不同封裝方式的分布式光纖應變傳遞對比

王桂萱，蔣園豪，臧 麒，趙 杰，黃 平

(大連大學 土木工程技術研究與開發(fā)中心，遼寧 大連 116622)

近年來，城市地下空間的開發(fā)和利用越來越廣泛，在安全性方面給我們提出了更高的要求。伴隨著地下深基坑的開挖，常會出現(xiàn)一些工程安全控制問題，比如深基坑的開挖會對臨近的地鐵、城市管線造成影響，以及隧洞開挖會對既有隧洞造成影響等。為了避免對周邊環(huán)境造成影響，工程上通常會采用支護結構的施工方法來進行保護。但是支護結構在施工過程中不僅會造成周圍土體沉降，而且還會對周邊建筑物產(chǎn)生一定的影響，甚至會帶來由于滲漏原因產(chǎn)生的嚴重施工風險。因此，在施工過程要對支護結構進行監(jiān)測[1]。研究者及施工業(yè)者采用很多手段來進行施工監(jiān)測，但現(xiàn)有的常規(guī)監(jiān)測手段不能做到實時監(jiān)測，尤其是只能進行點式的位移監(jiān)測而不能實現(xiàn)連續(xù)應變、彎矩、不均勻沉降的測量，給項目安全帶來了巨大挑戰(zhàn)。

隨著光纖傳感技術的發(fā)展，分布式光纖傳感器已廣泛應用于許多領域，包括機械、航空航天結構監(jiān)測、邊坡工程等[2]。分布式光纖傳感器具有長距離監(jiān)測范圍、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點[3]，可以解決基于離散式傳感器的監(jiān)測系統(tǒng)的低精度空間分辨率問題[4]。基于分布式光纖傳感器的優(yōu)點，近年來被大量用于工程監(jiān)測方面。Mohamad等[5]采用BOTDR分布式應變傳感技術監(jiān)測在一個新建隧道下方的已有隧道結構性能，結果表明基于BOTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)可實時監(jiān)測隧道應變曲線及局部損傷情況。Klar等[6]通過在地下0.5 m處布設水平分布式光纖，提出一種基于BOTDA分布式應變光纖傳感器監(jiān)測隧道引起的地表沉降的方法，監(jiān)測不同埋地深度隧道對地表沉降的影響。丁勇等[7]利用BOTDA分布式光纖傳感技術監(jiān)測地下連續(xù)墻的受力變形過程。毛江鴻[8]將BOTDA技術應用于結構應變和開裂監(jiān)測中的關鍵技術，進行了分布式光纖監(jiān)測結構開裂的試驗研究。遲延光等[9]針對長距離地下油氣管道因地質沉降導致管道應力破壞的問題，提出了基于BOTDR原理的分布式光纖應變檢測方法。趙亞等[10]利用基于拉曼散射和光時域反射技術相結合的分布式光纖測溫系統(tǒng)，對自來水管道進行泄漏檢測和定位實驗研究。

目前，分布式光纖在工程中應用越來越廣泛，但存在的問題也引起了工程技術人員的注意。尤其是在復雜的混凝土施工環(huán)境下，分布式光纖封裝保護問題最為突出[11]。封裝保護厚度不夠，容易造成光纖的損壞；然而封裝保護過厚，也會引起應變傳遞不精確的問題。本文基于國家自然科學基金重點項目一部分研究內(nèi)容，利用PPP-BOTDA原理的分布式光纖傳感器，開展室內(nèi)物理仿真試驗，對裸光纖、緊套光纖、蝶形光纖這三種不同封裝方式的分布式光纖進行應變傳遞對比研究，獲得其應變傳遞系數(shù)，為實際工程應用提供參考和借鑒。

1 BOTDA技術基本原理

1.1 傳統(tǒng)BOTDA原理

基于自發(fā)布里淵散射的BOTDR技術，擁有單端傳感測量的優(yōu)點，但由于自發(fā)布里淵散射光較微弱，檢測比較困難，傳感器性能受到很大的制約。而基于受激布里淵散射的BOTDA技術，檢測信號強度較大，因此傳感器的測量精度和傳感距離可以得到有效改善。

BOTDA的工作原理如圖1所示。BOTDA工作原理就是在光纖兩端輸入脈沖光和連續(xù)光，連續(xù)調(diào)諧兩束光的頻差。當這兩束光的頻差等于該出布里淵頻移時，使得布里淵散射增益值最大。通過檢測傳感光纖中布里淵頻移的變化量，并根據(jù)其與應變、溫度之間的關系，從而實現(xiàn)應變和溫度的分布式測量。

圖1 BOTDA工作原理示意

1.2 PPP-BOTDA原理

傳統(tǒng)的BOTDA技術測量精度較低，主要是由于空間分辨率過低。減小脈沖光的寬度能使得空間分辨率提高，但相對的會造成峰值信號減弱和布里淵增益譜展寬。PPP-BOTDA技術是在傳統(tǒng)BOTDA技術上進行了改進，其工作原理主要是在輸入脈沖光之前，加入一定的脈沖預泵浦光，以此來激發(fā)聲子，并且調(diào)節(jié)好脈沖光和脈沖預泵浦光之間的功率比，降低多余的輸出功率，如式(1)所示。

(1)

式中：RP為消光系數(shù)；CP為脈沖光功率；AP+CP為脈沖預泵浦光功率。

這種原理極大地提高了空間分辨率，進而增加測量的精度。本文所使用的NBX-6050型光納儀就是采用PPP-BOTDA技術，該型光納儀利用獨創(chuàng)的脈沖預泵浦技術，突破以往的技術界限，使得空間分辨率達到10 cm，應變精度為±7.5 με。NBX-6050型光納儀在監(jiān)測的精度和性能方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的監(jiān)測手段，這種新型的光纖傳感系統(tǒng)應用于土木工程的諸多領域，如橋梁工程、隧道工程、大型鋼結構等的健康監(jiān)測。其儀器及工作原理如圖2所示。

圖2 NBX-6050型光納儀及PPP-BOTDA工作原理

2 應變傳遞系數(shù)

光纖主要是玻璃纖維材料，這種材料抗剪能力比較差，在使用光纖過程中需要進行保護，而保護所采用的材料與纖芯材料會給應變傳遞帶來影響。Ansari等[12]在短纖維復合材料剪滯原理上，重新推導了光纖應變傳遞系數(shù)的公式，并通過試驗對公式進行了驗證，推動了光纖應變傳遞系數(shù)理論的發(fā)展。

其理論基本假設為：光纖、涂覆層和基體結構均為線彈性材料，各材料之間無相對滑移，且在光纖標距中點處應變相等；纖芯和包層材料相同，機械性質相同；光纖不承受外力荷載，涂覆層僅承受剪切應力，基體結構只承受平行于光纖軸向的正應力。

從上述理論假設推出光纖纖芯應變與基體結構應力之間的關系為：

(2)

(3)

光纖傳感器的平均應變傳遞系數(shù)為：

(4)

式中：εg為光纖纖芯應變；σm，Em為基體結構的應力及彈性模量；x為光纖傳感器上的點到傳感器端點的距離；L為光纖長度；GP為涂覆層的剪切模量；Eg為光纖模量；rm為涂覆層直徑；rg為光纖直徑。

毛江鴻等[13]根據(jù)多中間層剪滯理論，在此基礎上進一步研究，得到光纖與基體之間的應變傳遞公式：

(5)

式中：εf(x)為纖芯應變；εm為基體應變。

3 試驗研究

3.1 試驗設計

根據(jù)GB 50010-2010《混凝土結構設計規(guī)范》[14]中的相關規(guī)定，設計六根鋼筋混凝土簡支梁，其截面尺寸為150 mm×250 mm，長為1800 mm，混凝土強度為C30。受拉區(qū)設置2根直徑為16 mm的HRB400鋼筋，受壓區(qū)設置2根直徑為8 mm的HRB400鋼筋，箍筋設置為直徑8 mm、間距200 mm的HRB400鋼筋。

將裸光纖(帶涂覆層的光纖)、緊套光纖、蝶形光纖分別采用埋入式和粘貼式布置到簡支梁試件中，每種封裝方式的光纖布置2根梁，其封裝如圖3所示。在混凝土內(nèi)部，主要布置在鋼筋的受拉區(qū)和受壓區(qū)，上下鋼筋的兩條光纖保有2 m長的自由段光纖。三種光纖除封裝方式不同外，其內(nèi)部光纖材料都相同，具體材料參數(shù)如表1所示。

圖3 各封裝方式光纖

表1 內(nèi)部光纖材料參數(shù)

粘貼時，先將光纖拉直，再進行局部定位固定，然后涂上環(huán)氧樹脂，待24 h后環(huán)氧樹脂固化，在鋼筋上裹上一層紗布，使鋼筋上的所有光纖都處在布條的保護中，防止混凝土澆筑振搗過程中破壞光纖。同時，在受拉側鋼筋上表面和受壓側鋼筋的下表面各布置了7 個精度較高的電阻應變片，如圖4 所示。在混凝土外部，將三種封裝方式的分布式光纖分別粘貼于混凝土梁底部，粘貼長度為1 m，并在相應位置粘貼5個混凝土應變片。

圖4 鋼筋上應變片粘貼方式/mm

3.2 試驗方法

根據(jù)GB/T 50152-2012《混凝土結構試驗方法標準》[15]，對6根試件進行四分點簡支梁試驗，在兩個三分點處施以等大的集中力，使梁的中間段受力呈現(xiàn)純彎矩效果，兩邊則呈現(xiàn)具有等應變梯度受力效果(圖5)。實驗采用大連理工大學海動國家重點實驗室結構大廳的液壓式壓力試壓機YES-500，對簡支梁進行集中荷載施加，每級加載速度控制為10 kN/min，并持載10 min，共分為7個荷載等級，即分別施加10，30，60，90，120，150，162 kN，直到梁發(fā)生破壞為止。在持載時間段，使用日本Neubrex公司生產(chǎn)的NBX-6050光納儀采集分布式光纖數(shù)據(jù)，光納儀的采集參數(shù)設置如表2所示。采用德國進口的IMC應變采集儀，采集電阻應變片數(shù)據(jù)。IMC擁有64個數(shù)據(jù)采集通道，精度優(yōu)于0.1%；且每個通道都可用來測量電壓、電流、應力應變、位移，每個通道有獨立16位A/D，其采集頻率為50 Hz。

表2 光納儀參數(shù)設置

圖5 試驗數(shù)據(jù)采集、試驗加載及梁破壞

4 試驗結果

4.1 分布式光纖與應變片結果對比

分布式光纖監(jiān)測結果比應變片監(jiān)測結果更能描繪簡支梁整體應變變化過程。如圖6所示，應變片只能采集布置好點位置處的應變，這樣很難精確地看出整體應變的變化趨勢，而分布式光纖能夠沿著布設的線路采集應變，可以較為精準地呈現(xiàn)出應變變化的趨勢。

圖6 分布式光纖和應變片數(shù)據(jù)對比

分布式光纖能夠克服電阻應變片容易損壞的短板，這點顯著表現(xiàn)在混凝土受拉區(qū)。在混凝土受拉區(qū)，分布式光纖至少能夠采集到120 kN作用下的應變，而電阻應變片在90 kN荷載作用下就已經(jīng)出現(xiàn)損壞。

從應變采集呈現(xiàn)的變化趨勢，以及抗損壞能力這兩個方面，可以看出分布式光纖用于監(jiān)測優(yōu)于電阻應變片。

4.2 應變傳遞對比

試驗關于應變傳遞研究主要包括鋼筋受拉區(qū)應變傳遞對比、鋼筋受壓區(qū)應變傳遞對比、混凝土受拉區(qū)應變傳遞對比以及不同粘貼方式應變傳遞對比。應變傳遞系數(shù)為纖芯應變與基體應變的比值，由于鋼筋混凝土簡支梁體積較大，破壞過程涉及彈塑性，很難精準掌握其基體應變。本文參考電阻應變片測量值作為基體應變，與其做對比的理論值是由毛江鴻等[13]提出的分布式光纖應變傳遞公式得到。

4.2.1 鋼筋受拉區(qū)應變傳遞對比

圖7～9是三種不同封裝方式的分布式光纖，其所在的鋼筋受拉區(qū)在不同荷載作用下的應變傳遞系數(shù)分布。從圖7可以看出，裸光纖應變傳遞系數(shù)隨著作用荷載不斷增加而增加，尤其兩端表現(xiàn)最為明顯。這可能由于簡支梁破壞荷載較大，隨著荷載增大，應變采集越來越精準。裸光纖中間的應變傳遞系數(shù)比較穩(wěn)定，其值在0.935左右，較為接近理論值。從圖8可以看出，緊套光纖應變傳遞系數(shù)規(guī)律和裸光纖相同，其中間的應變傳遞系數(shù)在0.929左右。從圖9可以看出，蝶形光纖應變傳遞系數(shù)波動較大，因為蝶形光纖封裝較厚，在鋼筋上受混凝土骨料擠壓，應變測量不夠精準。隨著荷載的增加，應變傳遞系數(shù)呈現(xiàn)增大的趨勢，但是應變傳遞系數(shù)整體偏小，其中間應變傳遞系數(shù)在0.527左右。

圖7 裸光纖應變傳遞系數(shù)

圖8 緊套光纖應變傳遞系數(shù)

圖9 蝶形光纖應變傳遞系數(shù)

從應變傳遞效果來看，裸光纖的傳遞效果最好，蝶形光纖傳遞效果最差，各光纖中間應變傳遞效果比兩邊應變傳遞效果好；從封裝保護效果來看，蝶形光纖保護最好，能夠一直采集到162 kN荷載作用，其次為緊套光纖，裸光纖較差，120 kN以后就發(fā)生損壞。

4.2.2 鋼筋受壓區(qū)應變傳遞對比

圖10～12是三種不同封裝方式的分布式光纖，其所在的鋼筋受壓區(qū)在不同荷載作用下的應變傳遞系數(shù)分布。從圖中發(fā)現(xiàn)，裸光纖和緊套光纖在10 kN荷載下，應變傳遞系數(shù)波動較大，這是由于光纖應變測試值階躍性較大。盡管NBX-6050光納儀精度較高，但是在這種小應變的作用下，高空間的分辨率對其測量值的穩(wěn)定性還是有一定的影響。裸光纖整體規(guī)律與前面一致，其中間應變傳遞系數(shù)在0.91左右。緊套光纖應變傳遞系數(shù)整體分為兩個部分，在30～60 kN作用時，中間應變傳遞系數(shù)在0.865左右；在90～120 kN作用時，中間應變傳遞系數(shù)在0.916左右。從圖12可以看出蝶形光纖波動較大，這是由于粘貼分布式光纖時，為了避開箍筋的干擾，在受壓區(qū)粘貼的光纖都布置在鋼筋下方，蝶形光纖自身封裝較厚可能出現(xiàn)滑移，導致測量數(shù)值不精準。從鋼筋受壓區(qū)和受拉區(qū)應變傳遞對比來看，鋼筋受壓區(qū)得到的應變傳遞系數(shù)比受拉區(qū)應變系數(shù)小，說明應變傳遞系數(shù)與粘貼長度也有一定的關系[16]。

圖10 裸光纖應變傳遞系數(shù)

圖11 緊套光纖應變傳遞系數(shù)

圖12 蝶形光纖應變傳遞系數(shù)

4.2.3 混凝土受拉區(qū)應變傳遞對比

圖13～15是裸光纖、緊套光纖、蝶形光纖三種不同封裝方式的分布式光纖，其所在的混凝土受拉區(qū)在不同荷載作用下的應變傳遞系數(shù)分布。從圖中看出，三種封裝方式的分布式光纖應變傳遞只進行到了60 kN作用下，這是由于梁加載到90 kN時，底端粘貼的應變片已經(jīng)發(fā)生破壞。而裸光纖可繼續(xù)采集到120 kN作用下的應變值，緊套光纖和蝶形光纖均可以采集到150 kN作用下的應變值。與在鋼筋上布設規(guī)律不同的是，三種分布式光纖剛開始作用時，其中間應變傳遞系數(shù)就已經(jīng)穩(wěn)定了。裸光纖在0.867左右，緊套光纖在0.761左右，蝶形光纖在0.534左右，而且蝶形光纖比布設在鋼筋上效果好。但是總體來看，混凝土上布設的分布光纖的應變傳遞系數(shù)較鋼筋上布設的小。

圖13 裸光纖應變傳遞系數(shù)

圖14 緊套光纖應變傳遞系數(shù)

圖15 蝶形光纖應變傳遞系數(shù)

4.2.4 不同粘貼方式應變傳遞對比

進行埋入式和粘貼式兩種方式應變傳遞對比，選取鋼筋測點位置0.94 m處和混凝土測點位置0.9 m處，即進行同一位置，不同荷載作用下應變傳遞系數(shù)的變化比較。圖16在鋼筋布設中，裸光纖和緊套光纖都隨著荷載增加，應變傳遞系數(shù)不斷向1靠近，裸光纖在60 kN荷載作用之后其應變傳遞系數(shù)變化穩(wěn)定。蝶形光纖在10 kN和162 kN作用時應變傳遞系數(shù)變化波動較大，而且總體應變傳遞系數(shù)較小，都在0.7以下。從圖17中可以看出，在混凝土表面布設，三種分布式光纖應變傳遞系數(shù)都比較穩(wěn)定，且隨著荷載的增加，應變系數(shù)逐漸增大并趨于穩(wěn)定。

圖16 埋入式應變傳遞系數(shù)

圖17 粘貼式應變傳遞系數(shù)

5 結 論

文章基于PPP-BOTDA分布式光纖傳感技術，將裸光纖、緊套光纖、蝶形光纖分別采用埋入式和粘貼式布置到鋼筋混凝土簡支梁中，并在相應位置布置電阻應變片，進行簡支梁加載試驗，采集分布式光纖和電阻應變片應變值，比較各封裝方式的分布式光纖應變傳遞，得到以下結論：

(1)分布式光纖傳感器的封裝厚度、粘貼方式、粘貼長度都會影響其應變傳遞的精確性；

(2)對于鋼筋混凝土結構，隨著荷載的不斷增加，埋入式布貼方式比粘貼式布貼方式應變傳遞系數(shù)更準確；

(3)分布式光纖比起電阻應變片有較大的優(yōu)勢，尤其在結構荷載不斷增大的情況下，克服電阻應變片容易損壞的短板，能適應較大應變的工程測量；

(4)分布式光纖隨著布設長度以及作用荷載的不斷增加，兩邊應變傳遞有損耗，中間部位能夠接近理論值。