丁建峰,王燕平,徐雨歌
(1.揚(yáng)州市隧道管理處,江蘇 揚(yáng)州 225000;2.揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225000)
光纖傳感技術(shù)始于1979年,是美國國家航空局所研發(fā)出的一種新型傳感技術(shù)。該技術(shù)最先是在飛機(jī)蒙皮結(jié)構(gòu)的監(jiān)測之中得以應(yīng)用,主要用來檢測復(fù)合材料的溫度和應(yīng)變。后來,美國和加拿大兩個(gè)國家對光纖傳感器在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷檢測、無損檢測、固化、評估以及識別等方面進(jìn)行了深入研究。隨著近年來科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,光纖傳感技術(shù)也開始日益成熟,并且在眾多領(lǐng)域之中都得到了廣泛應(yīng)用。在光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展之中,建筑工程的健康監(jiān)測領(lǐng)域逐漸成為了該技術(shù)的主要發(fā)展陣地。相比較傳統(tǒng)的電子傳感技術(shù)而言,光纖傳感技術(shù)的信息載體是光,其信息傳遞介質(zhì)是有著更高抗干擾、抗腐蝕、高傳輸帶寬且使用壽命長的光纖[1]。同時(shí),由于光纖的直徑很小,質(zhì)量很輕,且具有可彎曲特點(diǎn),所以在具體的應(yīng)用過程中,可以將光纖埋設(shè)到復(fù)合材料內(nèi)部,也可以將其貼在材料的表面,這樣就可以和被檢測的材料之間實(shí)現(xiàn)良好的融合。在光柵光纖傳感器的應(yīng)用之中,可以將很多個(gè)傳感器布設(shè)在同一根光纖上,以此來對被監(jiān)測的材料進(jìn)行分布式的測量。而借助于光時(shí)域技術(shù),也可以對被監(jiān)測的材料實(shí)現(xiàn)分布式的測量。因此,將光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到結(jié)構(gòu)監(jiān)測之中,可以對結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)變、腐蝕情況、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及裂縫情況等的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測,且有著極高的靈敏度,屬于一種理想化的傳感裝置。
在目前的數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域之中,光纖傳感技術(shù)已經(jīng)成為了一種首選技術(shù),而該技術(shù)在整個(gè)傳感器領(lǐng)域之中也有著十分光明的發(fā)展前景。借助于光纖傳感技術(shù),可以讓傳統(tǒng)的光信號編碼信息特征得到科學(xué)應(yīng)用,使其產(chǎn)生出可以表現(xiàn)外部擾動(dòng)的一種光電信號,以此來采集待測信息。
在光纖傳感技術(shù)之中,光調(diào)制技術(shù)最為關(guān)鍵。實(shí)際上,光調(diào)制技術(shù)就是借助于光纖內(nèi)部的載體光波來承載攜帶者待測信息的信號,這一技術(shù)主要是借助于光敏元件實(shí)現(xiàn)。在待測區(qū)域之中,光敏元件可能會(huì)受到溫度和應(yīng)變等的外部因素影響,進(jìn)而對光信號的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振以及顏色等這些參數(shù)之中的一種進(jìn)行調(diào)制,然后通過光纖對調(diào)制好的光波進(jìn)行傳輸[2]。位于監(jiān)測終端的光電裝置可以進(jìn)行光信號的解調(diào),以此來將光信號轉(zhuǎn)換成模擬的電子信號,然后對轉(zhuǎn)換成的電子信號進(jìn)行適當(dāng)處理,最終獲得到待測參數(shù)的數(shù)字信息。
南京市某市政隧道總長度是2.66 km,其中有1.66 km穿越湖底,雙向六車道,屬于三箱室的結(jié)構(gòu)形式,在這三個(gè)箱室之中,左邊和右邊兩個(gè)箱室作為行車道使用,中間的箱室作為綜合管廊以及隧道檢修通道。隧道的陸地隧道長度是0.9 km,屬于雙向四車道。隧道的設(shè)計(jì)寬度大約是32 m,凈空高度大約是4.5 m,每隔90 m長就設(shè)置一道橫向的變形裂縫。
在本次隧道工程的施工之中,地質(zhì)條件較差,尤其是在湖底的施工之中,松散粉細(xì)沙層分布范圍比較廣,有著較大的厚度,且存在承壓水,土層之間有著顯著的性質(zhì)差異,土層類別十分復(fù)雜,且分布情況不均勻。
在該隧道的光纖監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)施工過程中,主要將BOTDR這一光纖監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到了隧道結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測之中,分別沿著兩車行速調(diào)的軸向進(jìn)行4根光纖的敷設(shè),其敷設(shè)方式是兩根全面接著,兩根定點(diǎn)接著。全面接著形式的光纖主要是對隧道整體進(jìn)行監(jiān)測,通過這兩根光纖,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)隧道整體變形情況。定點(diǎn)接著形式的光纖主要是對變形縫進(jìn)行應(yīng)力集中區(qū)域以及變形縫等這些具有假定變形特征或潛在變形特征的位置進(jìn)行監(jiān)測,通過這兩條光纖,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些位置的變形情況。在該隧道的數(shù)據(jù)采集方面,應(yīng)用的是由日本NTT公司所研發(fā)的AQ8603型BOTDR光纖應(yīng)變分析儀。
按照光纖所具備的物理特征,溫度以及應(yīng)變都會(huì)對Brillouin scattering造成影響,也就是說,在光纖沿線發(fā)生溫度變化或者是產(chǎn)生軸向應(yīng)變的情況下,光纖之中的背向Brillouin scattering光頻率也將會(huì)出現(xiàn)漂移,而其頻率所產(chǎn)生的漂移量將會(huì)和光纖溫度變化及其應(yīng)變呈現(xiàn)出十分顯著的線性關(guān)系[3]。所以,通過對光纖之中背向自然布理淵散射光頻率漂移情況的測量,就可以或得到其沿線的溫度信息及其應(yīng)變分布信息。
3.2.1 光纖的敷設(shè)方式
按照BOTDR這種光纖監(jiān)測系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)原則,并結(jié)合樣本隧道光纖監(jiān)測系統(tǒng)施工的實(shí)際情況,同時(shí)也全面考慮到了AQ8603型號BOTDR光纖傳感器的實(shí)際應(yīng)用特征,在本次的研究之中,主要通過兩種方式對光纖監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行布設(shè),首先是通過全面接著形式來進(jìn)行敷設(shè),其次是通過定點(diǎn)接著形式來進(jìn)行敷設(shè)。圖1是這兩種敷設(shè)形式具體的敷設(shè)方法。
圖1 全面和定點(diǎn)接著敷設(shè)形式的敷設(shè)方法
3.2.2 光纖監(jiān)控系統(tǒng)的布設(shè)和線路敷設(shè)
按照隧道實(shí)際的施工情況和施工之中對于儀器設(shè)備的要求,本次設(shè)計(jì)的光纖傳感器敷設(shè)線路共有8條,以此來達(dá)到對隧道之中所有變形情況數(shù)據(jù)的綜合性、全方位采集效果。在該線路方案的設(shè)定過程中,設(shè)計(jì)單位和建設(shè)單位經(jīng)過了多次的論證、推敲和修改,最終設(shè)計(jì)出了合理化的線路方案,并將其應(yīng)用到了實(shí)際的施工之中[4]。本次工程所敷設(shè)的8條光纖線路分別在隧道的南側(cè)和北側(cè)墻壁上進(jìn)行布設(shè)。在本次工程所布設(shè)的8條線路之中,一號線路、四號線路和八號線路屬于全面接著形式的線路,僅僅在變形縫的位置采用了定點(diǎn)接著形式,其余的線路均屬于定點(diǎn)接著形式的線路。具體敷設(shè)過程中,將這8條線路的起點(diǎn)布設(shè)在了隧道的出口位置,線路的中點(diǎn)布設(shè)在了K0+506位置,并通過傳光光纜在中點(diǎn)位置將光纖傳感器引入到隧道監(jiān)控中心。
3.2.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析
在隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)具體分析過程中,如果獲得到的應(yīng)變是正數(shù),則表明被測結(jié)構(gòu)在測量當(dāng)天受到了拉伸力作用,反之,如果獲得到的應(yīng)變是負(fù)數(shù),則表明被測結(jié)構(gòu)在測量當(dāng)天受到了壓縮力的作用。因?yàn)楸敬窝芯克婕暗降臋z測數(shù)據(jù)很多,所以在此僅僅選擇了N4光纖來作為本次檢測和應(yīng)變分析之中的研究對象。具體監(jiān)測過程中,每周對應(yīng)變數(shù)據(jù)采集一次,數(shù)據(jù)采集中并未對溫度補(bǔ)償加以考慮。
從最后的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出應(yīng)變和溫度之間有著負(fù)相關(guān)的關(guān)系,且這種負(fù)相關(guān)十分良好。伴隨著溫度的不斷上升,應(yīng)力就會(huì)隨之逐漸下降,而伴隨著溫度的逐漸下降,應(yīng)力也會(huì)隨之逐漸上升[5]。
而且在整個(gè)監(jiān)測過程可見,溫度變化可以對應(yīng)變起到主要的影響作用,伴隨著溫度的逐漸上升,應(yīng)變將會(huì)逐漸變小,而伴隨著溫度的逐漸降低,應(yīng)變會(huì)逐漸變大。
1)應(yīng)變和溫度之間的區(qū)分問題。在很多的光纖傳感器之中,應(yīng)變和溫度之間的交叉問題都有待進(jìn)一步解決。在BOTDR光纖監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用之中,如果溫度變化不超過5℃,就可以忽略溫度對應(yīng)變的影響,但是如果溫度變化超過了5℃,就應(yīng)該考慮到相應(yīng)溫度補(bǔ)償措施的應(yīng)用[6]。但是就目前的情況來看,光纖傳感器溫度補(bǔ)償方面的計(jì)算方式存在明顯的不足,這就需要在今后的應(yīng)用和研究之中做出進(jìn)一步的完善。
2)光纖的接入、接出以及線路保護(hù)問題。因?yàn)閼?yīng)用到隧道健康監(jiān)測之中的光纖十分脆弱,尤其將光纖植入到混凝土的過程中,更是非常容易遭到破壞。因此,在具體的應(yīng)用之中,應(yīng)該注意加強(qiáng)光纖的保護(hù)工作,以此避免光纖損壞的情況發(fā)生,在保障監(jiān)測效果的基礎(chǔ)上節(jié)約成本。同時(shí),在光纖的接入和接出過程中,也應(yīng)該做好線路保護(hù)措施,以此保障光纖線路的敷設(shè)質(zhì)量?;谶@一情況,在光纖傳感技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用中,要加大力度進(jìn)行光纖線路保護(hù)方面的研究。
3)光纖傳感器的封裝問題。光纖傳感器的封裝就是在光纖的測量和保護(hù)之間達(dá)到一種平衡狀態(tài),不僅需要避免外界的環(huán)境因素對光纖造成的不利影響,而且應(yīng)該注重保持光纖傳感器的精準(zhǔn)性和靈敏性。為達(dá)到這一目的,光纖傳感器的生產(chǎn)廠家應(yīng)該對光纖傳感器的封裝工藝做到足夠重視,加大力度對光纖傳感器的封裝技術(shù)和封裝工藝進(jìn)行研究,在此過程中,生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)該組建起一個(gè)專業(yè)的課題組,專門來研究關(guān)于光纖傳感器封裝方面的技術(shù)和工藝。通過這樣的方式,才可以在保障光纖傳感器不受影響的基礎(chǔ)上保障其使用性能。
4)大量數(shù)據(jù)的處理問題。在隧道健康監(jiān)測之中,光纖傳感器的主要應(yīng)用方法是定期進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集,因此,監(jiān)測的頻次越高,需要收集的數(shù)據(jù)也就越多,尤其是一些需要進(jìn)行在線監(jiān)測的隧道結(jié)構(gòu),更是有著相當(dāng)巨大的監(jiān)測數(shù)據(jù)量,因此,這些數(shù)據(jù)的日常處理工作也就會(huì)十分繁瑣?;谶@一情況,在光纖傳感器的應(yīng)用與研究之中,應(yīng)該加大力度對數(shù)據(jù)分析和處理系統(tǒng)加以完善,這樣才可以讓大量的數(shù)據(jù)得到及時(shí)有效的處理,提升系統(tǒng)的使用性能和監(jiān)測的精準(zhǔn)性。
光纖傳感技術(shù)是當(dāng)今傳感技術(shù)領(lǐng)域之中一項(xiàng)全新的、先進(jìn)的技術(shù)。經(jīng)光纖傳感技術(shù)應(yīng)用到隧道健康監(jiān)測之中,可以對隧道結(jié)構(gòu)問題做到及時(shí)發(fā)現(xiàn),以此來保障隧道的質(zhì)量與安全性。本文主要以隧道健康監(jiān)測之中的光纖傳感系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用為例,對光纖傳感技術(shù)在隧道健康監(jiān)測之中的應(yīng)用進(jìn)行分析。希望通過本文的分析,可以為類似工程之中光纖傳感技術(shù)的合理應(yīng)用與發(fā)展提供出一定的參考依據(jù)。
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