一種用于混凝土結構裂縫監(jiān)測的光纖傳感器

楊 杰，張 凱，程 琳，王趙漢，李亞明

(1.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048；2.西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；3.海南天鴻市政設計股份有限公司，海南 ?？?570208)

0 引言

裂縫是判斷混凝土結構健康狀況的重要指標，裂縫的存在使結構的整體性遭到破壞，并造成內部鋼筋的銹蝕，嚴重威脅結構的安全運行。在實際工程中，不同建筑物及不同工作環(huán)境使其對裂縫監(jiān)測具有不同要求，研究可適應不同工程實際的裂縫傳感器很有必要。光纖傳感器以其安全性能高,電絕緣,抗電磁干擾能力強和耐腐蝕等優(yōu)勢，受到了國內外學者的廣泛關注[1-7]。

近年來，隨著研究的不斷深入，光纖傳感器在結構裂縫及位移監(jiān)測方面已取得了大量研究成果。過去有學者在考慮各種彎曲半徑、光纖圈數(shù)、額外彎曲角度和波長的情況下，提出了一種簡單的光纖傳感器彎曲損耗計算公式，且與實驗數(shù)據(jù)吻合較好，并給出了光纖彎曲損耗靈敏度的簡化公式[8]。李川等[9]提出了一種分布式光纖傳感器，采用光時域反射計(OTDR)測量被測點的應變量或位移量，傳感器位移監(jiān)測量程為3 mm。近幾年，程琳等[10]提出了一種齒輪傳動型光纖位移傳感器，使光纖彎曲損耗與位移之間呈良好線性關系，但靈敏度受光纖纏繞軸直徑限制較大。李明昊等[11]基于光纖彎曲損耗原理，提出了一種U型纏繞式光纖位移傳感器，該傳感器理論量程可達120 mm，但在實際使用中由于光纖始終處于拉伸狀態(tài)，在較大位移時光纖易被拉斷。

針對以上光纖裂縫傳感器在實際應用中的不足，本文基于光纖彎曲損耗原理，提出了一種靈敏度和量程可控的光纖傳感器，實驗驗證了傳感器的可行性，并對傳感器的工作性能進行了評價。

1 傳感器結構設計及裂縫監(jiān)測原理

1.1 傳感器結構設計及工作原理

光纖裂縫傳感器結構如圖1所示。主要傳感結構為一根裸光纖兩端對折穿入兩段內徑2 mm、長度均為3 cm的毛細鋼管中。其中，光纖兩端自由穿過第一段毛細鋼管，其作用是約束光纖形成彎曲并保護光纖，再將光纖兩端穿入第二段毛細鋼管中，用環(huán)氧樹脂膠將該段光纖封裝在第二段毛細管中，使該段光纖與毛細鋼管保持同步移動。兩段毛細鋼管分別固定于裂縫兩側，當裂縫發(fā)生時，兩段毛細鋼管將會隨裂縫兩側混凝土向兩側移動，裂縫開展會拉動第一段毛細鋼管中的光纖，從而引起光纖彎曲段尺寸變?。蝗袅芽p在外部荷載作用下發(fā)生閉合，兩段毛細鋼管將會相互靠近，光纖彎曲段尺寸將會逐漸恢復。光纖彎曲段的尺寸變化會引起傳感器光損耗值的變化，使用光功率計可以監(jiān)測到這個變化過程，從而實現(xiàn)對裂縫的監(jiān)測。主要傳感原理為：在傳感器中預先設置彎曲段光纖，即預先給定一個光纖損耗值，通過改變彎曲段光纖尺寸大小使光功率發(fā)生變化，再建立裂縫寬度與光損耗關系，從而實現(xiàn)對結構裂縫的監(jiān)測。

圖1 傳感器結構示意圖

1.2 彎曲損耗與裂縫寬度的理論關系

當光纖彎曲后，就會發(fā)生沿光纖彎曲半徑方向的能量輻射，原有光波導中的傳導模將變?yōu)檩椛淠?，從而引起彎曲損耗。對于階躍單模光纖，當彎曲半徑為R時，單位長度上的彎曲損耗為

ac=AcR-1/2exp(-UR)

(1)

其中

(2)

(3)

式中：λ為工作波長；λc為截止波長；Δ為光纖芯與包層相對折射率差。

由光纖彎曲損耗原理可知，固定半徑的彎曲段光纖會產(chǎn)生固定的損耗，損耗大小與R有關，而R與裂縫寬度Δl同樣為一一對應關系。根據(jù)傳感器結構可得出R與Δl的關系為

(4)

式中：a為彎曲段光纖初始半徑；α為光纖與毛細鋼管的夾角。

將式(4)代入式(1)可得傳感器彎曲損耗與Δl的關系為

(5)

式中：ΔLs為Δl時對應的光損耗值；b為與傳感器彎曲段尺寸有關的常數(shù)。

2 實驗與討論

2.1 實驗過程

由光纖彎曲損耗特性可知，彎曲段尺寸較大時，彎曲損耗非常微小，光功率變化難以被儀器監(jiān)測到，因此，為保證傳感器具有較高的初始靈敏度，首先，通過實驗確定了彎曲段光纖臨界損耗尺寸，測得了最敏感直徑區(qū)間。然后，通過實驗驗證了傳感器的可行性。

實驗過程為：將有機玻璃板和微位移調節(jié)平臺固定在實驗臺上，采用環(huán)氧樹脂膠將兩段毛細管分別粘貼在有機玻璃板和微位移調節(jié)平臺上，光纖一端連接工作波長為1 550 nm的激光光源，另一端連接光功率計。通過調節(jié)微位移調節(jié)平臺模擬裂縫和控制裂縫的擴展和閉合，并記錄相應的光功率計的讀數(shù)和裂縫開度值。實驗裝置如圖2所示。實驗中，裂縫寬度從0開始逐漸增加，設置裂縫寬度最小給進量為0.5 mm。

圖2 實驗裝置圖

2.2 實驗結果分析

光損耗值與彎曲段光纖直徑對應關系的實驗結果如圖3所示。由圖可知，初始時，彎曲段光纖直徑較大(為30 mm)，光功率損耗曲線為一段水平直線，此時光纖彎曲損耗較小可忽略；當彎曲段直徑達到26 mm時，光損耗曲線為一段上升曲線，曲線斜率隨半徑的減小而增加，此時彎曲段光纖開始產(chǎn)生彎曲損耗，并隨著彎曲段光纖直徑的不斷減小光損耗持續(xù)增大，但此階段光損耗曲線上升較平緩，損耗不明顯；當彎曲段直徑達到12 mm時，光損耗曲線上升明顯，呈近似線性分布，此階段光損耗對光纖彎曲直徑變化非常敏感，因此,選取此階段的彎曲段尺寸制作傳感器可提高傳感器的靈敏度；當彎曲段光纖直徑達到5 mm時，由于毛細鋼管徑限制，彎曲段光纖直徑不再減小。因此，對于波長為1 550 nm的光，光功率計可感知彎曲段光纖直徑為(5～26) mm，最敏感直徑為(5～12) mm，該敏感區(qū)間的存在為靈活控制傳感器的靈敏度和量程提供了有力依據(jù)。

圖3 光損耗值與彎曲段直徑關系

由于過小的彎曲段初始直徑會導致傳感器量程減小，因此，為了保證傳感器具有較高的初始靈敏性和較大的量程，在有機板玻璃板模擬裂縫監(jiān)測實驗中，彎曲段光纖初始直徑設置為12 mm，實驗結果如圖4所示。

圖4 光損耗值與裂縫寬度關系

由圖4可知，光功率衰減對Δl的改變很敏感，光損耗值隨著Δl的增加呈指數(shù)型增長，說明傳感器對結構裂縫具有良好的監(jiān)測能力。實驗結果中模擬裂縫擴展與閉合實驗曲線基本重合，可知傳感器不僅能監(jiān)測到結構裂縫的開展過程，還可監(jiān)測到由于荷載改變導致的結構裂縫閉合過程。圖4中，實驗數(shù)據(jù)與理論擬合吻合度很高，由此得出當彎曲段光纖初始直徑為12 mm時半經(jīng)驗擬合公式為

加載：

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(6)

卸載：

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(7)

取式(6)、(7)的平均式作為傳感器的計算公式,即平均式為

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(8)

本次實驗通過有機玻璃板模擬裂縫驗證了傳感器監(jiān)測裂縫的可行性和有效性，傳感器對0.5 mm級裂縫感知效果良好，實驗中最大模擬Δl為20 mm，對應的彎曲段光纖直徑為5 mm。在應用中可根據(jù)工程實際對靈敏度及量程的不同要求，控制光纖彎曲段尺寸，在滿足不同裂縫監(jiān)測需求的同時保證傳感器的安全，建議彎曲段光纖最小直徑不小于?5 mm。

3 性能測試與分析

在實際工程中，結構裂縫隨著外部荷載呈周期性變化，因此，要求傳感器具有良好的穩(wěn)定性和重復性。由傳感器結構可知，在使用時彎曲段光纖長期保持彎曲狀態(tài)，可能會產(chǎn)生塑性變形，影響傳感器靈敏度，破壞傳感器的長期穩(wěn)定性?；诖耍疚倪M行了多次裂縫擴展和閉合的監(jiān)測實驗，對傳感器性能進行了測試。

實驗裝置如圖5所示。采用兩混凝土塊模擬混凝土結構裂縫的開展與閉合，為實現(xiàn)對裂縫開度的精確控制，將微位移調節(jié)平臺與其中一混凝土塊固定，再將傳感器中的兩根毛細鋼管分別粘貼于微位移調節(jié)平臺和另一混凝土塊表面。實驗中設定傳感器彎曲段初始直徑為12 mm，裂縫最小給進量5 mm，進行10次裂縫加載和卸載實驗，采用光功率計讀取每一裂縫開度對應的光功率值，讀數(shù)時間間隔30 min。實驗結果如表1所示。

圖5 實驗裝置圖

表1 光損耗值與裂縫寬度關系表

由表1可知，性能測試實驗結果與傳感器驗證實驗結果基本一致，裂縫加載和卸載過程中同一裂縫開度對應的光功率損耗值基本穩(wěn)定，極差不超過0.05 dB。實驗實測光損耗值的最大標準偏差僅為0.021 8 dB，表明傳感器具有良好的長期穩(wěn)定性和重復性。

4 結束語

本文基于光纖彎曲損耗原理設計了一種用于混凝土結構裂縫監(jiān)測的光纖傳感器，驗證實驗結果表明，傳感器可很好地感知裂縫的發(fā)生并記錄其擴展和閉合過程，對結構裂縫監(jiān)測具有良好的重復性和穩(wěn)定性。針對不同的工程實際，通過設置不同直徑的彎曲段光纖可靈活改變傳感器的量程和靈敏度。與現(xiàn)有的光纖裂縫傳感器相比，該傳感器具有結構簡單、量程和靈敏度可控等特點，更適用于混凝土結構裂縫監(jiān)測。