分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)變測量試驗研究

何 寧， 王 平， 丁 勇，， 錢亞俊， 彭 智

（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.中國第一冶金建設(shè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430081；3.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

0 引 言

光纖傳感器自20世紀(jì)70年代問世以來，得到了廣泛的關(guān)注，特別是近些年，光纖傳感器的工程應(yīng)用發(fā)展迅速?；诓祭餃Y散射的監(jiān)測技術(shù)與常規(guī)的監(jiān)測技術(shù)原理不同，它具有分布式、長距離、實時性、精度高和耐久性長等特點，能做到對工程設(shè)施的每一個部位進行監(jiān)測與監(jiān)控，相比傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)分布式光纖傳感技術(shù)具有以下特點：（1）光纖集傳感器和傳輸介質(zhì)為一身，安裝方便，易于構(gòu)成自動化監(jiān)測系統(tǒng)，性價比高；（2）可以進行光纖沿線任意點空間連續(xù)測量，測量距離長、范圍大、信息量大，特別適合用于水庫大壩、堤岸、隧洞等大型水工建筑物安全隱患監(jiān)測，大大降低傳統(tǒng)點式方法檢測的漏檢率；（3）光纖傳感器的結(jié)構(gòu)簡單、體積小，對安裝埋設(shè)部位的物理性能影響很??；（4）測量靈敏度高，抗電磁干擾、抗雷擊，可靠性高。光纖傳感技術(shù)的研究和應(yīng)用在國外一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)取得豐碩成果，近幾年，美國、加拿大、瑞士、英國、日本等國家科研機構(gòu)和高新技術(shù)公司開發(fā)的基于布里淵散射效應(yīng)的分布式光纖測量系統(tǒng)，開發(fā)完成了各自分布式光纖測量系統(tǒng)，其產(chǎn)品主要技術(shù)參數(shù)比較如表1所示。

表1 5種代表性分布式光纖測量系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)比較

1 BOTDR分布式光纖傳感原理[1-2]

光在光纖中傳播會發(fā)生散射，主要有瑞利散射光、拉曼散射光和布里淵散射光3種。瑞利散射由入射光與微觀粒子的彈性碰撞產(chǎn)生，散射光的頻率與入射光的頻率相同，在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時域反射（BOTDR）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)被測量的空間定位；拉曼散射由光子和光聲子的非彈性碰撞產(chǎn)生，波長大于入射光為斯托克斯光，波長小于入射光為反斯托克斯光，斯托克斯光與反斯托克斯光的強度比和溫度有一定的函數(shù)關(guān)系，一般利用拉曼散射來實現(xiàn)溫度監(jiān)測；布里淵散射由光子與聲子的非彈性碰撞產(chǎn)生，散射光的頻率發(fā)生變化，變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關(guān)。與布里淵散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性主要受溫度和應(yīng)變的影響，因此通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測量。研究證明，光纖中布里淵散射信號的布里淵頻移和功率與光纖所處環(huán)境溫度和承受的應(yīng)變在一定條件下呈線性關(guān)系，由下式表示

式中：ΔVB——布里淵頻移變化量；

ΔT——溫度變化量；

Δε——應(yīng)變變化量；

CVT——布里淵頻移溫度系數(shù)；

CVε——布里淵頻移應(yīng)變系數(shù)；

ΔPB——布里淵功率變化量；

CPT——布里淵功率溫度系數(shù)；

CPε——布里淵功率應(yīng)變系數(shù)。

2 分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)變測量試驗研究模型

為了研究分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)變測量的特性，采用瑞士產(chǎn)DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)開展分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)變測量的試驗研究。試驗?zāi)Ｐ蜑闃?biāo)準(zhǔn)型鋼純彎件，為受集中荷載作用的兩端鉸支結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 應(yīng)變測量試驗研究模型示意圖（單位：mm）

在試驗?zāi)Ｐ捅砻娌贾?0條應(yīng)變光纖，分別布置在型鋼兩側(cè)的翼緣和腹板上，其中一側(cè)布置4條應(yīng)變光纖，采用帶6 mm鎧裝護套的多膜應(yīng)變光纖，在光纖布置位置兩側(cè)焊接6mm直徑鋼筋，內(nèi)部灌環(huán)氧樹脂將應(yīng)變光纖牢固膠接在打毛好的型鋼表面；另外一側(cè)布置6條應(yīng)變光纖，采用普通多膜應(yīng)變光纖，光纖直徑1mm，用強力膠粘接在打毛好的型鋼表面；同時在整根型鋼上選擇7個斷面分別在應(yīng)變光纖對應(yīng)位置各布置一套應(yīng)變片和百分表。試驗?zāi)Ｐ椭袘?yīng)變光纖和應(yīng)變片布置如圖2所示。

圖2 應(yīng)變測量試驗研究模型中觀測設(shè)備布置示意圖

試驗前采用光纖熔接技術(shù)對模型中10條應(yīng)變光纖熔接連接上光纖法蘭并通過法蘭將全部10條光纖連接成一根整條光纖，兩端熔接連接上專用測量光纖接頭后分別接入DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)的“From”和“To”兩個端口。試驗對型鋼純彎件加集中荷載P，最大加載為50 t，分10級進行加載，每級荷載遞增5t，每加一級荷載后穩(wěn)定3min后進行測量。其中采用DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)對應(yīng)變光纖測量3次，應(yīng)變光纖的測量空間分辨率設(shè)置為0.1 m，接入DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)的光纖總長度為2 100m?？紤]試驗中有效應(yīng)變光纖范圍，只對有效位置80m以內(nèi)光纖進行應(yīng)變測量，每級加載后對應(yīng)變光纖測量3次歷時約20min，7個斷面應(yīng)變片和百分表測量一次，測量完成后繼續(xù)加下一級荷載。此次試驗過程在室內(nèi)完成，試驗全過程溫度變化較小，因此不考慮測量過程的溫度修正。

3 分布式光纖傳感技術(shù)應(yīng)變測量試驗研究成果分析

試驗全過程10級加載測得全部10條應(yīng)變光纖的應(yīng)變觀測結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗?zāi)Ｐ椭?0條應(yīng)變光纖的應(yīng)變觀測結(jié)果

圖3所示試驗中10級荷載下測得型鋼上布置的10條應(yīng)變光纖的應(yīng)變觀測結(jié)果表明分布式光纖傳感技術(shù)在試驗中取得了較好的觀測成果。圖3所示觀測結(jié)果顯示測得兩種應(yīng)變光纖的應(yīng)變變化規(guī)律和量值基本一致，表明分布式應(yīng)變傳感光纖對多膜光纖沒有特別要求，可以帶鎧裝護套的多膜光纖或者其他型式的多膜光纖作為分布式應(yīng)變傳感光纖，應(yīng)變傳感光纖的選擇僅需根據(jù)實際工程安裝保護需要確定。布置在型鋼上翼緣和腹板上部的應(yīng)變光纖在集中荷載作用下為壓應(yīng)變，布置在型鋼下翼緣和腹板下部的應(yīng)變光纖在集中荷載作用下為拉應(yīng)變，無論拉應(yīng)變還是壓應(yīng)變都是沿型鋼長度方向呈線性變化，在其長度方向的中部值最大，向兩端線性遞減，到兩端鉸支座位置遞減為零。由于距中性軸距離大，布置在翼緣上應(yīng)變傳感光纖測得應(yīng)變絕對值均大于布置在其臨近腹板位置應(yīng)變傳感光纖對應(yīng)點位的測值，布置在型腹板中部（型鋼純彎件的中性軸上）的應(yīng)變光纖在集中荷載作用下測得其應(yīng)變在“0”上下波動。上述觀測結(jié)果表明，分布式應(yīng)變傳感光纖測得的試驗型鋼在集中荷載作用下的應(yīng)變分布規(guī)律同其理論計算結(jié)果規(guī)律完全符合。圖3所示試驗觀測結(jié)果顯示隨著集中荷載P的加載，測得型鋼上布置的9條應(yīng)變光纖的應(yīng)變測值隨集中的荷載的增加基本是線性遞增，表明分布式應(yīng)變光纖傳感技術(shù)能夠迅速及時地對結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變變化進行準(zhǔn)確跟蹤測量。同時試驗中應(yīng)變光纖傳感技術(shù)的觀測結(jié)果表明采用DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)能夠以0.1m的空間分辨率對應(yīng)變光纖進行測量，其空間最小分辨率為0.1m。

表2 型鋼中心位置翼緣處應(yīng)變理論計算值一覽表

圖4 集中荷載作用下型鋼翼緣位置應(yīng)變實測值和理論計算值對比圖

表3 集中荷載作用下型鋼翼緣位置應(yīng)變實測值和理論計算值誤差一覽表

將型鋼當(dāng)純彎構(gòu)件考慮時，其上下翼緣位置的應(yīng)變值大小相等，方向相反，而且在型鋼沿長度方向以其中點為對稱軸對稱分布。因此布置在上下左右翼緣的4條應(yīng)變傳感光纖測值在不考慮其正負(fù)情況時，理論上為8條測值一致的應(yīng)變沿型鋼長度分布曲線，計算實測應(yīng)變值時，將上述8條應(yīng)變傳感光纖的測值去掉符號位進行平均，得到在集中荷載分別為5，25，50t時型鋼翼緣位置的應(yīng)變傳感光纖的實測值同型鋼的應(yīng)變理論計算值對比如圖4所示，實測值和理論計算值的誤差情況如表3所示。

圖4所示實測結(jié)果和理論計算值對比顯示分布式應(yīng)變光纖傳感技術(shù)具有較高的應(yīng)變測量精度，P=5，25，50 t 3個不同集中荷載作用型鋼翼緣應(yīng)變沿型鋼長度方向分布的應(yīng)變實測曲線和理論計算曲線的數(shù)值和變化規(guī)律吻合較好。表3所示按分布式光纖的空間分辨率0.1 m為間隔得到的實測結(jié)果和理論計算值的誤差范圍 Δε＝-6～22 με，該誤差為試驗研究中系統(tǒng)綜合誤差，該分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)的應(yīng)變測量誤差水平能夠滿足工程監(jiān)測需要。

根據(jù)試驗研究中集中荷載P=25t時對應(yīng)變光纖的前后兩次測值計算得到其測量誤差沿光纖長度的分布曲線如圖5所示。

圖5所示兩次測值誤差顯示P=25t時應(yīng)變光纖的兩次測值誤差范圍 Δε＝-35～35 με，5～70 m 長度范圍光纖，以0.1 m為測量空間分辨率，測點數(shù)量650處，除14處測點的兩次測值誤差在±30 με外，其他測點兩次測值誤差均在±30 με以內(nèi)。其中兩次測值誤差范圍在±20～±30 με的測點數(shù)量為117處，占總測點數(shù)量的18%；兩次測值誤差范圍在±10～±20με的測點數(shù)量為223處，占總測點數(shù)量的34.3%；兩次測值誤差范圍在0～±10 με的測點數(shù)量為296處，占總測點數(shù)量的45.5%。對此次試驗中其他9次加載時的應(yīng)變光纖3次測量結(jié)果的兩兩誤差計算分析也顯示其測量誤差情況同圖5所示情況相近，說明采用分布式應(yīng)變光纖傳感技術(shù)的應(yīng)變測量精度達(dá)到DiTest分布式光纖測量系統(tǒng)的指標(biāo)要求的±30 με，近50%的測點應(yīng)變測量精度在±10με以內(nèi)，該應(yīng)變測量誤差水平能夠滿足絕大部分工程監(jiān)測需要。

圖5 P=25t應(yīng)變光纖兩次測值誤差沿光纖長度的分布

圖5所示P=25t時應(yīng)變光纖的兩次測值誤差成果顯示該荷載下兩次測值比較，誤差為負(fù)值所占比例相對較大，即后一次測值比前一次測值小的機率相對較大。分析其原因認(rèn)為是由于加荷穩(wěn)壓過程中千斤頂油壓穩(wěn)定性不好，導(dǎo)致后一次測量過程中集中荷載P有所降低，使得后一次測值普遍較前一次測值小，其他9次集中荷載下也存在類似情況，在集中荷載P越大時越明顯。

根據(jù)試驗研究中集中荷載分別為P=25 t和P=50t時，5＃和7＃應(yīng)變片測值及其鄰近位置應(yīng)變光纖測值繪制得到其應(yīng)變沿型鋼長度的對比曲線如圖6所示。

圖6所示P＝25 t和P=50 t時，由型鋼7個斷面上5＃和7＃應(yīng)變片的測量結(jié)果得到應(yīng)變沿型鋼長度的分布和對應(yīng)位置應(yīng)變光纖測得應(yīng)變沿型鋼長度分布規(guī)律及數(shù)值基本一致，也表明分布式應(yīng)變光纖傳感技術(shù)具有較高的應(yīng)變測量精度，兩者對應(yīng)位置應(yīng)變測量結(jié)果誤差如表4所示。

圖6 應(yīng)變片與應(yīng)變光纖測值的比較

試驗結(jié)果表明分布式光纖應(yīng)變傳感技術(shù)完全能夠適用于大壩、橋梁、樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變監(jiān)測，目前開展過的一些分布式光纖傳感技術(shù)研究也表明分布式光纖傳感技術(shù)是大壩、橋梁、樁基礎(chǔ)、基坑、邊坡、隧道等工程的一種理想監(jiān)測新技術(shù)[4-11]。

表4 集中荷載作用下型鋼翼緣位置應(yīng)變片及光纖應(yīng)變測值誤差一覽表

4 結(jié)束語

針對分布式光纖傳感技術(shù)的特點，采用合理的應(yīng)變傳感光纖布設(shè)工藝及保護措施，選擇兩種不同型式的多膜光纖對分布式光纖測量技術(shù)在應(yīng)變監(jiān)測中的應(yīng)用可行性展開了試驗研究。結(jié)果表明，分布式應(yīng)變傳感光纖對多膜光纖沒有特別要求，可以用帶鎧裝護套的多膜光纖或者其他型式的多膜光纖作為分布式應(yīng)變傳感光纖，應(yīng)變傳感光纖的選擇僅需根據(jù)實際工程安裝保護需要確定；分布式光纖測量技術(shù)能夠以0.1m的空間分辨率對應(yīng)變光纖進行測量，其空間最小分辨率為0.1m；分布式應(yīng)變光纖傳感技術(shù)具有分布式、長距離、實時性、抗干擾性強和耐久性長等特點，具有較高的應(yīng)變測量精度，其應(yīng)變測量精度在±30με以內(nèi)，是大壩、橋梁、樁基礎(chǔ)、基坑、邊坡、隧道等工程的一種理想監(jiān)測新技術(shù)。

[1] Uchiyama H，Sakairi Y，Nozaki T.An optical fiber strain distribution measurement instrument using the new detection method[J].ANDO Technical Bulletin，2002（10）：52-60.

[2]周楊，冷元寶.BOTDR技術(shù)及其在工程中的應(yīng)用與展望[C]∥中國工程院第三次地下工程與基礎(chǔ)設(shè)施公共安全學(xué)術(shù)研討會.鄭州，2007.

[3] 孫訓(xùn)方，方孝淑，關(guān)來泰.材料力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1985.

[4]魏廣慶，施斌.FBG在隧道施工監(jiān)測中的應(yīng)用及關(guān)鍵問題探討[J].巖土工程學(xué)報，2009，31（4）：571-576.

[5]隋海波，施斌.邊坡工程分布式光纖監(jiān)測技術(shù)研究[J].巖土工程學(xué)報，2008，27（增 2）：3724-3731

[6]魏廣慶，施斌.分布式光纖傳感技術(shù)在預(yù)制樁基樁內(nèi)力測試中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報，2009，31（6）：911-916.

[7]隋海波，施斌.基于BOTDR的錨桿拉拔試驗研究[J].巖土工程學(xué)報，2008，30（5）：755-759.

[8]劉杰，施斌.基于BOTDR的基坑變形分布式監(jiān)測實驗研究[J].巖土力學(xué)，2006，27（7）：1224-1228.

[9] 史彥新，張青，孟憲瑋.分布式光纖傳感技術(shù)在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2008，38（5）：820-824.

[10]朱鴻鵠，殷建華.大壩模型試驗的光纖傳感變形監(jiān)測[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（6）：1188-1194.

[11]孟愛東，駱飛.大型結(jié)構(gòu)應(yīng)變場光纖分布監(jiān)測系統(tǒng)[J].光電工程，2001，28（1）：23-26.