裂缝光纤传感的工程应用

第18卷第12期2007年12月 光电子·激兴 ．，oH，．n口fo，(功foeZecf，onfcs·L口sP， V01．18No．12Dec．2007 ·测量·检测· 裂缝光纤传感的工程应用* 吴永红h。，蔡海文2，刘浩吾3，吴中如1 (1．河海大学水利水电工程学院，教育部水电工程安全研究中心，江苏南京210098；2．中国科学院上海光学精 密机械研究所信息光学研究室，上海201800；3．四川大学水电学院，四川成都610065) 摘要：光纤传感的灵敏性及工程“存活率”是其工程实用化的两个关键技术参量，对光纤混凝土结构两种常用 裂缝光纤传感光信号对裂缝宽度的灵敏性与存活率进行了实验研究，对光纤涂覆层对灵敏性影响的大小和机 理进行了分析，并制作了灵敏性与存活率均较高的光纤试验样本，与裂缝成45。夹角时，相比于等直径的普通二 次涂覆粗光纤(10／125／900肛m)，样本的灵敏性提高近65％，而存活率亦高出约15％。研究结果可为裂缝光纤 传感的优化设计和工程应用提供了基本参照。 关键词：光纤传感；裂缝监测；涂覆层；灵敏性；存活率；工程适用性 中图分类号：TN247文献标识码：A 文章编号：1005—0086(2007)12—1438_04 Study蚰EIlgineerillgApplicabm够ofopticnberChckSe璐iIlg wUY。ng_honF+”，CAIHai—wen2，uUHaO-wu3，wUZhong_rul (1．C01legeofWaterConServallcyandHydropowerEn舀neerir嘻，HohaiU血versity，Nanjing210098，Chim； 2．Shang临InStituteof0pticsandFineMechamcs，TheChineseAcademyofSciences，shangh201800，China； 3．C01legeofWater(bnservancyandHydmpower，SichuallUniversity，Chengdu610065，China) Abs哑t：Thesensiti、，itya11dlivabilityoftwokindsofcracksensingopticfibersforfiberoptb00nc眦estrLlcturewereinves tigatedexperimentally．7I’heeffectofopticfiber’scoatingsonthesensiti啊tywasanalyzed，andtheexperirrlentalsensir培optic nbers锄ples而thgreatersensitivityandlivabilitywereInade．Comparedwiththeconmlontl_lickopticfiber(10／125／900 }上m)ofthesarrleoutsidediameter，thes啪ple’ssensitivityatthean91eof45。tocrackisraisedapproximatelyby65％，while its1ivabilityisHgherabout15％，whichpmvidesnecessaryreferencesforopti舢mdesigIlandengineeringapplicationofthe nberopticcracksensing． KeywoI‘ds：fiberopticsensing；cracknlonitoring；opticfiber’scoating；sensitivity；1ivability；engineeringapplicabili— tv 1 引 言 工程结构的裂缝既是工程结构内部累积损伤的表现，又是 工程失稳破坏的征兆和诱因，是工程安全的隐患。通过对工程 结构的实时监测，及时发现裂缝的发生和发展，并结合工程安 全监测的其它参数，可为更全面、有效地分析工程结构性态和 安全状况，提供翔实、可靠的依据，以避免重大工程事故的发 生。大型工程结构裂缝的发生范围、方向和开展深度，往往是 不确定的，具有时空随机性、隐蔽性等显著特征，要捕捉裂缝的 发生和发展过程，只有对整个工程结构施行全方位的空间、立 体式连续监测。光纤传感不仅能对环境物理量进行分布式监 测[1]，还具有抗电磁干扰、防雷电等诸多优越特性，有望成为工 程结构裂缝监测的潜在技术。 光纤传感的灵敏性和工程“存活率”是其工程实用化的2 个关键技术参量。对于恶劣的工程环境，普通通讯光纤，显然 难以在工程实际中有效存活，要使传感光纤能适应工程，就须 对普通光纤实施增厚、加强；另一方面，工程结构的安全分析和 安全监控尤为关注监测变量的动态特征，灵敏性的高低成为分 析光纤传感应用于工程安全监测的可行性和实用化潜力直接 的、首要的性能指标。因此，光纤传感的工程应用，需分析研究 传感光纤的材料及其结构特性对传感性能和工程“存活率”的 影响。 对于光纤混凝土复合结构，光纤涂覆层对混凝土一光纤间 应力应变的传递具有明显的影响，并已得到相当的研究[2，3【。 本文基于混凝土模型试验，首次给出2种常用裂缝光纤传感的 灵敏性和存活率；对光纤涂覆层对传感灵敏性影响的大小和机 理进行了分析，制作了灵敏性与存活率均较高的光纤试验样 本，为裂缝光纤传感的优化设计和工程应用提供必要的参照。 收稿日期：2006—12—20修订日期：2007一02—25 * 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目(50539030，50539010)；中国水电工程顾问集团公司科学研究资助项目(cHeⅪ2004—12) **E_mail：wuyor曙honghao@yah00．cofncn 万方数据 第12期吴永红等：裂缝光纤传感的工程应用 2 工程结构裂缝引致的光纤微弯损耗方程 2．1 光纤中的瑞利散射 光纤中传播的光波是由一系列的激光脉冲组成。脉冲功 率较小时，光脉冲沿行程各点发生瑞利散射，形成后向瑞利散 射光。光纤中距离始端Z处、长度为c亿的一段光纤，所产生的 后向瑞利散射光传播至光波注入端的功率dP(Z)[4]可表示为 C11、C12与C21、C22及a(2)只是缝宽度W的单值函数。变换式 (2)，得单裂缝点引致的光纤微弯损耗方程为 l刨 A(c)一I一口(z)＆ (3) 式中，a(z)已由微弯损耗系数变为裂缝引致的光损耗随缝宽的 变化率，反映光损耗对缝宽变化的敏感性。目前，要确定式(3) 中的参数，还有赖于通过对模型实验数据的拟合分析。 dP(Z)一Pin魄s鼍茅e_孙。z把 (1) 3传感光纤的灵敏性及存活率 式中：Pi。为注人光纤的脉冲光功率；n。为光纤瑞利散射(损 耗)系数；S为后向散射因子；N。为光纤数值孔径㈣为光纤 纤芯群折射率溉为光纤吸收和散射衰减系数。 2．2 分布式裂缝光纤传感机理 分布式裂缝光纤传感的机理[5]是：工程结构开裂时，埋入 其中的光纤会在裂缝上、下两面分别生成2个微弯，如图1示， 从而引起光信号出现局部高损耗一微弯损耗，形成裂缝一光损耗 的单值对应关系，用光时域分析反射计(0lTDR)探测后向瑞利 散射光损耗的位置和大小，可推知在相应的位置是否存在裂 缝。据此，无论工程中何处出现裂缝，只要与埋入的光纤光路 相交(非正交)即可被感知。如有2根成一定夹角的光纤穿过 裂缝，还可定出裂缝的宽度及延展方位。 图1 arll)R裂缝检测机理示意图 №l Sche删狮cdia雩啊m0f(HDR涮‘detecti伽Illedl舢I咖 optic舶er 图2裂缝引致的光纤微弯示意图 n吕2sckmaticdi：哿锄ofopticnb盯 IIli鼢bImdi】lIgilldll∞dbyacrack 2．3 裂缝引致的光纤微弯损耗方程 假令工程体中某根光纤穿越裂缝多次，形成多个光纤一裂 缝交点，简称裂缝点。记C为其中任意一点，S(C)1、S(C)2分 别为裂缝点C引致的2个光纤微弯。C11、C12与C2l、C22分别 为微弯s(c)1、s(c)2的端点，其中C21、C22分别位于裂缝上、下 两面。根据对称性，C11、C21的长度即为该处裂缝的宽度硼，并 始终保持在与缝面垂直状态。因此，结构裂缝的扩张是通过改 变光纤的微弯路径C11、C12、C2l、C22以及其中各点的曲率而调 节光损耗的变化。裂缝点C引起的光纤微弯损耗A(C)表示为 A(C)一卜n(z)＆+f嘞a(z)出(2) J‘n Jc21 式中，a(z)为光纤微弯损耗系数。光纤与缝面夹角一定时， 3．1灵敏性测试与分析 试验采用标号C30的混凝土，试件的宽×高×长为10cm ×10cm×70cm。为控制混凝土材料的脆性破坏速度，沿试件 的长度方向配有一定数量的小直径钢筋。传感光纤选用2种 常用的、涂覆层厚度不同的普通康宁(Co疵ng)单模通信光纤 (10／125／250pm、10／125／900pm)，考虑到工程结构裂缝方位 的随机性，将光纤分别与预期人工诱导缝成夹角30。、45。和60。 埋人试件。将试件作为简支梁在跨中以集中力实施极缓慢加 载，直至完全断裂。试验采用全数字式M，rS一816岩石和混凝 土力学试验系统，将试件施载致裂并进行数据采集，应变传感 器(^仉懿32．94F_20型)的分辨率为o．1肛e。为能采集到足够 的试验数据，选用分辨率为o．ooldB的光功率计(D(FOPM_ 1600H型)检测光信号，所用光源型号为ASE-CL。试件测试装 置示意图如图3所示。混凝土试件中，2种光纤与裂缝夹角为 45。的光损耗与裂缝宽度关系如图4所示。 ∞ b o 一 ．芏 △ o Con 一 图3试件测试装置示意图 n晷3sdl哪laticdiagramoftestsenillg 图4光纤光损耗与裂缝宽度关系 n舀4Relati蚰slIipsbetw咖tlleopticI假；andcrack埘dth 分析处理试验结果，得到传感光纤与裂缝成3种夹角的灵 敏性，见图5所示。目前，由于缺乏分布式裂缝传感器明确的 万方数据 灵敏性参照标准，故暂取我国水利技术标准中列出的量程为5 r11Hl的混凝土测缝计的最小读数o．012舢n[6]，作为光纤光损 耗一缝宽灵敏}生分析的缝宽基值。由图5可知： ∞ 10 蔷 ：三 ’苦 g ∽ ∞ 10 瞢 乏 ·羞 g ∽ Crack／mm fa)】o／125／250um Cmcl(／nun (b110／125／900um 图5 光纤灵敏性与裂缝宽度关系 n吕5 Rdatio璐llipsbetw钟11these璐itivi姆 andcmcl【widthofthe叩ticfiber 1)对于由弹性模量低的柔性材料构成的光纤涂覆层，光 纤灵敏性随涂覆层厚度的增加而降低，在与裂缝成45。～60。夹 角这一光纤最适工程布设范围内，灵敏性与涂覆层厚度近似成 反比；光纤灵敏性亦随光纤与裂缝夹角的增加而降低，结果综 合表现为普通二次涂覆粗光纤的实用灵敏性很低，夹角70。时 的光纤最大光损耗只有o．02dB，低于0TDR的线形度。 2)光纤灵敏性的降低意味着对应于同一裂缝宽度光纤光 损耗变小，光损耗的变化是由光纤总微弯的改变所致，而光纤 总微弯又由光纤微弯路径及弯曲曲率的大小两者共同决定，最 终取决于光纤弯曲空间和弯曲内力的大小。光纤涂覆层厚度 的增加，一方面会导致光纤弯曲空间缩小，另一方面由于光纤 涂覆层弹模较低，在以混凝土为基材的光纤一混凝土复合体中， 就存在“两刚一柔”3种材料和2个接触界面(混凝土一涂覆、涂 覆一裸纤)。当混凝土或光纤受到沿光纤轴向较大的外力作用 时，混凝土～涂覆界面会首先出现局部滑动。如滑动范围不断 扩大至一定程度，会减小光纤所受弯曲内力的增加，甚至降低 现有的弯曲内力。在混凝土发生断裂的瞬间，在断裂区附近一 定出现一局部高应力区，引起光纤在混凝土体内的滑动。混凝 土模型实验和有限元分析表明，光纤滑移的区域随光纤涂覆层 厚度和光纤一混凝土复合体所受外荷载的增加而扩大[引。 3．2存活率 在混凝土模型制作过程中，边逐层填筑混凝土，边对之用 振捣棒掏移捣压；待模具填满混凝土后，再从两端手工反复小 光电字·激光 !!!!笙箜!；鲞 幅掀动，将混凝土进一步振密；其后，用光功率计检测埋置在混 凝土模型中的光纤的通光能力。试验模型共6组，每组分别埋 设光纤(10／125／250弘m、lo／125／900肛m)各3根，将2种光纤中 通光能力未受混凝土填埋影响的光纤数目，除以各自的光纤总 数，得相应的“存活率”分别约为35％、65％。可见，光纤的灵敏 性高，则其“存活率”较低，反之亦然，表明光纤传感的工程应用 存在着技术上的矛盾性的限制。 为了光纤铺设的方便，在构筑混凝土试件时，将光纤和裂 缝楔性诱导片分别呈水平、竖直布置。这样，对混凝土的振捣， 其方向基本是与光纤的延展平面一水平面相垂直。显见，光纤 的实际工程埋设存活率，将会低于这种简单的室内试验结果。 3．3光纤试验样本 为验证以上对光纤涂覆层对灵敏性影响机理的分析，从而 为探寻提高光纤裂缝传感工程适用性的技术路径提供理论参 照，将涂覆层厚度为250pm的光纤预设埋在混凝土中的部分， 在光纤的外表面，逐段均匀涂上一层厚约650pm的粘结剂，选 用的粘结剂固化后的弹性模量，经测试为普通光纤涂覆材料的 3倍。这样，待粘结剂完全固化后，就形成了一种相当于涂覆 层不同的传感光纤，如图6示。测试样本的裂缝传感能力，并 对所得数据进行分析。分析结果表明，与等直径的普通二次涂 覆粗光纤相比，样本的灵敏性有较大提高，与裂缝成45。夹角时 提高近65％，如图7示。 图6光纤试验样本示意图 脚6 sch伽鲥cma争锄oft11e慨pe血黜伽。州cflb日s锄叫e ∞ q 甚 ：三 毒 g ∽ 图7光纤试验样本灵敏性与裂缝宽度关系 随7 ReIatio璐hipsbe晰e匝tllese璐itivityand仃a出widtIl 制作的样本所以显示出较高的灵敏性，主要在于样本胶体 涂覆弹模较高，增强了混凝土一涂覆裸纤问的协同作用，降低 了光纤沿混凝土界面的滑移。此外，样本外表面的粗造和外形 的不规则，也起了部分作用。 室内振捣试验表明，样本存活率也比普通粗光纤约高出 15％。由此可见，通过研制具有较高弹模的涂覆层，同时设计 适当的光纤外部形态，既可提高光纤的灵敏性，又可改善其工 程存活状况，从而逐步推进光纤裂缝传感工程实用化的实现。 万方数据 第12期吴永红等：裂缝光纤传感的工程应用 4结论 1)对光纤一混凝土结构2种常用裂缝光纤传感光信号对裂 缝宽度的灵敏性与存活率进行了实验研究，对光纤涂覆层对裂 缝传感灵敏性影响的大小和机理进行了分析，制作了灵敏性与 存活率均较高的光纤试验样本，为裂缝传感光纤的优化设计和 工程应用提供了基本参照。 2)分布式光纤裂缝传感的研究，目前还主要停留在原理 性和方法性的探索性研究阶段，其工程应用还缺乏充分、可靠 的试验模拟和工程试用这一前提条件，具有工程实用化参照意 义的研究方法和结论还有待探索。 参考文献： L1]ZHOIYan，JINShi·jiu，zHANGYLr卜c}lao，efa『．ShJdyonthedistrIbu． tedoplIca|fIber9e惜ing蹴moIogyforpipe¨neleakaged酿烈ion[J]． ．I。lJrnaf0f印慨兆功啪ics·fa鲥(光电子·激光)，2005，16(8)： 935—938．(mChir-ese) [2]UuTi争g朗，JIANG山1_feng，LJxin，efa『．AppIIcationoffiberbra∞ grat旧9甘1sormeasurem甘1tdte陋iIestresSInaseven_州repres— tre鹞edsleel甜rand[J]．．I。f胛帕fof(椒∞权蝴惦·L∞吖(光电子 ·激光)，2005，16(10)：1235．1238．(mchinese) [3]VvUY∞9．h。ng．TheStn肋JraIa怕Iysisandexperimentoftheencap． suIationofhy心aulicengineer旧9∞pageflberBraggsensor[D]． cheng山：Sichjanuniversity，2003．(Inchine9e) L4jⅢmi—wen，efa『．The劂mJc懒and铆肋渤0，刚删 FⅡ)吖s∞s口】g[M]Beij呐：chinaNalio怕IDe《er阮Press，2001．85 (．nChIne9e) L5jLluxi静jian，YUQi畸划．E)(perImeI怕I咖dy0fdislribu【ed州icam ber9erlsorforcracI(d咖lion[J]．．h胛n『0f瓣J；ec批n『cs·LQs日 (光电子·激光)，2005，16(7)：779—782(-nchIne9e) [6]De∞r叶BnlInternatio怕IC[缉eration，scienceand瑜mologyofⅢ一 niistryafVV№rResocLIces．Wbfer0ansen㈣y诒dn胁fSl甜ld互r啮 &姚x舭惜(№^erQ髓治n慨ncya喇懒舵日翊帽}r打】：g的』m帕 舾打1耵御fs)[Mj．Beijing：chinawa时conseⅣancyandH灿uIic Engineer旧PnesS．(InChinese) 作者简介： 吴永红(1966一)，男，博士，副研究员，研究方向为工程结构抗震与安全 监测． 万方数据 裂缝光纤传感的工程应用 作者： 吴永红， 蔡海文， 刘浩吾， 吴中如， WU Yong-hong， CAI Hai-wen， LIU Hao-wu， WU Zhong-ru 作者单位： 吴永红,吴中如,WU Yong-hong,WU Zhong-ru(河海大学水利水电工程学院,教育部水电工程安 全研究中心,江苏,南京,210098)， 蔡海文,CAI Hai-wen(中国科学院上海光学精密机械研究 所信息光学研究室,上海,201800)， 刘浩吾,LIU Hao-wu(四川大学水电学院,四川,成都 ,610065) 刊名： 光电子·激光 英文刊名： JOURNAL OF OPTOELECTRONICS·LASER 年，卷(期)： 2007,18(12) 被引用次数： 2次 参考文献(6条) 1.ZHOU Yan;JIN Shi-jiu;ZHANG Yun-chao Study on the distributed optical fiber sensing technology for pipeline leakage detection[期刊]-光电子·激光 2005(08) 2.LIU Tie-gen;JIANG Jun-feng;LI Xin Application of fiber bragg grating sensor measurement of tensile stress in a seven-wire prestressed steel strand[期刊论文]-光电子·激光 2005(10) 3.WU Yong-hong The structural analysis and experiment of the encapsulation of hydraulic engineering seepage fiber Bragg sensor 2003 4.WANGHui-wen The Technologies and Application of Optical Fiber Sensing 2001 5.LIU Xiao-jian;YU Qing-xu Experimental study of distributed optical fiber sensor for crack detection[期刊论文]-光电子·激光 2005(07) 6.Department International Coopereation,Science and Technology of Miniistry of Water Rescouces Water Conservancy Technical Standards Collections (Water Conservancy and Hydraulic Engineering Volume.Instruments) 本文读者也读过(4条) 1. 万生鹏.何赛灵.胡建东.高益庆.WAN Sheng-peng.HE Sai-ling.HU Jian-dong.Gao Yi-qing 边缘检测技术在分 布式光纤传感中的应用[期刊论文]-中国激光2005,32(5) 2. 刘琨.井文才.刘铁根.张以谟.贾大功.张红霞.彭纲定.LIU Kun.JING Wen-cai.LIU Tie-gen.ZHANG Yi-mo.JIA Da-gong.ZHANG Hong-xia.PENG Gang-ding 一种动态光纤传感系统的容限扩展[期刊论文]-光电子·激光 2008,19(6) 3. 吴永红.苏怀智.高培伟.WU Yonghong.SU Huaizhi.GAO Peiwei 混凝土大坝裂缝光纤监测关键性基本问题的协同 研究[期刊论文]-水力发电学报2007,26(4) 4. 李威.蔡文娟.王禹桥.陈涤缨.LI Wei.CAI Wen-juan.WANG Yu-qiao.CHEN Di-ying 基于光纤传感的地铁杂散电 流监测方法[期刊论文]-中国矿业大学学报2008,37(6) 引证文献(2条) 1.钱振东.黄卫.关永胜.韩光义 BOTDA在沥青混凝土铺装层裂缝监测中的应用[期刊论文]-东南大学学报（自然科学 版） 2008(5) 2.何勇.姜帅.毛江鸿.夏晋.金伟良 结构裂缝的分布式光纤监测方法及试验研究[期刊论文]-土木建筑与环境工程 2012(1) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdzjg200712011.aspx