光纖和電阻應(yīng)變片在結(jié)構(gòu)變形測試中的對比試驗研究*

丁梓涵，趙其華*，彭社琴，陳繼彬，喻豪俊

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點試驗室，成都610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059）

光纖和電阻應(yīng)變片在結(jié)構(gòu)變形測試中的對比試驗研究*

丁梓涵1，趙其華1*，彭社琴2，陳繼彬2，喻豪俊2

（1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點試驗室，成都610059；2.成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，成都610059）

在測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變和變形時，傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片測試技術(shù)和新型的光柵布拉格光纖傳感技術(shù)（FBG）、布里淵光時域反射技術(shù)（BOTDR）三者均具有不同的監(jiān)測原理。設(shè)計并進(jìn)行了基于這三種監(jiān)測技術(shù)的簡支梁彎曲試驗，測試結(jié)構(gòu)應(yīng)變，對比結(jié)構(gòu)撓曲變形，分析了三種監(jiān)測技術(shù)在應(yīng)變測量中的精度、靈敏度、布設(shè)工藝和適用性等，評價了兩種光纖傳感技術(shù)用于結(jié)構(gòu)撓曲變形測試的特性。為選擇土木工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測手段提供參考依據(jù)，對進(jìn)一步研究、開發(fā)新型應(yīng)變傳感器和監(jiān)測儀具有參考價值。

土木工程，應(yīng)變，簡支梁彎曲試驗，電阻應(yīng)變片，光纖布拉格光柵，布里淵光時域反射技術(shù)

在基礎(chǔ)、基坑、邊坡、地下、大壩等巖土工程中，土工結(jié)構(gòu)物的變形監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要內(nèi)容。以單樁水平靜載試驗為例，樁身撓曲變形通常采用樁內(nèi)預(yù)埋測斜管，用測斜儀測量的不同深度處樁截面傾角和樁頂實測位移等條件，求出樁身的撓曲變形曲線［1］。但測斜管埋設(shè)較困難，系統(tǒng)誤差較大，目前常用的方法是利用樁身表面粘貼應(yīng)變片測得各斷面的彎曲應(yīng)變推算樁軸線的撓曲變形。然而電阻應(yīng)變片易受環(huán)境影響，且布設(shè)困難、壽命短，可能產(chǎn)生測點失效和數(shù)據(jù)不可靠等測試結(jié)果。

20世紀(jì)末，光纖傳感技術(shù)成為傳感領(lǐng)域最重要發(fā)明之一，其理論技術(shù)和研究應(yīng)用已在一些發(fā)達(dá)國家如日本、加拿大、瑞士、美國等取得了進(jìn)步［2］。光纖傳感技術(shù)在我國起步較晚，在土木工程領(lǐng)域尚處于發(fā)展階段。目前應(yīng)用最廣泛的光纖傳感技術(shù)是光纖布拉格光柵技術(shù)（FBG）和布里淵光時域反射技術(shù)（BOTDR）［3］。FBG屬準(zhǔn)分布式監(jiān)測，可對建筑、橋梁、大壩、隧道等實施變形和受力的實時監(jiān)測［4-6］。BOTDR能實現(xiàn)全分布式測量，且測試距離長，已在國內(nèi)外一些線型工程中得到應(yīng)用［7-8］。

鑒于土工結(jié)構(gòu)物尤其是地下結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測較為困難，又考慮到光纖具有抗電磁干擾、防潮耐腐、準(zhǔn)分布式或分布式測量、測試范圍廣、集成度高、布設(shè)方便等優(yōu)點［9］，已有研究者將光纖應(yīng)用于變形監(jiān)測，如將BOTDR技術(shù)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測［10］；利用BOTDA技術(shù)測試水平荷載作用下PHC管樁的樁身撓度［11］；利用FBG位移傳感器監(jiān)測大壩變形的模型試驗［4］；利用布設(shè)在筏式基礎(chǔ)上的FBG沉降儀，測試地基土體壓縮量［11］。

由于電阻應(yīng)變片和光纖的應(yīng)變測試原理不同，本文基于簡支梁彎曲試驗，以實測的撓曲變形為基準(zhǔn)，對比由光纖和電阻應(yīng)變片測試結(jié)果轉(zhuǎn)化為撓曲變形的誤差，分析評價FBG和BOTDR用于結(jié)構(gòu)撓曲變形的特性。

2 應(yīng)變測試原理

2.1 電阻應(yīng)變片

將電阻應(yīng)變片粘貼于結(jié)構(gòu)表面，就可將結(jié)構(gòu)的應(yīng)變轉(zhuǎn)化為應(yīng)變片阻值的變化。應(yīng)用原理是基于金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)，即金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時，其電阻值將發(fā)生變化［1］。研究證明：

式中，λ為壓阻系數(shù)；μ為金屬絲材料的泊松比；E為金屬絲材料的彈性模量；ε為金屬絲材料的應(yīng)變。

令K0=（1+2μ+λE），即單根金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，代表單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。

2.2 FBG

采用激光干涉技術(shù)在光纖上刻寫周期性缺陷，形成周期性結(jié)構(gòu)，相當(dāng)于一個窄帶的反射鏡或濾波器［12］，如圖1所示。

圖1 光纖布拉格光柵傳感原理

研究表明，當(dāng)光柵發(fā)生拉應(yīng)變或遇熱時，中心波長增大；當(dāng)光柵發(fā)生壓應(yīng)變或遇冷時，中心波長減小。以應(yīng)變?yōu)槔?，?dāng)FBG發(fā)生拉/壓應(yīng)變時，光柵機(jī)械性的拉伸/壓縮會改變光柵柵距，由彈光效應(yīng)會改變纖芯有效折射率，因而FBG中心波長發(fā)生漂移：

式中，ΔλB為中心波長漂移量；Δε為光柵軸向應(yīng)變變化量；Kε為應(yīng)變敏感系數(shù)，Kε=λB0（1-peff），λB0為初始中心波長，peff為光纖彈光系數(shù)，對于一般單模石英光纖peff=0.22；KT為溫度敏感系數(shù)，KT=λB0（α+ζ），α為熱膨脹系數(shù)，ζ為熱光系數(shù)。

因此，通過監(jiān)測光柵波長的漂移就可獲得待測物理量的變化情況。

2.3 BOTDR

光在光纖中傳播時產(chǎn)生布里淵散射光，其背向散射光的頻率相對于入射光有一個頻率移動即布里淵頻移，與此頻移相關(guān)的光纖結(jié)構(gòu)和材料等特性主要受應(yīng)變和溫度影響。研究證明布里淵頻移隨應(yīng)變、溫度呈線性變化［13-14］，如圖2和式（3）所示。因此通過測定脈沖光的背向布里淵散射光的頻移變化量就可以實現(xiàn)分布式應(yīng)變測量和溫度測量。

圖2 布里淵散射光頻率漂移量與應(yīng)變量的關(guān)系

式中，vB（ε）為變化后的布里淵頻率；vB（0）為初始布里淵頻率；ε為應(yīng)變；T為溫度；分別為應(yīng)變、溫度變化系數(shù)，與光纖材料有關(guān)，可通過標(biāo)定試驗獲得。

3 對比試驗

在兩根相同測管上分別布設(shè)電阻應(yīng)變片和兩種光纖監(jiān)測元件，進(jìn)行簡支梁三點彎試驗。

3.1 試驗方案

測管兩端為鉸支結(jié)構(gòu)，通過在測管中點逐級施加豎向集中荷載使其產(chǎn)生彎曲變形。待每級荷載下測管變形穩(wěn)定后分別采集電阻應(yīng)變儀應(yīng)變讀數(shù)、BOTDR解調(diào)儀的應(yīng)變讀數(shù)、FBG解調(diào)儀的光纖光柵中心波長、安裝在測管上的百分表讀數(shù)。計算并對比三種應(yīng)變、撓度，再與百分表實測結(jié)果進(jìn)行對比，以評價三種方法的測試性能。

此次試驗2根測管均采用長度3 m、直徑0.07 m鋁合金測斜管。沿測管軸向平均設(shè)置5個百分表以采集測管撓曲變形，百分表精度0.01 mm。通過在測管中點懸掛砝碼和重物來逐級施加豎向荷載使測管變形，第1～5級按每級2.5 kg加載，第6～8級按每級5.0 kg加載。試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試驗現(xiàn)場

沿1#測管軸向?qū)ΨQ面上下兩側(cè)分別布設(shè)5個電阻應(yīng)變片，型號BF350-6AA（11），電阻絲軸平行管軸方向。如圖4所示。

圖4 試驗裝置示意圖

沿2#測管上下U形導(dǎo)槽兩側(cè)布設(shè)FBG傳感光纖和BOTDR傳感光纖，F(xiàn)BG傳感光纖采用2根直徑0.25 mm裸光纖，每0.5 m一個光柵測點；分布式傳感光纖采用1根直徑0.9 mm緊包護(hù)套光纖，可由解調(diào)儀設(shè)定每0.05 m一個測點，管端采用自然U型彎曲布設(shè)，如圖5所示。

圖5 光纖布設(shè)示意圖

電阻應(yīng)變片數(shù)據(jù)采用秦皇島市信恒電子科技有限公司的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀（CM-1L-10）進(jìn)行自動采集。光纖Bragg光柵的中心波長采用南智傳感公司的兩通道光纖光柵便攜式解調(diào)儀（NZS-FBG-A04）進(jìn)行自動采集，該解調(diào)儀波長分辨率為1pm，解調(diào)速率為1 Hz。BOTDR分布式光纖采用南智傳感公司的光纖應(yīng)變分布式測試儀（AV6419）進(jìn)行自動采集并換算為應(yīng)變，該解調(diào)儀應(yīng)變測試精度為±50 με，空間分辨率為1 m，最高采樣分辨率為0.05 m。

3.2 布設(shè)工藝

傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片應(yīng)用較廣泛，布設(shè)工藝已相對成熟［15］，此處不再贅述?？紤]到光纖輕細(xì)柔韌，其鋪設(shè)好壞直接影響著測試結(jié)果，以FBG為例介紹其布設(shè)方法及步驟：

首先用紅光筆檢測光纖是否通路，用無纖紙蘸取高濃度酒精清潔光纖光柵以及鋁管表面待貼光纖位置，然后將光纖自然拉直，用502膠和膠布定點粘貼光柵柵區(qū)，再用環(huán)氧樹脂膠沿光纖全線涂覆，采用對應(yīng)型號的護(hù)套對光纖端頭進(jìn)行保護(hù)，將測管端頭的光纖冗余段自然彎曲呈U型，須保證光纖曲率半徑大于8 cm。

環(huán)氧樹脂膠具有較高的剪切強度和防水性能，因此采用直徑0.9 mm緊包護(hù)套光纖的BOTDR在布設(shè)時不需要用環(huán)氧膠粘貼，其他步驟同F(xiàn)BG布設(shè)方法一致。

4 試驗成果分析

4.1 應(yīng)變

已知此次試驗采用光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)Kε=1.183 pm/με，將采集到的中心波長按前述公式處理得到應(yīng)變。將點式和準(zhǔn)分布式應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合，繪制三種監(jiān)測方法得到的測管軸向應(yīng)變曲線，如圖6所示。

圖6 測管軸向應(yīng)變曲線

由圖6可得，電阻應(yīng)變片、FBG準(zhǔn)分布式、BOTDR全分布式監(jiān)測得到的軸向應(yīng)變規(guī)律相似。測管上表面為壓應(yīng)變，下表面為拉應(yīng)變；測管軸向應(yīng)變隨著集中荷載的增大而增大；最大應(yīng)變的位置即為集中荷載施加的位置。

同時可得，豎向荷載5 kg時，三種測試方法得到的軸向應(yīng)變值基本相同，如測管中點位置的最大拉、壓應(yīng)變均為50 με。隨著荷載的增大，測得的應(yīng)變值出現(xiàn)差異。豎向荷載27.5 kg時，電阻應(yīng)變片測得最大壓應(yīng)變280 με，最大拉應(yīng)變?yōu)?60 με；FBG測得最大壓應(yīng)變?yōu)?10 με，最大拉應(yīng)變?yōu)?80 με；BOTDR測得最大壓應(yīng)變?yōu)?40 με，最大拉應(yīng)變?yōu)?20 με。

繪制測管軸向應(yīng)變變化最大位置即中點的應(yīng)變隨荷載變化的關(guān)系曲線，如圖7所示。

擬合直線的斜率，得到電阻應(yīng)變片靈敏度KR= 11.01 με/kg，F(xiàn)BG靈敏度Kλ=16.25 με/kg，BOTDR靈敏度為Kf=12.22 με/kg。由此可得光纖光柵FBG靈敏度高于BOTDR和電阻應(yīng)變片。

利用光纖測試時，BOTDR所測拉、壓應(yīng)變和彎曲應(yīng)變均小于FBG，這是由于BOTDR空間分辨率為1 m，即每一時刻傳感光纖上獲得的信息是這1 m傳感光纖上信號的積累和疊加，因此對于長度3 m的測管而言，在集中荷載施加處BOTDR所測軸向應(yīng)變小于真實值。

圖7 測管中點應(yīng)變-荷載的關(guān)系

4.2 撓度

根據(jù)軸向應(yīng)變和撓曲的關(guān)系，推算梁的彎曲形態(tài)，如圖8所示。

圖8 管件彎曲變形示意圖

梁中性層的曲率與彎矩關(guān)系為

梁的撓曲近似微分方程為

兩次積分后可得梁的撓曲線方程如下

其中，梁的位移邊界條件為兩端支點固定，可求解出積分常數(shù)C、D值。應(yīng)變片、感測光纖與中性面的距離y=0.035 m。對應(yīng)變沿管長進(jìn)行等距離差值加密并磨光處理，帶入式（9）進(jìn)行積分運算可得測管撓度。

將不同荷載下應(yīng)變片測試值和光纖測試值與百分表實測值進(jìn)行對比，如圖9所示。

圖9 測管撓度分布曲線

由圖9可得，除測管兩固定端處位移為零外，同一級荷載下由三種應(yīng)變測試方法計算得到的撓度值均小于等于百分表實測值，且測管中點即加載位置處的撓度差值最大。豎向荷載較小時，測管撓度較小，三種方法的測試值與百分表實測值基本一致，差值均小于0.2 mm；隨著荷載增大，測試值與實測值出現(xiàn)逐漸增大的偏差。最大荷載27.5 kg時，應(yīng)變片、FBG、BOTDR計算撓度值分別為比百分表實測值小1.533 mm、0.641 mm、1.275 mm。

計算測管中點處的撓度相對百分表實測值的誤差，如表3所示。

表3 測管中點撓度測試值的誤差 單位：%

由表3可得，三種應(yīng)變測試方法得到的管身撓度均存在一定的誤差，且誤差隨著集中荷載的增大而增加。除了與測試精度有關(guān)外，還避免不了受梁的撓曲線近似微分方程積分誤差的影響。三種應(yīng)變測試方法得到的管身撓度誤差對比為：FBG＜BOTDR＜電阻應(yīng)變片。

5 對比分析

從精度、測試范圍、布設(shè)工藝、溫度補償方面對比分析電阻應(yīng)變片、FBG、BOTDR的性能。

①定位精度及測量范圍

電阻應(yīng)變片屬于點式監(jiān)測，應(yīng)變片布設(shè)位置即測點位置，無布設(shè)的位置需通過推算得出應(yīng)變。由于導(dǎo)線的增長會使電阻增大，影響測試結(jié)果，因此測試對象尺寸不易過大。

準(zhǔn)分布式FBG監(jiān)測本質(zhì)是光柵測點，光柵間距最小可達(dá)5 cm。在無光柵的位置無法監(jiān)測應(yīng)變，需通過推算得出。FBG在刻寫光柵時使其中心波長在光譜解調(diào)儀帶寬范圍內(nèi)，且保證串接光柵中心波長初值有一定的差異，因此一根光纖上FBG數(shù)量是有限的，決定了監(jiān)測對象尺寸有限。

全分布式BOTDR集感知和傳輸于一體，理論上可以監(jiān)測布設(shè)光纖沿線的所有點的應(yīng)變和溫度。通過解調(diào)設(shè)備設(shè)置采樣分辨率，即測點間距最小可達(dá)5 cm，但是受光源、信號處理等因素的影響，其空間分辨率為1 m且目前不能更小，所測應(yīng)變無法定位至精確位置。目前BOTDR測試量程可達(dá)80 km。

②測試精度

應(yīng)變測試方法的讀數(shù)精度由解調(diào)儀決定。本次試驗采用的CM-1L-10靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，測試范圍0～±25 000 με，測試精度0.2%FS±2 με。NZSFBG-A04光纖光柵解調(diào)儀，波長分辨率為1 pm，相當(dāng)于精度為1 με。AV6419BOTDR應(yīng)變/溫度解調(diào)儀，應(yīng)變測試精度為±50 με。目前光纖布拉格光柵應(yīng)變測試技術(shù)精度最高。

③應(yīng)變極限

電阻應(yīng)變片一般可測1%左右的相對形變，約為10 000 με。光纖光柵波長調(diào)諧范圍一般在±5 nm左右，即拉伸或壓縮應(yīng)變不超過5 000 με。

④溫度補償

采用電阻應(yīng)變片測試時會受溫度影響，而FBG和BOTDR對應(yīng)變和溫度具有雙敏感性，都須進(jìn)行溫度補償。本次試驗采用在結(jié)構(gòu)對稱面布設(shè)監(jiān)測元件，故實現(xiàn)了溫度自補償。無法實現(xiàn)溫度自補償時，可采用在同一溫度場內(nèi)、同一被測構(gòu)件材料上增設(shè)一個不受外力作用的應(yīng)變片、光纖（光柵）的方法，測其溫度響應(yīng)。除此之外，光纖測試時還可通過拉曼散射光光強與絕對溫度的關(guān)系，利用ROTDR技術(shù)對溫度進(jìn)行監(jiān)測，以排除溫度的干擾，修正應(yīng)變結(jié)果。一般進(jìn)行小范圍、短期監(jiān)測如室內(nèi)試驗，或溫差＜5℃時，可忽略溫度對應(yīng)變的影響。

⑤布設(shè)工藝

用于結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試時，電阻應(yīng)變片須逐個粘貼，并焊接應(yīng)變片引線和電纜線，根據(jù)電橋連接于電阻應(yīng)變箱，工藝較為復(fù)雜費時；且須注意應(yīng)變片引線和導(dǎo)線不得與鋁質(zhì)管材接觸導(dǎo)致短路。準(zhǔn)分布式和分布式光纖測試技術(shù)，集“傳”“感”于一根光纖，可沿測線涂覆，連接解調(diào)儀時只需1～2個通道即可，較為方便。

6 結(jié)論

上述對比分析表明，在測試結(jié)構(gòu)應(yīng)變和撓曲變形方面，相較傳統(tǒng)電阻應(yīng)變片，兩種光纖測試技術(shù)的監(jiān)測精度和靈敏度更高、布設(shè)工藝更方便。其中，BOTDR技術(shù)由于空間分辨率的限制，不宜應(yīng)用于小型土木工程結(jié)構(gòu)的變形測試，但由于其測試范圍較大的優(yōu)勢，適合于大壩、隧道等大型工程監(jiān)測；FBG監(jiān)測技術(shù)適合做高精度、局部性的結(jié)構(gòu)監(jiān)測，適合于抗滑樁等水平受荷結(jié)構(gòu)物的撓曲變形監(jiān)測，也可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計以FBG為元件的測斜儀，豎向或水平埋置，可用于土體水平位移或沉降監(jiān)測，具有廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)具體工況和監(jiān)測對象選擇合適的傳感方法及設(shè)備，充分發(fā)揮光纖傳感器的優(yōu)越性，可在土木工程結(jié)構(gòu)中推廣應(yīng)用。

致謝：感謝蘇州南智傳感科技有限公司提供試驗場地，施斌、魏廣慶、孫義杰前輩指導(dǎo)試驗進(jìn)行!

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丁梓涵（1990-），女，碩士研究生，主要從事地質(zhì)工程方面的研究，1325670994@qq.com；

趙其華（1965-），男，教授，博士生導(dǎo)師，同濟(jì)大學(xué)博士后，主要從事巖土工程、地質(zhì)工程方面的研究，zhqh310@qq.com。

Research on Comparison of Optical Fiber and the Resistance Strain Gauge in the Structural Deformation Test*

Ding Zihan1，Zhao Qihua1*，Peng Sheqin2，Chen Jibin2，Yu Haojun2
（1.State Key Laboratory of GeoHazard Prevention and GeoEnvironment Protection，Sichuan，Chengdu 610059，China；2.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Sichuan，Chengdu 610059，China）

When the strain and deformation of the structure were measured，the three methods，the traditional resistive strain gauge，fiber bragg grating（FBG）and brillouin optical time domain reflection（BOTDR）have different principles.Based on these three monitoring technology，a bend test of simply supported beam was designed，then the strain and the deflection of the simply supported beam were gained.Through comparing the calculation and the measurement deflection，the accuracy and sensitivity of the three kinds of monitoring technology in the strain and deflection test were analyzed.At the same time，the characteristics of these two kinds of optical fiber sensing technology were evaluated.It provides reference basis for choosing better methods in the civil engineering monitoring，and it worth of researchment and development for the new strain sensor and monitor.

civil engineering；strain；bend test of simply supported beam；resistance strain gage；fiber bragg grating；brillouin optical time domain reflection

TU443

A

1004-1699（2015）08-1149-06

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.009

項目來源：國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目（2011CB013501）；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃項目（IRT0812）

2015-04-01 修改日期：2015-06-03