 10 log^ - 10 log^p = 10 log-*- . Hierin is: = Ib = Ion = Ii =
(1)
het optische vermogen uit de glasvezel bij indrukking, het optische vermogen uit de glasvezel zonder indrukking, het in de vezel gekoppeld vermogen en de initiële demping van de sensor kabel (= 10 log (Ion/Ii).
Voor een betrouwbare wieldetectie gaan we er van uit dat de spanning/indrukking bij passage van een voertuig, minimaal een demping van -1 dB moet kunnen veroorzaken. (Hierbij neemt het meetsignaal met 20% af.) De Pope kabel is bij TPD onderzocht met behulp van de volgende opstelling. Een perspex plaat van ca. 20 cm lang en ca. 15 cm breed wordt op de sensor kabel en een identieke dummy kabel geplaatst. Vervolgens worden verschillende gewichten G op de perspex plaat gelegd. De belasting wordt dan verdeeld over de sensor en dummy kabel. De demping bij de verschillende gewichten worden gemeten. Parallel hieraan registreert een positiesensor (TESA, TTA20) de indrukking op de sensor kabel (zie Fig. 3).
TTA20
\L Perspex plaal
TT dummy kabel
_Q_ sensor kabel
Figuur 3 Experimetele opstelling voor onderzoek aan de Pope sensorkabel.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
De demping als functie van de indrukking resp. belasting is weergegeven in de volgende figuren. Pope kabel (X-alpha)
Pope kabel (F-alpha)
I
-2.5
I
"•O
-5-
\
§ -7.5
I
Q
•V
-10 -12.5
•
C
25
50
75
100
125
10 Kracht [N]
150
Verplaatsing [urn]
Figuur 4
Demping als functie van de indrukking.
Figuur 5
Demping als functie van de belasting.
Meer gedetailleerde meetresultaten zijn terug te vinden in Appendix A. De kabel blijkt een gevoeligheid van ca. -0.05 dB/urn voor indrukking te hebben en heeft volgens opgave van Pope een initiële demping van 0.4 dB per meter. Allereerst beschouwen we het geval dat deze Pope kabel opgenomen wordt in een sensorconstructie met de standaard afmeting zoals geschetst is in Fig. 1. Volgens Tabel 2 is de minimaal te detecteren vervorming bij een sensor met de standaard afmeting, gelijk aan 0.08 urn. Voor de gevonden gevoeligheid komt dit overeen met een demping van -0.004 dB. Dit is gelijk aan een verandering van 0.1% in het meetsignaal, hetgeen te weinig is t.o.v. de gestelde waarde van -1 dB oftewel 20%. Om de gewenste demping te realiseren moet of de gevoeligheid van de Pope kabel met een factor 250 worden verbeterd of de indrukking met dezelfde factor tot 20 urn wordt vergroot. Het verhogen van de gevoeligheid van de sensor kabel gaat naar verwachting gepaard met een verhoging van de initiële demping, waardoor de hoeveelheid licht die op de detector valt lager wordt. Dit is weer nadelig voor de signaal-ruis verhouding van het meetsysteem. Verder beperkt een hoge initiële demping ook de maximale lengte van de sensor. Het verhogen van de gevoeligheid introduceert nog een andere probleem. De Pope sensorkabel maakt geen onderscheid tussen statische (voor)belasting en dynamische belasting door wielpassage. Bij een hoge gevoeligheid is het denkbaar dat de demping als gevolg van statische (voor)belasting zo hoog wordt dat er te weinig licht resteert voor het detecteren van wielpassage. In het navolgende is getracht de sensorconstructie zodanig te modificeren dat de indrukking, bij de minimaal te detecteren belasting, 20 um of meer wordt. Alternatieve sensorconstructie voor de Pope kabel De indrukking op de Pope kabel kan vergroot worden d.m.v. een andere sensorconstructie. Alternatieven zijn:
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
a. b.
een hogere sensorconstructie een bredere sensorconstructie
ad a. Bij een hogere sensorconstructie en gelijkblijvende verticale rek neemt de hoogteverandering in de sensorconstruktie evenredig toe. Deze hoogteverandering wordt opgebracht door indrukking van de Pope kabel. Bij een 250 maal grotere hoogteverandering als in de standaard afmeting van de sensorconstructie hoort dus een sensor met een hoogte van 250x4cm=10 m hetgeen niet realistisch is. Verhogen van de indrukking op de Pope kabel d.m.v. een hogere sensorconstructie is dus niet haalbaar. adb. Beschouwd wordt nu de sensorconstructie in Fig. 6
Slijtlaag
I Ah Sensorconstructie B Figuur 6 Alternatieve sensorconstructie voor het vergroten van de indrukking op de Pope sensorkabel.
Deze sensorconstructie berust niet op meting van de verticale rek. De sensorconstructie met een slap bovenvlak wordt nu gebruikt om doorbuiging Ah van de slijtlaag te meten. Aangezien Ah toeneemt met de breedte B van de sensorconstructie, is het mogelijk een waarde van B te vinden waarbij Ah bij het passeren van de lichtste voertuig, groter is dan de vereiste minimum verplaatsing/indrukking van 20 urn voor een demping van -1 dB. Hierna volgt een eenvoudige schatting van de waarde van B.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
10
De berekening is uitgevoerd voor het meest ongunstig geval, d.w.z. temperatuur=-10 °C, voertuigsnelheid = 200 km/h en het voertuig is een motorfiets. De elasticiteit van de slijtlaag onder genoemde omstandigheden is gelijk aan ca. 16 GPa ([Ref. 1], Tabel 2.4). Verder nemen we aan dat de wiellast gelijk is aan 100 kg en er sprake is van een puntbelasting in het midden boven de sensorconstructie. De doorbuiging Ah wordt benaderd met het vereenvoudigde model van doorbuiging van een aan weerzijden ingeklemde balk [Ref. 2]:
Ah - JJL
.
(2)
192 El Hierin is: F B E I
= = = =
kracht, breedte van sensorconstructie, elasticiteitsmodulus van de slijtlaag en kwadratische oppervlak moment.
De doorbuiging Ah is afhankelijk van de verdeling van de belasting. Voor een Ah van 20 um is B ca. 25 cm. Verder zullen wij een marge van een factor 2 nemen voor dit vereenvoudigde model. De uiteindelijke breedte van de alternatieve sensorconstructie is dus minimaal 50 cm. Voor het inbouwen onder de slijtlaag is een dergelijke afmeting waarschijnlijk niet praktisch. 3.2
Polarimetrische sensor van Alcatel
De Alcatel sensor bestaat uit een ongecoate polarisatie behoudende (PM) glasvezel ingeklemd russen twee metalen strippen van ca. 10 mm breed. Het ontwerp is uitgebreid behandel in fase 1 [Ref. 3]. Aangezien zowel de ongecoate glasvezel als de metalen strip een hogere Elasticiteitsmodulus hebben dan de materialen in de verschillende wegconstructies, zal de Alcatel sensor het best gebruikt kunnen worden voor het meten van de verticale spanning. Verder eisen we voor een betrouwbare wieldetectie dat de verticale spanning bij wielpassage, minimaal een faseverandering van % rad in het polarimetrische signaal teweeg moet kunnen brengen. Dit leidt tot een minimale intensiteitsverandering van 50%.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
De Alcatel sensor met een breedte van 10 mm heeft een gevoeligheid van 0.25 rad/kPa [Ref. 4 en 5]. De minimaal te detecteren spanning is volgens Tabel 1 gelijk aan 75 kPa. Dit komt overeen met een faseverandering van 19 rad welke meer is dan het vereiste minimum van rc rad. Indien de Alcatel sensor Figuur 7 Een simpele sensorconstructie met de verwerkt wordt in een senAlcatel strip tussen twee platen. sorconstructie met de standaard afmeting, dan moet deze de druk zo goed mogelijk kunnen doorgeven. De simpelste constructie is het plaatsen van de Alcatel sensorstrip tussen twee stijve platen van ca. 20 mm dik (Fig. 7). Nadeel van de sensorconstructie in Fig. 7 is dat de ongecoate vezel beschadigd kan worden door kortstondige, relatief grote vervorming. Een oplossing hiervoor is het gebruiken van een niet comprimeerbaar, elastisch tussenmedium (b.v. siliconenrubber) voor het overbrengen van de spanning naar de sensorstrip (Fig.8). Hiermee wordt de spanning beter verdeeld over de sensorstrip. Een Figuur 8 Sensorconstructie met een tussenmevoordeel van het ontwerp in dium voor het overbrengen van de Fig. 8 is dat de spanning met belasting. een versterkingsfactor b/B 1 aan de sensorstrip wordt doorgegeven. Bij de standaard afmeting (40mm x 40mm) en BI = 10 mm ligt een verhouding b/B 1 van ca. 3 voor de hand. De gevoeligheid van de Alcatel sensor in de constructie van Fig. 8 wordt dan 0.75 rad/kPa. De minimum te detecteren belasting van 75 kPa (Tabel 1) komt dan overeen met een faseverandering van 56 rad. Deze hoge gevoeligheid maakt het mogelijk de sensor op een grotere diepte te plaatsen of de afmetingen van de sensor te reduceren.
11
TNO-rapport
12
TPD-HOI-RPT-950147
De sensorconstructie van Fig. 8 kan nog vereenvoudigd worden door vervanging van de Alcatel sensorstrip door een polarisatie behoudende vezel tussen twee afzonderlijke metalen platen (zie Fig. 9). De in Fig. 9 weergegeven sensorconstructie maakt de Alcatel sensorstrip dan overbodig. Een nadeel van dit polarimetrische sensor principe blijft dat de oriëntatie van de vezel van essentieel belang is. Dit leidt tot een ingewikkelder uitiijn procedure.
b
'//
V/A
Figuur 9 Alternatieve voor de constructie van Fig. 8.
3.3
sensor-
De TPD glasvezel sensor
In aanvulling op bovenstaande sensoren voor wielendetectie onder de slijtlaag heeft TPD een glasvezel sensor ontworpen en getest. Deze sensor bestaat uit 4 LEXAN schijven van 5 mm hoog en 30 mm in diameter. Om de LEXAN schijven wordt een glasvezel gewikkeld. Het aantal wikkelingen bedraagt 2 per LEXAN schijf. De LEXAN schijven worden daarna tussen twee metalen platen van 10 mm hoog, 40 mm breed en 200 mm lang gelijmd.
Metalen plaat
\ \ ^ \
rV////A
\
\
Figuur 10 De TPD glasvezel sensor.
/ ' / / /S/.'l
V
i
\
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
13
Het principe van deze glasvezel sensor is gebaseerd op dwarscontractie van de LEXAN schijven bij axiale belasting. De relatie tussen axiale druk p en de axiale rek eK in een eenvoudig analytisch model is:
. - 4 * - J2 . ax
h
(3)
E
Hierin is h de hoogte van de LEXAN schijf, Ah de indrukking en E de elasticiteitsmodulus. De axiale rek e^ veroorzaakt via dwarscontractie een radiale rek e,, in de LEXAN schijf: e
r = - 5 - = ~v e„ ,
(4)
met v de Poisson constante van het materiaal. Voor LEXAN is v gelijk aan ca. 0.3. Hieruit volgt :
AD = -v — AA .
(5)
h Voor de gekozen afmeting van de schijf is AD = 1 . 8 Ah. Verder geldt de volgende relatie tussen AD en de axiale druk p:
AD = v - p . Ey
(6)
De verticale spanning P op de sensorconstructie wordt d.m.v. de metalen plaat naar de LEXAN schijven overgebracht en veroorzaakt de axiale druk p. Tussen p en P is een versterkingsfactor die gelijk is aan de verhouding van de oppervlak van de plaat (=0.008 m2) en de totale oppervlak van de schijven (=4*7t*(D/2)2=0.0028 m2). Deze versterkingsfactor is gelijk aan 2.9. De lengteverandering Al in de om de schijf gewikkelde vezel is het product van het aantal schijven, het aantal wikkelingen per schijf en KAD. Deze lengteverandering kan op verschillende manieren gedetecteerd worden: interferometrisch (Mach-Zehder of Michelson) polarimetrisch via verandering in modus-verdeling in de glasvezel.
TNO-rapport
14
TPD-HOI-RPT-950147
In de onderzochte uitvoering is het aantal schijven gelijk aan 4 en zijn op elke schijf twee wikkelingen glasvezel aangebracht. De lengteverandering is gedetecteerd met behulp van een glasvezel interferometer vanwege de hoge gevoeligheid en de eenvoud van de meetopstelling. De glasvezel interferometer is van het type Mach-Zehnder (Fig. 11).
—>
s/
bundelsplitser Figuur 11
Detector
Sensor tak
Laser
' CQ) Cü) (ü) O ")<— > -^bundel^— splitser
Referentie tak
Mach-Zehnder type glasvezel interferometer.
Bij een Mach-Zehder type glasvezel interferometer geldt de volgende relatie tussen de faseverandering A()> en de lengteverandering Al: . ,
2TÏW
. .
A
(7)
Hierin is n de brekingsindex van de single mode glasvezel (ca. 1.45) en X is de gebruikte golflengte (780 nm). Evenals bij de polarimetrische sensor van Alcatel stellen we hier de eis dat de minimum te detecteren belasting een faseverandering van meer dan n rad moet opleveren. Uit bovenstaande informatie kunnen we de gevoeligheid van de sensor afleiden:
J^* = 2.9 —
8* v ^ = 3.1 radlkPa ,
(8)
en
M =^ Ah X
8rc
v R = 532 radlMm . h
(9)
De sensor is getest met een belasting van 600N (=75 kPa op de plaat). Hierbij treedt een faseverandering op van ca. 138 rad. De gevoeligheid is dus 1.84 rad/kPa. Dit is een factor 0.6 van de voorspelde waarde. Deze correctie factor zullen wij ook gebruiken voor de gevoeligheid voor indrukking. De gevoeligheid voor indrukking A<J)/Ah wordt dan ca. 320 rad/ujn.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
15
In de TPD glasvezelsensor worden LEXAN schijven gebruikt. LEXAN heeft een elastisiteitsmodulus van ca. 2.5 GPa welke in de buurt ligt van die van de slijtlaag. De glasvezelsensor zal dus gebruikt kunnen worden voor het meten van zowel de verticale spanning als de verticale rek. Gebruikmakend van de minimum waarden van de te detecteren parameters in Tabel 1 en 2, komen we tot de volgende waarde van het te verwachten signaal van de TPD glasvezelsensor onder de slijtlaag: 138 rad voor de minimum spanning van 75 kPa en 26 rad voor de minimum indrukking van 0.08 |im (=2 u£ bij een sensorhoogte van 40 mm). De gevonden faseverandering is in beide gevallen aanzienlijk hoger dan de vereiste n rad. De gevoeligheid van de sensor kan nog verhoogd worden door een grotere diameter van de schijven, meer wikkelingen op een schijf, een kortere golflengte en eventueel materiaal met meer geschikte eigenschappen (v en/of E). Deze hoge gevoeligheid maakt het mogelijk de sensor op een grotere diepte te plaatsen of de afmeting van de sensor te reduceren. Een ander voordeel van een hogere gevoeligheid is dat het signaal dat veroorzaakt wordt door de te meten parameter beter te scheiden is van stoorsignalen die afkomstig zijn van andere ongewenste parameters. Dit is vooral van belang in een glasvezel interferometer met een gescheiden sensor- en referentie tak.
3.4
Vergelijking tussen de drie typen sensoren
De data van de drie typen sensoren zijn samengevat in de volgende tabel. Tevens worden de voordelen en de nadelen op een rijtje gezet. De mogelijkheid om de sensoren te gebruiken voor aslast bepaling is niet in deze tabel opgenomen. Het is waarschijnlijk mogelijk om de aslast te meten door het aantal fringes van de Alcatel sensor of de interferometrische sensor te tellen. Bij de Pope sensorkabel moet dan de demping bepaald worden. In alle gevallen is het essentieel dat de mechanische eigenschappen van de wegdek bekend zijn. Deze varieert namelijk sterk als functie van de temperatuur en veroudering.
•o
Signaal bij verticale spanning min. 75 kPa, max. 700 kPa Pope kabel
Alcatel sensor in constructie
min. 56 rad, max. 525 rad
TPD sensor
min. 138 rad, max. 1288 rad
Tabel 3
Signaal bij verticale indrukking min. 0.08 pm, max. 5.2 pm
Voordelen
min. -0.004 dB, max. -0.26 dB
- Sensorkabel reeds beschikbaar
- Te ongevoelig voor beoogde toepassing - Initiële demping beperkt de lengte van de sensor - Statische belasting introduceert extra demping - Geen werkbare sensor constructie bekend die de vereiste gevoeligheid kan leveren.
- Een sensorkabel met stijvere materialen zal wellicht resulteren in een hogere gevoeligheid voor indrukking wellicht kunnen verhogen.
- Groot dynamisch bereik - "Onbeperkte" kabellengte - Afmeting van de sensorconstructie kan nog gereduceerd worden - De hoge gevoeligheid maakt het mogelijk de snsor dieper onder de slijtlaag te plaatsen en of een sensor constructie toe te passen met kleinere afmeting dan de standaard afmetingen.
- Speciale PM vezel met nauwkeurige oriëntatie nodig - Een ingewikkelde uitlijn procedure
- Rechte metalen strippen i.p.v. het Alcatel ontwerp
-
- Om stoorsignaal te beperken dient de referentievezel zo dicht mogelijk bij de sensorvezel en de glasvezel slitters zo dicht mogelijk bij de sensor schijven worden geplaatst
- Optimaliseren van materiaalkeuze van schijven - Optimaliseren van de gevoeligheid m.b.v. het aantal wikkelingen per schijf
min. 26 rad, max 1664 rad
Nadelen
Aanbevelingen tot verbetering
9
o i TJ
Gevoelig voor zowel rek als spanning Groot dynamisch bereik "Onbeperkte" kabellengte Ervaring met dit sensorontwerp is reeds aanwezig bij TPD - Sensorconstructie is goed bestendig tegen mechanische verstoringen - De hoge gevoeligheid maakt het mogelijk de sensor dieper onder de slijtlaag te plaatsen en of een sensor constructie toe te passen met kleinere afmeting dan de standaard afmetingen
Belangrijke data van de onderzochte sensoren (al of niet in een sensorconstructie met de standaard afmeting van 40 mm hoog en 40 mm breed) op een diepte van 60 mm
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
17
Conclusies Meetgrootheden De verticale spanning en de verticale rek (=vervorming), mits de gevoeligheid van de sensor toereikend is, zijn de meest geschikte parameters voor het detecteren van wielpassage. Echter, de optimale keuze is afhankelijk van de stijfheid van de sensorconstruktie. Een t.o.v. de wegconstructie slappe sensor dient gebruikt te worden voor het meten van vervorming. Daarentegen moet een stijve sensor ingezet worden voor het detecteren van de spanning. Om de Pope sensorkabel en de Alcatel sensorstrip te beschermen en het meetsignaal te kunnen vaststellen, nemen we aan dat de sensorconstructie zich op een diepte van 60 mm bevindt en een afmeting heeft van 40 mm hoog en 40 mm breed. Dit wordt de standaard afmeting genoemd. Pope sensorkabel Het meetpricipe van de Pope kabel is gebaseerd op micro-buiging en de kabel is gevoelig voor door belasting geïnduceerde indrukking op de kabel. Bij indrukking verandert de demping van de sensor kabel. De sensorkabel van Pope is veel slapper dan de wegconstructie en zal dus gebruikt moeten worden voor het detecteren van vervormingen/indrukkingen. De gevoeligheid van de kabel voor indrukking is echter te laag (ca. -0.05 dB/urn). Voor een signaal verandering van 20% oftewel -1 dB is een indrukking van 20 urn nodig. Dit is slechts realiseerbaar met een sensorconstructie met een breedte van minimaal 50 cm, hetgeen niet praktisch is. Wellicht kan de gevoeligheid van de Pope sensorkabel verhoogd worden door stijvere materialen in de sensorkabel toe te passen. Alcatel sensorstrip De polarimetrische sensor van Alcatel is reeds uitgebreid behandeld in fase 1 [Ref. 1 en 3]. De sensor met een breedte van 10 mm heeft een gevoeligheid van 0.25 rad/kPa. De sensorstrip bestaat uit componenten welke stijver zijn dan het wegdek en kan gebruikt worden voor het detecteren van de verticale spanning in de wegconstructie. De minimaal te detecteren spanning van 75 kPa (Tabel 1) zal een faseverandering van ca. 19 rad veroorzaken. Dit overtreft de gestelde eis van een minimum signaal van n rad (= meer dan 50% verandering in het meetsignaal). De sensorstrip is dus geschikt voor het detecteren van wielpassage onder de slijtlaag. Voor de bescherming van de Alcatel sensorstrip kan deze in een constructie met de standaard afmeting worden verwerkt (Fig. 8). Hierin wordt een tussenmedium gebruikt waarmee de spanning versterkt aan de sensorstrip wordt doorgegeven. Hierdoor wordt de gevoeligheid vergroot. We kunnen dit sensorontwerp nog vereenvoudigden door vervanging van de Alcatel sensorstrip door een polarisatie behoudende vezel tussen twee afzonderlijke platen (Fig. 9). Deze eenvoudiger sensorconstructie maakt de sensorstrip dan zelfs overbodig.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
18
TPD glasvezel sensor Voor wielendetectie onder de slijtlaag is door TPD een glasvezel sensor ontworpen, gebouwd en getest. Het principe van deze glasvezel sensor is gebaseerd op dwarscontractie van een LEXAN schijf bij axiale belasting. De diameterverandering van de schijf wordt overgebracht naar een lengteverandering van de er omheen gewikkelde glasvezel. M.b.v. een glasvezel interferometer kan de lengteverandering gedetecteerd worden. De LEXAN schijven in de sensor hebben een elasticiteitsmodulus die in de zelfde orde is van die van de wegconstructie. De sensor zal dus ingezet kunnen worden voor het detecteren van de spanning als de rek/vervorming. De gevoeligheid van de TPD sensor blijkt 1.84 rad/kPa resp. 320 rad/urn te zijn. Het minimum te detecteren spanning resp. vervorming zullen een faseverandering van 138 rad resp. 26 rad veroorzaken. In beide gevallen overtreft de faseverandering de gestelde eis van n rad. De TPD glasvezel sensor is dus zowel geschikt voor het detecteren van verticale spanning als verticaal rek onder de slijtlaag, welke veroorzaakt worden door wielpassage. De gevoeligheid van deze glasvezelsensor kan nog verhoogd worden door een grotere diameter van de schijven, meer wikkelingen op een schijf, een kortere golflengte en eventueel materiaal met meer geschikte eigenschappen. Deze hoge gevoeligheid maakt het mogelijk de sensor op een grotere diepte te plaatsen of een sensorconstructie toe te passen met kleinere afmeting dan de standaard afmetingen.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
19
Aanbevelingen Op grond van de bereikte resultaten in fasel en 2 van de haalbaarheidsstudie m.b.t. voertuigdetectie met optische glasvezels en de in dit rapport beschreven resultaten van de aanvullende studie, wordt aanbevolen om veldexperimenten met sensoren onder de slijtlaag uit te voeren. Aanbevolen wordt om deze veldexperimenten te beperken tot verificatie van de eigenschappen van sensoren voor detectie van wielpassage. Bij een positief resultaat is een logisch vervolg op deze experimenten: Ontwikkeling en testen van algoritmen en een systeemconcept met meerdere sensoren voor bijvoorbeeld voertuigdetectie, voertuigclassifïcatie en eventueel aslast meting. Hiermee wordt afgeweken van het oorspronkelijke plan van aanpak (RWS-AVV plan code 31802) van de haalbaarheidsstudie, waarin de vervolgactiviteiten waren opgesplitst in laboratorium- en veldexperimenten. De achtergronden hiervan zijn: 1 Het gedrag van het wegdek kan niet voldoende realistisch in het laboratorium worden nagebootst. 2 Het verdient aanbeveling om de verdere ontwikkeling op te splitsen in: a. ontwikkeling van de glasvezelsensor voor detectie van wielpassage, b. ontwikkeling van een systeemconcept ten behoeve van voertuigdetectie, voertuigclassificatie e.d. Een op basis van bovengenoemde aanbevelingen aangepast plan van aanpak omvat de volgende vervolgfasen: Fase 3 Veldexperimenten met sensoren voor detectie van wielpassage (fase 3 en 4 van het oorsronkelijke plan, maar beperkt tot de sensor). Fase 4 Ontwerp van een systeemconcept voor voertuigdetectie en classificatie en zo mogelijk aslastmeting, gebaseerd op een combinatie van signaalverwerkingsalgoritmen en een geschikt samenstel van sensoren. Fase 5
Testen van het in Fase 4 ontworpen voertuigdetectiesysteem.
Plan van aanpak voor Fase 3; de veldexperimenten Doel van de experimenten: Het doel van deze experimenten is met name om de resulltaten van de theoretische studies (fase 1 en 2 [ref.len 3] en de in dit rapport beschereven aanvullende studie) experimenteel te verifiëren, alsmede om het meest geschikte sensortype en de meest geschikte sensorconstrucie te selecteren voor detectie van passage van wielen met een sensor onder de slijtlaag.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
20
Deel taken: 1.
Voorbereiding Overleg met Alcatel i.v.m. ter beschikking stellen dan wel aanschaf sensor (TPD) Indien mogelijk, verbeteren van de Pope sensor (Pope) Realisattie van interferometrische sensor en sensorconstructie (TPD) Selectie van geschikte testiocatie; de testiocatie zal door de Directie NoordBrabant ter beschikking worden gesteld (RWS-AVV, RWS-Dir N. Brabant, TPD) Overleg over gewenste voorzieningen en testvoertuigen op de testiocatie (RWS-Dir N. Brabant, TPD) Overleg over methode van aanbrengen van de sensoren (RWS-DWW, RWS-Dir N. Brabant, TPD) Opstellen van een meetprogramma (TPD)
N.B. Diverse aspecten van de experimenten zullen tevens met RWS-DWW worden afgestemd. 2.
Uitvoering Aanbrengen van de sensoren (RWS-Dir N. Brabant, TPD en eventueel Pope) Samenstellen en testen van de meetopstelling (TPD) Uitvoeren van het meetprogramma (TPD) Registratie van de resultaten (TPD)
3.
Rapportage Evalueren van de resultaten (TPD) Schriftelijke rapportage met beschrijving van de gebruikte sensoren, meetopstellingen, meetcondities en evaluatie van de resultaten (TPD)
Technisch Physische Dienst TNO
ir. L.K. Cheng
<<^
A.J.A. Bruinsma
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
21
Referenties 1.
D. de Bruijn en AJ.A. Bruinsma, "Haalbaarheidsonderzoek naar voertuigdetectie met optische glasvezel - Fase 2: Voorlopige evaluatie", TNO-rapport TPD-HOI-RPT-940326, 28 november 1994.
2.
M.R. Creemers et al., "Poly-Technisch Zakboekje", Koninklijke PBNA BV, Arnhem, 1989.
3.
D. de Bruijn en A.J.A. Bruinsma, "Haalbaarheidsonderzoek naar voertuigdetectie met optische glasvezel - Fase 1: Inventarisatie", TNOrapport TPD-HOI-RPT-940230, 16 september 1994.
4.
J. Boby et al., "Weighing of Vehicles inMotion Using Fiber Optie Sensors", Electrical Communication - lst Quater 1994, pp. 74-77.
5.
A. Tardy et al., "High sensitivity transducer for fibre optie Pressure sensing applied to dynamic mechanical testing and vehicle detection on roads", Springers Proceedings inPhysics "Optical Fiber Sensors", Vol. 44, pp. 215221, Springer-Verlag, Berlin, 1989.
TNO-rapport
22
TPD-HOI-RPT-950147
Appendix A
Meetresultaten Pope sensorkabel Pope kabel (X-alpha)
oI
-2.5-
I
'S" • • * **
E -7.5'CL
i
-io-
Q -12.5 • •
-15 i
25
C
50
75
100
125
150
Verplaatsing [um]
Figuur Al
Demping als functie van de indrukking. Meetserie 1.
Pope kabel (X-alpha) o •
-2.5 •
I
s
-5" 1
B -7.5 • Q.
§ -io • Q -12.5 • -15
i C
25
50
75
100
125
150
Verplaatsing [um]
Figuur A2
Demping als functie van de indrukking. Meetserie 2.
TNO-rapport
TPD-HOI-RPT-950147
23
Pope kabel (F-alpha) 0 i
-2.5-
m
rV*
mping
-5-
CD
-7.5-10 •
D
-12.5 • -15 •
1
1
1—
I
1
1I
1
15
10
20
Kracht [N]
Figuur A3
Demping als functie van de belasting. Meetserie 1.
Pope kabel (F-alpha) 0' -£..0
m mping
-5-
CD
o
"^V'"
-7.5 •
s
-10-
-12.5 • -15 •
1
1
1—
i
10
1
1i
15
1
20
Kracht [N]
Figuur A4
Demping als functie van de belasting. Meetserie 2.
