分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

李旭輝　黃奕輝

【摘 要】針對(duì)分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在土木結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用，介紹了基于布里淵散射效應(yīng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及分類，詳細(xì)闡述了三種分布式光纖傳感器的原理，對(duì)分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r做了論述，并指出了所存在的問題。

【關(guān)鍵詞】分布式光纖監(jiān)測(cè)；土木結(jié)構(gòu)；布里淵光時(shí)域分析技術(shù)

中圖分類號(hào)： P642.2；TU196.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)：2095-2457（2018）06-0208-002

【Abstract】According to the application of distributed optical fiber monitoring technology in the civil structural health monitoring， the characteristics and classification of distributed optical fiber monitoring technique based on Brillouin scattering were be introduced， and the principle of three kinds of distributed optical fiber sensor were be elaborated， the structure of distributed optical fiber monitoring technology application and development status in the field of health monitoring in the node has been described， and the problems were be pointed out.

【Key words】Distributed optical fiber monitoring；Civil structure；Brillouin optical time domain analysis technology

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速推進(jìn)，新技術(shù)、新材料、新結(jié)構(gòu)的不斷應(yīng)用，各種大跨度、大空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)物不斷涌現(xiàn)，為了確保這些新型結(jié)構(gòu)體系在施工及后期運(yùn)營(yíng)過程中系統(tǒng)的安全穩(wěn)定，需要對(duì)可能出現(xiàn)的災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、及時(shí)掌握這些結(jié)構(gòu)的健康運(yùn)營(yíng)狀況。傳統(tǒng)的以人工為主的監(jiān)測(cè)方法是較為經(jīng)濟(jì)可行的方法，但對(duì)于復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)物的健康監(jiān)測(cè)存在一些不足之處：（1）整體性差，一般只能做局部監(jiān)測(cè)；（2）測(cè)試周期長(zhǎng)，不能及時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷預(yù)報(bào)；（3）難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。近年來，隨著光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，由于其具有尺寸小、精度高、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，受到許多大型監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的青睞。

本文簡(jiǎn)要介紹了基于布里淵散射效應(yīng)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)及分類，詳細(xì)闡述了三種分布式光纖傳感器的原理，對(duì)分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展?fàn)顩r做了系統(tǒng)的論述，并指出了所存在的問題。

1 分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理

基于布里淵散射效應(yīng)的分布式光纖傳感技術(shù)主要有三種類型，分別是布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）技術(shù)、布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)、布里淵光頻域分析（BOFDA）技術(shù)。

1.1 布里淵光時(shí)域反射（BOTDR）技術(shù)

BOTDR技術(shù)利用光纖的背向布里淵散射頻率變化與光纖所受軸向應(yīng)變和溫度成線性關(guān)系，通過測(cè)定布里淵散射頻率的變化來感知監(jiān)測(cè)對(duì)象的應(yīng)變和溫度變化，當(dāng)結(jié)構(gòu)物的應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟萒發(fā)生改變時(shí)，布里淵散射光的頻率變化滿足以下關(guān)系：

vBS=vB0+CT（T-T0）+Cε（ε-ε0）（1）

其中，vBS是光纖的布里淵頻率變化；vB0是光纖布里淵頻初始頻率，T0、T分別為初始溫度和測(cè)量時(shí)的溫度；ε0和ε分別為初始應(yīng)變和測(cè)量時(shí)的應(yīng)變；CT、Cε分別為溫度系數(shù)和應(yīng)變系數(shù)。BOTDR技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于可以單端測(cè)量，測(cè)試系統(tǒng)無需形成回路。

1.2 布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)

BOTDA技術(shù)采用從光纖的兩端分別注入泵浦脈沖光信號(hào)和連續(xù)光信號(hào)，典型的傳感器設(shè)置包括兩臺(tái)激光器（一臺(tái)連續(xù)光，一臺(tái)脈沖光）分別從同一根被測(cè)光纖的兩端輸入。當(dāng)兩臺(tái)激光器的頻率差與光纖的布里淵頻率相同時(shí)，兩束激光在光纖內(nèi)部發(fā)生強(qiáng)相互作用并增強(qiáng)光纖中已產(chǎn)生的聲波（聲子），使得布里淵信號(hào)容易定位檢測(cè)。沿光纖測(cè)量應(yīng)變和溫度時(shí)，通常需要掃描頻差（拍頻）繪出布里淵頻譜，通過分析該頻譜以獲得應(yīng)變和溫度信息，測(cè)量過程見圖1。

1.3 布里淵光時(shí)域分析（BOFDA）技術(shù)

布里淵光時(shí)域分析（BOFDA）技術(shù)是上世紀(jì)九十年代由德國(guó)科學(xué)家D.Garus等提出，BOFDA傳感系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)見如圖2所示。該技術(shù)的實(shí)質(zhì)是基于測(cè)量光纖的傳輸函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量點(diǎn)定位的一種傳感方法，這個(gè)傳輸函數(shù)把探測(cè)光和經(jīng)過光纖傳輸?shù)谋闷止獾膹?fù)振幅與光纖的幾何長(zhǎng)度聯(lián)系起來，通過計(jì)算光纖的沖擊響應(yīng)函數(shù)來確定光纖沿線的溫度和應(yīng)變信息，

2 用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的光纖傳感技術(shù)比較

目前，用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的光纖傳感技術(shù)主要有基于布拉格光纖光柵監(jiān)測(cè)和基于基于分布式布里淵光纖監(jiān)測(cè)。布拉格光纖光柵（FBG）傳感器是目前光纖傳感市場(chǎng)上比較多應(yīng)用的技術(shù)，它非常適合各類點(diǎn)式測(cè)量。但是當(dāng)潛在的破壞或劣化位置未知的或者監(jiān)測(cè)范圍大的情況下，預(yù)先安裝FBG或其他點(diǎn)式傳感器就顯得比較困難。布里淵分布式傳感器在長(zhǎng)距離和大范圍監(jiān)測(cè)項(xiàng)目上有天然的優(yōu)勢(shì)。事實(shí)上，只要監(jiān)測(cè)范圍長(zhǎng)度超過10米的應(yīng)變或溫度傳感應(yīng)用就應(yīng)考慮分布式布里淵傳感技術(shù)。

布里淵光纖傳感器一般分為兩種類型：布里淵光時(shí)域反射儀（BOTDR）和布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）。前者是基于單一脈沖的布里淵散射而獲取應(yīng)變或者溫度信息；后者是利用一種更為復(fù)雜的稱為受激布里淵散射現(xiàn)象而求解應(yīng)變或者溫度或者同時(shí)求解二者。對(duì)于布里淵散射由于只有非常微弱的一部分光子（約為1/103）發(fā)生散射，并散射頻率低于入射光頻率。這樣基于BOTDR單一脈沖的布里淵散射光能量至多達(dá)到入射光能量的1/103。這個(gè)反射光是非常微弱的。再考慮到光纖衰減，比如0.22dB/km，BOTDR的測(cè)量距離受到極大限制，信噪比也要較BOTDA差很多，當(dāng)然BOTDR的優(yōu)勢(shì)在于它是單端監(jiān)測(cè)模式。

由于布里淵光時(shí)域分析儀（BOTDA）采用兩個(gè)反向傳輸?shù)墓馐鴣碓鰪?qiáng)布里淵散射，因而它的信號(hào)強(qiáng)度大，應(yīng)變和溫度的測(cè)量更為精確，測(cè)量范圍更大，但是BOTDA技術(shù)要求更多的光學(xué)部件和雙向光路，造成總的系統(tǒng)成本較BOTDR略高，進(jìn)行所以在開展結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)時(shí)應(yīng)該綜合比較這兩種監(jiān)測(cè)技術(shù)。

3 分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

自上世紀(jì)七十年代，Ippen等人首次發(fā)現(xiàn)光纖中的布里淵散射效應(yīng)、到八十年代末期有研究者發(fā)現(xiàn)該散射與溫度和應(yīng)變存在線性關(guān)系，目前的研究已有四十余年，對(duì)傳感原理、傳感性能改善有著廣泛和深入的研究，Horiguchi（1989）等、T.Kurashima（1993）、D.Garus（1996）等人分別提出了基于布里淵散射放大效應(yīng)的的BOTDA、BOTDR及BOFDA技術(shù)，這些研究成果后來被應(yīng)用于油氣管線泄漏監(jiān)測(cè)、反應(yīng)塔生產(chǎn)效率監(jiān)測(cè)、大壩、橋梁和海底光纜等多方面監(jiān)測(cè)[1-3]。目前一些公司也相繼開發(fā)出了商業(yè)化的產(chǎn)品，如加拿大OZ光學(xué)公司提供的光纖分布式應(yīng)變和溫度傳感器（DSTS）最佳分辨率可以達(dá)到0.1m，最大傳感長(zhǎng)度可達(dá)到100Km，能很好滿足工程應(yīng)用。

3.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)基于布里淵散射光纖傳感技術(shù)的研究起步較晚，目前仍主要側(cè)重于對(duì)BOTDR及BOTDA的研究，如隋海波[4]、丁勇[5]、劉永莉[6]等分別基于BOTDR技術(shù)的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)邊坡巖土工程開展監(jiān)測(cè)研究，盧毅[7]等人將該技術(shù)應(yīng)用于地面變形模型實(shí)驗(yàn)，葉宇霄[8]等人在混凝土的裂縫監(jiān)測(cè)開展該技術(shù)的應(yīng)用研究也取得了很好的研究成果，此外，在基坑工程[9]、混凝土中鋼筋的銹脹、聚乙烯管道變形等監(jiān)測(cè)中得到推廣應(yīng)用。基于BOFDA的分布式光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)目前應(yīng)用較少，南京大學(xué)曹鼎峰等人通過試驗(yàn)測(cè)試了基于BOFDA技術(shù)的測(cè)試精度，分析了其在工程中的推廣可能性，但目前具體監(jiān)測(cè)應(yīng)用報(bào)道文獻(xiàn)不多。

3.3 存在問題

分布式光纖技術(shù)在工程中應(yīng)用越來越廣泛，但其存在的問題也需引起工程技術(shù)人員的注意：

（1）光纖傳感監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備費(fèi)用目前仍較高，例如加拿大OZ光學(xué)公司的DSTS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)至少在四五十萬元以上，所以對(duì)于小型的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)型較差，相信隨著該領(lǐng)域技術(shù)的快速發(fā)展，儀器設(shè)備費(fèi)用會(huì)有所降低。

（2）埋設(shè)與保護(hù)技術(shù)要求高，分布式光纖傳感器抗剪能力較差，在工程施工現(xiàn)場(chǎng)特別要注意保護(hù)，一旦損壞，對(duì)熔接的要求特別高，比較費(fèi)工費(fèi)時(shí)；同時(shí)，傳感光纜在曲線段要注意光損耗的問題，曲線段的曲率半徑要求盡可能大，在鋪設(shè)的同時(shí)建議隨時(shí)監(jiān)測(cè)線路的光損耗，在光損耗大的位置及時(shí)處理。

（3）監(jiān)測(cè)的量程問題

分布式光纖監(jiān)測(cè)的靈敏度和精度都很高，但是在大型土木結(jié)構(gòu)特別是在巖土工程監(jiān)測(cè)方面，監(jiān)測(cè)對(duì)象的變形和應(yīng)變可能會(huì)很大，變形可能會(huì)超過光纜的容許范圍，監(jiān)測(cè)對(duì)象出現(xiàn)過大的應(yīng)變時(shí)會(huì)造成光纜的拉斷，所以要特別注意監(jiān)測(cè)對(duì)象可能的應(yīng)變和變形范圍。

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)各種點(diǎn)式傳感器相比，采用全分布式光纖傳感不需單獨(dú)制作傳感器，并可同時(shí)測(cè)量獲得沿光纖路徑上的時(shí)間和空間連續(xù)分布信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜土木建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位連續(xù)監(jiān)測(cè)，隨著光纖傳感制造技術(shù)的進(jìn)步和性能的改善以及應(yīng)用開發(fā)研究成果的不斷涌現(xiàn)，分布式光纖傳感器在大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)等監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中會(huì)處于越來越重要的地位。

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