基于FDM與FBG技術(shù)的路基小變形監(jiān)測研究

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院，上海 201600；2.上海大學(xué)土木工程系，上海 200444)

1 引言

隨著國家綜合國力的提升，土木工程得到很好的發(fā)展，對其的健康監(jiān)測也受到重視。在橋梁，隧道等土木工程或模擬試驗(yàn)中，常需要監(jiān)測關(guān)鍵部位的位移變化情況，更準(zhǔn)確地評價(jià)橋梁及隧道的安全性能及損傷程度[1-3]。路基微觀位移不及時(shí)得到控制，不僅影響結(jié)構(gòu)美觀，更危及結(jié)構(gòu)安全，因此，對路基位移的健康監(jiān)測是當(dāng)今應(yīng)重點(diǎn)研究的問題。呂聰儒[4]等使用埋入式激光沉降儀測量法對路基沉降測量研究，沉降儀操作方便，精度高；閆宏業(yè)[5]等提出了一種新型實(shí)用的裝配式分層沉降觀測裝置，觀測裝置精度較高且穩(wěn)定。在眾多方法中，傳感器因其施工簡便，體積小，測量范圍可調(diào)等特點(diǎn)逐漸被廣泛使用。

光纖傳感技術(shù)始于1977年，距今已有30多年的發(fā)展經(jīng)歷。光纖技術(shù)不僅在很多行業(yè)得到良好的發(fā)展，也成為衡量一個(gè)國家信息化的重要指標(biāo)之一。目前常用的傳感器有電子傳感器，電阻傳感器和光學(xué)傳感器等。李光偉等利用電容式加速傳感器監(jiān)測路基位移[6]，電容式傳感器具有溫度穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)；張斌等[7]利用霍爾電磁傳感器對路基橫向剖面沉降測量分析，霍爾傳感器具有靈敏度高，體積小等特點(diǎn)。但由于路基暴露在自然環(huán)境下，電子傳感器易受天氣影響和電磁干擾，霍爾傳感器互換性差，信號隨溫度變化，非線性輸出，因此作為光敏傳感器的布拉格光纖光柵傳感器因其體積小，抗磁干擾能力強(qiáng)，傳輸損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在能源，環(huán)保，工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用[8-11]。

本研究結(jié)合熔融沉積式技術(shù)對布拉格光纖光柵傳感器封裝保護(hù)固定，結(jié)合當(dāng)前我國路基情況，模擬列車實(shí)際運(yùn)行，鋪設(shè)路基模型，埋設(shè)傳感器于軌道路基內(nèi)部，對土體小變形進(jìn)行監(jiān)測研究。

2 新型的FBG位移傳感器

2.1 Fiber Bragg Grating (FBG)傳感技術(shù)工作原理

Fiber Bragg Grating(FBG)傳感器是應(yīng)用較為廣泛的傳感器之一。FBG傳感器即布拉格光纖光柵傳感器，光纖光柵是一種新型智能傳感元件[12]。屬于波長調(diào)制型非線性作用的光纖傳感器[13]。FBG傳感器由光纖和光柵組成，光纖是由玻璃或塑料構(gòu)成的一種纖維。圖1為光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)部圖，從內(nèi)部到外部由三部分組成：纖芯，包層和涂覆層。

圖1 光纖結(jié)構(gòu)內(nèi)部圖

FBG傳感器的工作原理是：當(dāng)一定帶寬的光源進(jìn)入到FBG傳感器中時(shí)，一部分光發(fā)生反射，一部分發(fā)生透射，反射光波返回耦合器并通過耦合器進(jìn)入光纖光柵解調(diào)儀裝置，光纖光柵解調(diào)儀接收信號，測得波長λβ的變化。圖2為傳感器原理圖。λβ與纖芯折射率n和光柵周期Λ有關(guān)。即：

λβ=2nλ

(1)

式中：n為纖芯折射率，Λ為光柵周期。

圖2 傳感器原理圖

當(dāng)壓力變化時(shí)，F(xiàn)BG傳感器光柵周期Λ發(fā)生變化△Λ，反射波長λβ增大，忽略溫度變化，光纖光柵軸向應(yīng)變引起波長變化為：

△λβ=λβ(1-Pe)ε=Keε

(2)

式中：Pe為纖芯有效光彈系數(shù)，取0.22，Ke為測量應(yīng)變的靈敏度，多數(shù)FBG傳感器的中心波長從約1520 nm變化至約1570 nm。

2.2 新型位移傳感器的設(shè)計(jì)與制作

Fused Deposition Modeling(FDM)即熔融沉積式技術(shù)，是3D打印技術(shù)中的一種，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)快速打印成形。FDM技術(shù)工作原理為：在高溫下，絲狀熱熔材料在噴頭處加熱熔化，根據(jù)型號的配置信息，打印機(jī)噴嘴將材料通過設(shè)計(jì)的模型尺寸施加到工作臺上，通過噴頭沿零件截面運(yùn)動，將融化的材料擠出，材料迅速凝固，形成一層后，機(jī)臺下降一個(gè)高度(即分層厚度)，然后施加下一層，直到打印機(jī)的噴嘴成形為實(shí)心。材料通常采用熱塑性材料，如蠟、尼龍、Acrylonitrile Butadiene Styrene(ABS)、Polylactice Acid(PLA)等，本試驗(yàn)使用FINDER 3D打印機(jī)，打印精度為100微米，打印量為410立方英寸，本試驗(yàn)采用的是PLA材料。圖3為3D打印機(jī)打印錨固板。

新型的FBG位移傳感器由兩個(gè)錨固板和一個(gè)長標(biāo)距傳感器組成，錨固板的直徑為60 mm，厚度為4 mm。長標(biāo)距傳感器由透明的PVC(Polyvinyl chloride)外包層(直徑2mm)和內(nèi)部隔離的FBG傳感器組成，長度為100 mm，傳感器末端與鎧裝跳線相連作為保護(hù)。圖4為基于FDM與FBG技術(shù)設(shè)計(jì)的新型位移傳感器，利用CATIA軟件設(shè)計(jì)錨固板，在圓心預(yù)留孔道，由于FBG傳感器受壓易破壞和路基環(huán)境的復(fù)雜性，F(xiàn)BG傳感器全長度需加PVC保護(hù)，利用FDM技術(shù)將封裝好的FBG傳感器打印于錨固板圓心處。監(jiān)測試驗(yàn)直接將FBG傳感器埋置于土體內(nèi)部，當(dāng)荷載作用于土體時(shí)，錨固板受到土體擠壓，引起FBG壓縮或者拉伸，中心波長發(fā)生變化。

圖4 新型FBG位移傳感器

2.3 標(biāo)定試驗(yàn)

標(biāo)定試驗(yàn)在恒溫的試驗(yàn)室進(jìn)行，將FBG位移傳感器一端固定，另一端采用步進(jìn)式加載，每次加載20 g，時(shí)間間隔為20 s，共加載3次，然后依次卸載，記錄每次加卸載的傳感器波長與位移變化。

選取兩個(gè)傳感器分析波長與位移之間的關(guān)系，如圖5所示，為傳感器位移與波長關(guān)系圖，擬合可得中心波長與位移的對應(yīng)關(guān)系分別為y=3.982x+1531.5，y=4.0274x+1549，因此傳感器的靈敏度分別為3.982 nm/mm，4.0274 nm/mm，由于光柵解調(diào)儀精度為0.0025 nm，求得傳感器1，4分辨率均為0.62 μm。

(a)傳感器a

(b)傳感器b

圖6所示為標(biāo)定試驗(yàn)中FBG傳感器位移和荷載變化關(guān)系圖，標(biāo)定試驗(yàn)得到位移與荷載關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果表明：隨著荷載的增加，傳感器位移線性增大，相關(guān)系數(shù)最高達(dá)到0.99，線性度理想，標(biāo)定試驗(yàn)測得最小位移為0.05 mm，最大測量范圍達(dá)到0.25 mm。標(biāo)定試驗(yàn)中，由于新型FBG傳感器錨固端尚未固定，因此FBG傳感器受到較大拉力，位移也較大。

3 路基監(jiān)測模型

3.1 路基模型的建立

試驗(yàn)所需模型箱采用亞克力模型箱，尺寸為70 cm×50 cm×50 cm。路基模型如圖7所示，包括：傳感器、路基、纜線。路基采用標(biāo)準(zhǔn)砂鋪設(shè)，路基模型長70 cm，路面寬度為12 cm。路基采用1:1的坡度，坡長，坡高均為9 cm。標(biāo)準(zhǔn)砂的參數(shù)如表1所示。

圖6 傳感器荷載與位移關(guān)系

圖7 路基模型與監(jiān)測傳感器的布設(shè)

表1 標(biāo)準(zhǔn)砂參數(shù)

3.2 傳感器布設(shè)

4個(gè)FBG位移傳感器布設(shè)于路基模型中部，具體位置如圖8所示。相鄰傳感器間距為17 cm，兩端位移傳感器距模型箱壁的距離為9.5 cm。四個(gè)位移傳感器從左至右編號分別為1#，2#，3#，4#，相應(yīng)的初始波長分別為1 536 nm、1 532 nm、1 544 nm和1 552 nm。待傳感器埋設(shè)完成，在FBG傳感器上覆蓋40 mm標(biāo)準(zhǔn)砂，并鋪設(shè)軌道板。路基橫斷面尺寸及FBG位置見圖9。

3.3 路基監(jiān)測試驗(yàn)

路基監(jiān)測試驗(yàn)平臺，包括路基位移監(jiān)測端，無線信號采集端，光柵解調(diào)儀和信號接收端。圖10所示為本試驗(yàn)搭建好的路基監(jiān)測平臺，當(dāng)路基受到荷載，F(xiàn)BG傳感器波長發(fā)生變化，通過無線信號采集端將信號無線傳入信號接收端，光柵解調(diào)儀監(jiān)測波長。

圖8 FBG傳感器位置示意圖

圖9 路基橫斷面尺寸及FBG位置示意圖(單位：cm)

圖10 路基監(jiān)測試驗(yàn)平臺的建立

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集所用的光纖光柵解調(diào)儀具有掃描范圍廣，分辨率高的特點(diǎn)，可長期高精度監(jiān)測溫度、應(yīng)變、壓力、位移和加速度等物理量。所用解調(diào)儀可允許在一根光纖上同時(shí)連接大于40個(gè)FBG傳感器，也可隨時(shí)擴(kuò)展到32個(gè)光學(xué)通道。本次路基位移監(jiān)測試驗(yàn)采用兩種工況，用不同重量砝碼模擬車輛荷載作用。不同工況如下：

工況1：模擬靜荷載作用。加載范圍為1-5 kg，采用步進(jìn)式加載，逐次加載，每次1 kg，采集頻率為每20 s加載一次。

工況2：模擬動荷載作用。列車以0.001 m/s的速度勻速運(yùn)行，方向?yàn)閺膫鞲衅?#至傳感器4#，加載范圍為1-5 kg。

土體內(nèi)部FBG傳感器受力圖如圖11，荷載作用下，土體變形，錨固板受到土體擠壓，并對光纖產(chǎn)生軸力作用，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如下，

εy=σy/Ey

(3)

根據(jù)泊松比可知：

V=-εx/εy

(4)

由胡克定律可得：

εx=-vεy

(5)

由(2)得波長與豎向應(yīng)力關(guān)系為：

(6)

圖11 土體內(nèi)部FBG傳感器受力圖

4 監(jiān)測結(jié)果與討論

圖11為4個(gè)FBG傳感器波長及位移隨時(shí)間變化的關(guān)系圖。試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器波長隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)階梯型增長，傳感器初始增長量分別為：0.05 nm，0.04 nm，0.06 nm，0.04nm，最大增長量分別為：0.25nm，0.14nm，0.21 nm，0.24 nm，增長量呈線性增加，四個(gè)傳感器位移最小值可達(dá)0.004 mm，最大值可達(dá)0.019 mm，監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明：

(a)

(b)

(c)

(d)

FBG具有很高的靈敏性。同時(shí)，隨著時(shí)間的增大，位移呈現(xiàn)階梯式增大，且增長越來越快。加載過程中，位移發(fā)生突變，無加載時(shí)，位移值穩(wěn)定。

研究中只考慮2#號傳感器的監(jiān)測結(jié)果作為分析對象，圖12為2#號傳感器在1-5 kg動荷載作用下傳感器位移隨時(shí)間的變化關(guān)系圖。圖12(a)為在1 kg荷載作用下，傳感器2#位移隨時(shí)間的變化?？梢钥闯?，傳感器波長在25 s時(shí)突變，在30 s時(shí)位移增大至0.003mm，列車在經(jīng)過傳感器2#后，土體恢復(fù)原來狀態(tài)，即發(fā)生彈性變形。圖(b)、(c)、(d)和(e)分別為傳感器2#在2 kg，3 kg，4 kg和5 kg荷載作用下位移的變化圖，傳感器波長均在30 s時(shí)達(dá)到最大，分別為：0.0072 mm，0.016 mm，0.017 mm和0.021 mm，且列車在經(jīng)過傳感器2后，土體沒有恢復(fù)原來的狀態(tài)，即發(fā)生塑性變形，殘余變形與峰值變形的比值分別為：34%，35%，38%和37%。動荷載試驗(yàn)中，監(jiān)測到最小位移0.003 mm，最大位移達(dá)0.021 mm，且相同的時(shí)間發(fā)生相同的峰值、殘余變形比近似相同。監(jiān)測結(jié)果表明FBG傳感器具有高的靈敏度，能夠監(jiān)測動荷載作用下路基小變形，且從監(jiān)測結(jié)果能夠判斷土體是否發(fā)生塑性變形和變形程度。在實(shí)際應(yīng)用中，不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測土體變形情況，還可根據(jù)峰值統(tǒng)計(jì)某段路面通過不同種類列車的數(shù)量。

5 結(jié)論與建議

針對用FBG傳感器對路基健康監(jiān)測的客觀需求，設(shè)計(jì)了帶錨固板的新型FBG位移傳感器，圍繞FBG傳感器在不同工況下展開研究，得出以下結(jié)論：

(1)該試驗(yàn)基于FDM技術(shù)和FBG技術(shù)成功設(shè)計(jì)路基位移監(jiān)測系統(tǒng)。該監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：PVC保護(hù)管有效保護(hù)FBG傳感器；利用FDM技術(shù)和PLA材料快速打印錨固板，用于固定FBG傳感器；保護(hù)裸光纖不被破損，更好的發(fā)揮FBG傳感器的性能。

(2)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，新型FBG位移傳感器監(jiān)測最大位移0.25 mm，最小位移為0.04 mm。荷載與位移符合線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，線性良好，傳感器靈敏度4 nm/mm，分辨率0.62 μm。

(a)1 kg荷載作用下 (b)2 kg荷載作用下

(c)3 kg荷載作用 (d)4 kg荷載作用下

(e)5kg荷載作用下

(3)靜荷載監(jiān)測結(jié)果表明：FBG傳感器成功監(jiān)測最小位移0.005 mm，測量精度高，利用新型FBG位移傳感器可測量小變形；動荷載監(jiān)測結(jié)果表明：傳感器可以快速反映車輛模型荷載產(chǎn)生的豎向壓力，F(xiàn)BG傳感器成功監(jiān)測最小位移0.003 mm，最大位移達(dá)0.021 mm，且列車經(jīng)過傳感器時(shí)，傳感器波長突變，F(xiàn)BG傳感器具有高的靈敏性。小荷載作用下，土體發(fā)生彈性變形，位移可恢復(fù)初始狀態(tài)，大荷載作用下，土體應(yīng)變有殘留，變形比達(dá)到38%，土體產(chǎn)生塑性變形。

由于該試驗(yàn)工況和試驗(yàn)次數(shù)的有限性，仍有不足之處需要改進(jìn)。后續(xù)會根據(jù)情況添加工況和研究范圍，如研究路基沉降、表面變形等。