FBG傳感器在上埋式柔性涵管應(yīng)變檢測中的應(yīng)用

鄭 娟，劉保健，楊 真，馬偉思

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064;2.華東交通大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西南昌330013)

0 引言

公路、鐵路中的涵洞一般采用上埋式剛性管，因其承載高抗側(cè)向變形能力強(qiáng)。但是剛性管適應(yīng)地基不均勻變形能力差的致命弱點使得橫向開裂、錯位等病害十分普遍。而柔性管適應(yīng)不均勻變形能力強(qiáng)。在荷載作用下，柔性管可能首先產(chǎn)生的是因變形過大的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)而非材料強(qiáng)度的破壞［1］。因此，變形成為柔性管的主控因素，那么，在試驗中采用合適的手段對變形和應(yīng)變進(jìn)行檢測就十分有必要了。

若由傳統(tǒng)的傳感器(如電應(yīng)變計)組成的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，可能在穩(wěn)定性、分布范圍等方面都難以滿足要求［2］。本文現(xiàn)場試驗中所用的HDPE纏繞增強(qiáng)管因其材料屬性而應(yīng)變值很小，用普通傳感器可能連最基本的精度都達(dá)不到要求，且受到環(huán)境影響太大。作為近期熱點的光纖Bragg光柵(FBG)傳感器，與傳統(tǒng)的電傳感器相比，它具有非常明顯的技術(shù)優(yōu)勢［3，4］:質(zhì)量輕、體積小(普通裸光纖外徑為125μm);靈敏度高(采用μm量級的光測量);耐腐蝕、耐溫性好(工作溫度可達(dá)400～600℃);傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng);光路可彎曲，便于實現(xiàn)遙測。同時可實現(xiàn)分布或準(zhǔn)分布式測量，即很容易在一根光纖中連續(xù)制作多個光柵，實現(xiàn)一根光纖測量結(jié)構(gòu)空間多點或無限多自由度的功能，這是傳統(tǒng)傳感器無法實現(xiàn)的［5］。

1 基本構(gòu)造與原理

FBG是將通信用的光纖利用紫外全息曝光而制成的一種纖芯折射率周期性變化的光柵。制作這種光纖光柵的主要制作技術(shù)是利用2個相干紫外光束形成的空間干涉條紋來照射光纖，這樣就在光纖芯部形成了永久的周期性折射率調(diào)制［6］。FBG結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 FBG結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1 Structure diagram of FBG

由于周期的折射率擾動僅會對很窄的一小段光譜產(chǎn)生影響，因此，如果寬譜光波在光柵中傳輸時，入射光在相應(yīng)的波長上被反射回來，其余的透射光則不受影響，這樣FBG就起到了光波選擇的作用，見圖2所示。

圖2 FBG能量分配示意圖Fig 2 Diagram of energy distribution of FBG

通過一寬譜光源從光FBG的一端入射，由于波長選擇性作用，符合λB的波長就被反射回去，通過環(huán)形器送入解調(diào)裝置測出光纖光柵的反射波長變化，如圖3原理。

圖3 FBG原理示意圖Fig 3 Principle diagram of FBG

當(dāng)FBG的環(huán)境物理量(如應(yīng)力、溫度等)發(fā)生變化時，光柵自身柵距發(fā)生變化，從而使反射回來的中心波長發(fā)生變化，通過解調(diào)裝置測量反射波長的變化就可以獲得待測物理量的變化情況。

環(huán)境物理量中，應(yīng)變和溫度是兩個能直接引起反射波長變化的物理量，也是本文研究的對象。實際工程應(yīng)用中測出的波長漂移量應(yīng)是應(yīng)變與溫度耦合的結(jié)果，要分離出應(yīng)變產(chǎn)生的波長變化，應(yīng)采用一定的溫度補償措施［7］，則從總的波長漂移量中減掉溫度變化產(chǎn)生的波長漂移值后，即可得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)變值。

2 現(xiàn)場試驗驗證

2.1 試驗設(shè)計

2.1.1 測點位置的確定

本試驗中所用的HDPE纏繞增強(qiáng)管的內(nèi)徑為2m，試驗采用2節(jié)管，總長8 m。根據(jù)分析，對于埋設(shè)在填方土體中的柔性管，變形失穩(wěn)是最大的技術(shù)問題。因此，本試驗工程對一個管節(jié)長中心橫斷面、一個管接頭橫斷面，分別進(jìn)行了應(yīng)變檢測。測點具體布設(shè)如圖4所示。在管內(nèi)壁如圖示8個點處布設(shè)光柵。

圖4 光纖光柵測點布設(shè)圖Fig 4 Layout of measuring points of fiber grating

2.1.2 熱塑管的使用

光柵部分按照先打磨、清洗粘貼部位，再用502膠固定光柵，最后表面涂環(huán)氧樹脂保護(hù)的順序進(jìn)行布設(shè)。由于內(nèi)壁具有弧度，為避免光纖彎折導(dǎo)致傳感誤差，將光柵之間的光纖套入熱塑管進(jìn)行粘貼。這樣既能防潮、防污染，對光纖起到一定的保護(hù)作用，又能使光纖在熱塑管內(nèi)自由活動，從而減弱由于應(yīng)變太大拉斷光纖的可能性。但是，光柵部分沒有套入熱塑管是為避免熱塑管吸收部分應(yīng)變，影響應(yīng)變傳遞率。

2.1.3 考慮耦合的溫度標(biāo)定

應(yīng)該清楚的是，本文測出的波長變化是溫度和應(yīng)變耦合的結(jié)果，要分離出結(jié)構(gòu)應(yīng)變，必須得到溫度變化產(chǎn)生的波長漂移值［8］。為此，采用的方法是:先對所用光纖光柵進(jìn)行溫度標(biāo)定，然后檢測時通過測量環(huán)境溫度得到相應(yīng)的波長變化值，計算得到結(jié)構(gòu)應(yīng)變。

溫度標(biāo)定時，將光柵放入盛有恒溫水的容器內(nèi)，并保證處于無外力施加狀態(tài)，則解調(diào)儀測出的波長變化值就是因溫度變化引起的，從而得到圖5所示關(guān)系。由于一根光纖上有8個不同中心波長的光柵，限于篇幅，選取2根(1#，2#)光柵的溫度標(biāo)定結(jié)果。

圖5 溫度標(biāo)定Fig 5 Temperature calibration

2.2 試驗結(jié)果與分析

本試驗采用美國Micron Optics公司生產(chǎn)的解調(diào)儀測量各測試點反射波長的變化，進(jìn)行溫度補償后，相應(yīng)應(yīng)變與填土高度的關(guān)系見圖6。因節(jié)點8與節(jié)點2處應(yīng)變大小和規(guī)律基本一致，故不再贅述節(jié)點8的關(guān)系圖;同理，節(jié)點7同節(jié)點3，節(jié)點6同節(jié)點4，節(jié)點5同節(jié)點1。

從圖中可以看出:應(yīng)變與填土高度之間在各點處的規(guī)律基本一致。各點均為壓應(yīng)力，且隨填土高度增加應(yīng)變增加值越來越小，最終趨于一臨界值。

圖6 中心截面節(jié)點2～5處應(yīng)變與填土高度關(guān)系Fig 6 Relationship between strain and filling height at node 2～5 of center section

上述均為中心斷面各測試點處的應(yīng)變情況，管接頭斷面處的應(yīng)變隨填土高度的變化情況基本與中心斷面處一致，對比相同位置處發(fā)現(xiàn)應(yīng)變值比中心截面處的略大，這一現(xiàn)象與理論分析的一致。對于環(huán)形管，結(jié)構(gòu)變形大就表示抗力小，相應(yīng)點上的應(yīng)變就可能小，這正是接頭截面相對中心截面變形小而應(yīng)變較大的原因。雖然接頭截面處應(yīng)變值略大，但仍在經(jīng)驗范圍內(nèi)，原因是柔性管材料本身決定了相對應(yīng)變值小。

與此同時，采用ABAQUS軟件對現(xiàn)場試驗進(jìn)行了數(shù)值模擬，圖7所示為填土8 m對應(yīng)的涵管變形圖(為使讀者清晰了解涵管的變形狀態(tài)，有意加大了圖顯的變形比例因子)。數(shù)據(jù)顯示與光纖光柵測定的應(yīng)變規(guī)律一致。為檢驗光纖光柵所測應(yīng)變值的準(zhǔn)確性，將數(shù)值計算的結(jié)果與光纖光柵測得的結(jié)果對比(以管頂處應(yīng)變值為例)，如圖8所示。結(jié)果顯示:光纖光柵測得的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)處于同一量級，且更小。這是由于軟件模擬需要對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行合理假設(shè)，但是假設(shè)再靠近實際也不能完全代替實際。所以，光纖光柵所測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)在同一量級上已經(jīng)能夠說明光纖光柵檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

圖7 填土8m對應(yīng)的涵管變形圖Fig 7 Corresponding culvert deformation diagram when filling 8 m

圖8 FBG檢測結(jié)果與ABAQUS數(shù)值模擬結(jié)果對比Fig 8 Comparison of FBG test results and numerical simulation results of ABAQUS

3 結(jié)論

1)FBG布設(shè)時巧妙利用了熱塑管，既對光柵之間的光纖進(jìn)行了保護(hù)，又確保光纖能在熱塑管內(nèi)自由活動，避免因應(yīng)變過大而拉斷光纖。

2)考慮了溫度與應(yīng)變的耦合作用，進(jìn)行了溫度補償，溫度補償?shù)姆椒ê唵味行А?/p>

3)FBG測量精度高，可以準(zhǔn)確量測在較小應(yīng)變范圍內(nèi)的應(yīng)變值。應(yīng)變數(shù)據(jù)體現(xiàn)的規(guī)律與理論分析的結(jié)果一致，顯示了隨填土高度增加涵管應(yīng)變增加值越來越小，最終趨于一臨界值的變化過程。

4)FBG檢測到的結(jié)果與用ABAQUS數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行了對比分析。兩者數(shù)據(jù)在同一量級上，說明了光纖光柵檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。

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