葉宇霄+趙新銘+吳剛+謝雪峰+姚劍

摘 要：分布式光纖在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，定量分析裂縫是難點(diǎn)。裂縫對(duì)光纖產(chǎn)生拉伸、彎曲和折角的影響，需要深入研究各因素影響程度。測(cè)試光纖角度的頻移影響，并對(duì)比研究了軸向拉伸造成的頻移影響。提出一種基于BOTDA分布式光纖傳感的計(jì)算公式并將該公式運(yùn)用于裂縫成像軟件中。試驗(yàn)結(jié)果表明：在裂縫產(chǎn)生后，光纖角度的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生較大影響，且考慮角度因素后，裂縫成像更接近真實(shí)情況。使用分布式光纖監(jiān)測(cè)混凝土裂縫時(shí)，需要考慮角度問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：混凝土；裂縫；光纖傳感；角度

中圖分類號(hào)：TU317 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-4764（2018）01-0024-06

Application of distributed optical fiber in the monitoring of cracks in concrete structures

Ye Yuxiao1， Zhao Xinming1， Wu Gang2， Xie Xuefeng2，Yao Jian2

（1. Department of Civil Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，P.R. China；2.Jiangsu Taizhou Water Bureau，Taizhou 225300，Jiangsu，P.R. China）

Abstract：In the application of distributed optical fiber structure health monitoring， quantitative analysis of cracks is difficult. The effect of tensile， bending and folding on optical fiber and the influence degree of various factors needs to be studied. In this paper， the influence of frequency shift on optical fiber angle is tested and the effect of frequency shift caused by axial tension is compared. A new calculation formula based on BOTDA distributed optical fiber sensing is proposed and applied to crack imaging of software. The experimental results show that the change of the optical fiber angle has a great influence on the experimental results after the crack is generated， and the fracture imaging is closer to the real situation after taking the angle factor into account. Therefore， when using distributed optical fiber to monitor concrete cracks， the angle should be taken into account.

Keywords：concrete；crack；fiber sensor； angle

自大量使用鋼筋混凝土作為建筑材料以來(lái)，混凝土裂縫就是困擾專家們的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]?；炷两Y(jié)構(gòu)從筑成到退出工作始終有裂縫伴生，裂縫的存在不可避免，隨著裂縫的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性將會(huì)受到影響，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能和工作環(huán)境對(duì)裂縫采取不同措施[2]。結(jié)構(gòu)建成后產(chǎn)生的裂縫難以修補(bǔ)，且有可能造成嚴(yán)重后果，需要根據(jù)裂縫的大小、形狀、方向、分布以及結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件等評(píng)估裂縫的危害等級(jí)，從而決定采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施[3]?；炷亮芽p的寬度不宜超過(guò)0.4 mm，過(guò)大的裂縫會(huì)使鋼筋銹蝕。因此，需要準(zhǔn)確可靠的裂縫監(jiān)測(cè)方式。

光纖傳感器監(jiān)測(cè)技術(shù)因具有實(shí)際操作簡(jiǎn)單、可分布式布置、探測(cè)距離長(zhǎng)、對(duì)外界刺激敏感、對(duì)結(jié)構(gòu)工作性能影響較小等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（Structural Health Monitoring，SHM）中與其他點(diǎn)式監(jiān)控手段相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。經(jīng)過(guò)學(xué)者們深入研究，光纖定性監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)得到長(zhǎng)足發(fā)展和進(jìn)步。錢振東等[4]對(duì)鋼橋面疲勞裂縫進(jìn)行研究。何勇等[5]、毛江鴻等[6]對(duì)使用光纖監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)裂縫的應(yīng)用進(jìn)行研究，建立了300 mm標(biāo)注的光纖裂縫傳感器監(jiān)測(cè)裂縫寬度、夾角的數(shù)學(xué)模型。康師表[7]基于BOTDA的鋼橋面鋪裝裂縫疲勞擴(kuò)展進(jìn)行研究。分布式光纖的高精確性確保他可以達(dá)到預(yù)測(cè)裂縫出現(xiàn)的可能[8]，而且具備同時(shí)監(jiān)測(cè)多類數(shù)據(jù)的可能（應(yīng)變、溫度）[9]。因此，光纖在監(jiān)測(cè)裂縫的問(wèn)題上仍有很大的研究空間。雖然，在分布式光纖監(jiān)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫這一領(lǐng)域，相關(guān)科研人員已經(jīng)得到一些成果，但還不能滿足實(shí)際工程對(duì)裂縫監(jiān)測(cè)的要求。已經(jīng)有將分布式光纖應(yīng)用于工程實(shí)際問(wèn)題的先例，并證實(shí)至少在較小范圍內(nèi)可以適應(yīng)復(fù)雜的裂縫情況[10]。

首先，闡述了分布式光纖監(jiān)測(cè)裂縫角度的理論公式。通過(guò)布置在玻璃板上粘貼軸向和斜交光纖試驗(yàn)，分析在合理的裂縫寬度范圍內(nèi)（0～1 mm）光纖與裂縫夾角占總頻移的比例，以確定角度因素是否存在考慮的必要性.通過(guò)不同光纖夾角試驗(yàn)，推出光纖夾角與頻移關(guān)系，再通過(guò)得到的角度頻移關(guān)系，修正只考慮溫度和軸向應(yīng)變的傳統(tǒng)公式；隨后，使用新公式編程，編寫(xiě)成像軟件并與真實(shí)的裂縫情況進(jìn)行對(duì)比，討論該公式的可行性。endprint

1 分布式傳感技術(shù)及監(jiān)測(cè)原理

分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，目前，主要有基于瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射等的主要技術(shù)。其中，基于瑞利散射的OTDR測(cè)量精度不足，傳感距離不夠，現(xiàn)有的研究較少；基于拉曼散射的有關(guān)技術(shù)返回信號(hào)較弱；基于布里淵散射的相關(guān)技術(shù)與其他技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.1 BOTDA監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

BOTDA全稱為 Brillouin Optical Time Domain Analysis（布里淵光時(shí)域分析），是一款基于布里淵散射的分布式光纖傳感器。其監(jiān)測(cè)到的布里淵散射頻移量vB與溫度、應(yīng)變的變化呈線性關(guān)系。由此，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)vB獲得光纖各部位應(yīng)變和溫度的變化量。現(xiàn)有研究認(rèn)為，布里淵頻移量ΔvB應(yīng)該符合如下關(guān)系式（1）[11]。

1.2 光纖角度原理

在中國(guó)，已經(jīng)有利用光纖角度解決工程實(shí)際問(wèn)題的相關(guān)理論和應(yīng)用手段[12]。劉浩吾[13]對(duì)基于OTDR光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于混凝土重力壩的裂縫監(jiān)測(cè)進(jìn)行了研究。提出了在單根光纖分辨率有限的情況下，通過(guò)改變光線的布設(shè)方式，與混凝土裂縫形成角度來(lái)提高光纖監(jiān)測(cè)精度。

在裂縫產(chǎn)生后，由于光纖被緊密地貼合在監(jiān)測(cè)對(duì)象的表面或埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通常要經(jīng)歷溫度、軸向拉伸和角度3種變化。布里淵頻移量ΔvB的實(shí)際組成為

光纖與裂縫斜交布置時(shí)，受到裂縫的橫向拉伸，產(chǎn)生了兩個(gè)轉(zhuǎn)角。由于光纖角度的理論值為-90°～90°，而裂縫的寬度則不存在上限值，理論上來(lái)說(shuō)角度和軸向伸長(zhǎng)的影響可能不在一個(gè)量級(jí)上。由于混凝土裂縫的寬度不宜超過(guò)0.4 mm，因此，當(dāng)需要監(jiān)測(cè)的裂縫寬度為0.4 mm左右時(shí)，需要考慮光纖角度帶來(lái)的影響。如圖1所示。

裂縫和并列光纖相交得夾角∠1，如圖2所示。

圖2中，∠3=90°，∠2=（90°-∠1），代入式（2）中，整理得到光纖的實(shí)際伸長(zhǎng)量

1.3 基于BOTDA的光纖角度原理

由于使用BOTDA解調(diào)儀監(jiān)測(cè)光纖變化，而基于BOTDA的光纖監(jiān)測(cè)對(duì)沒(méi)有伸長(zhǎng)量的光纖純彎曲無(wú)法監(jiān)測(cè)，因此，角度變化最終回歸到伸長(zhǎng)量的變化上來(lái)。通過(guò)有角度狀態(tài)和無(wú)角度狀態(tài)下相同裂縫寬度直線伸長(zhǎng)量的不同來(lái)確定角度的量。

如圖3所示，當(dāng)裂縫通過(guò)正交光纖l2和斜交光纖l1時(shí)，兩者的伸長(zhǎng)量不一致，這種差異主要與光纖與裂縫的夾角有關(guān)。

分析角度與裂縫寬度的關(guān)系可知，當(dāng)斜交裂縫的寬度為ω時(shí)，斜交光纖長(zhǎng)度由原來(lái)的l1變?yōu)楝F(xiàn)在的l′1。因此，光纖的伸長(zhǎng)量應(yīng)為l′1-l1。用l1表示l′1，結(jié)果為

2 分布式光纖實(shí)驗(yàn)

2.1 關(guān)于角度影響的實(shí)驗(yàn)探究

為了研究光纖的角度原理，進(jìn)行了如圖4所示的分布式光纖試驗(yàn)。圖4左圖為軸向拉伸試驗(yàn)，右圖為斜交拉伸試驗(yàn)。

由于在混凝土的表面粘結(jié)光纖需要考慮惡劣的工作環(huán)境和分布式的概念，因此，該試驗(yàn)所有光纖都將環(huán)氧樹(shù)脂粘貼在玻璃板的表面，這樣可以有效傳遞力，并在一定程度上改善光纖的工作環(huán)境。驗(yàn)證了使用環(huán)氧樹(shù)脂貼敷光纖可以獲得準(zhǔn)確的頻移縫寬值。

將4根連通的光纖均勻分布在玻璃板的表面，用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼。通過(guò)人工制造裂縫的方式測(cè)量了在0.08、0.14、0.2、0.26、0.32 mm等裂縫寬度下，光纖的頻移影響。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，不同的寬度對(duì)光纖的頻移量產(chǎn)生了影響，且裂縫寬度變化越大的光纖產(chǎn)生的頻移量也越大，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，光纖所監(jiān)測(cè)的裂縫寬度變化與頻移基本符合線性關(guān)系。可以得到使用環(huán)氧樹(shù)脂全程貼敷的光纖頻移與裂縫寬度變化量的公式，近似為

式中：Δl為裂縫的寬度；ΔvB為頻移量。

將光纖均勻分布在玻璃板的表面，用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼。通過(guò)人工制造裂縫的方式測(cè)量在不同的裂縫寬度和折角下光纖的頻移影響。試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置5°、10°、15°、20°、25°的裂縫夾角，總結(jié)出角度與頻率呈線性變化關(guān)系。如圖6所示，相同裂縫寬度在不同角度下，頻率隨著角度的增大而增大。

對(duì)比軸向受拉試驗(yàn)，得出角度因素所占總頻移的比重，如圖7所示。

由此可見(jiàn)，夾角越大，角度帶來(lái)的影響就越不可忽略。因此，有必要研究角度對(duì)光纖檢測(cè)的影響。

2.2 極值法測(cè)定裂縫位置

使用環(huán)氧樹(shù)脂固定光纖時(shí)，光纖的頻移變化量與環(huán)氧樹(shù)脂的傳力性能有密切關(guān)系。由于環(huán)氧樹(shù)脂材料受力的特點(diǎn)，環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)變與和裂縫的距離成反比，因此，可以反映裂縫的精確發(fā)生位置。經(jīng)計(jì)算，通過(guò)擬合裂縫附近數(shù)據(jù)的二次曲線，求得駐點(diǎn)與實(shí)際裂縫位置對(duì)比。在裂縫處的頻移值如圖8所示。其偏移值較小，可將此法稱為極值法，通過(guò)極值法確定的裂縫點(diǎn)可以將測(cè)量的精度提升60%，變動(dòng)范圍由±10 cm縮小到±4 cm范圍內(nèi)。而且，由實(shí)驗(yàn)所得負(fù)數(shù)段數(shù)據(jù)呈線性來(lái)看，由于環(huán)氧樹(shù)脂的固定作用，光纖可以表征被測(cè)對(duì)象的受壓狀況。

3 裂縫成像初探

當(dāng)使用光纖監(jiān)測(cè)玻璃板裂縫時(shí)，因?yàn)檎辰Y(jié)材料的作用，可以提高光纖測(cè)量的精度。可以在已知光纖布置方案的前提下反推角度和寬度，解決在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中已知數(shù)據(jù)太少的弊端。因此，根據(jù)式（3）編寫(xiě)裂縫成像軟件，運(yùn)行原理如下。

在之前的實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)BODTA解調(diào)儀監(jiān)測(cè)的圖像取出峰值作為參考點(diǎn)，如圖9所示。然后，對(duì)比經(jīng)過(guò)裂縫變化之后的圖像，尋找頻移量變化最大的幾個(gè)位置，如圖10所示。

根據(jù)這幾個(gè)點(diǎn)在圖上的距離及光纖的布置方案，定出出現(xiàn)變化的幾個(gè)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖的位置，如圖11（a）；將幾個(gè)點(diǎn)連線獲得裂縫的圖像，如圖11（b）；附上光纖的布置簡(jiǎn)圖，算出每個(gè)點(diǎn)的夾角，如圖11（c）；根據(jù)式（6）求出每一個(gè)點(diǎn)的裂縫寬度，然后，做兩條距離為裂縫寬度的平行直線并連線，得出裂縫簡(jiǎn)圖，如圖11（d）。

根據(jù)裂縫寬度通過(guò)光纖在裂縫監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用，可以通過(guò)編程編寫(xiě)相應(yīng)程序，并應(yīng)用于實(shí)地裂縫監(jiān)測(cè)中。雖然，光纖的數(shù)據(jù)采集仍然需要昂貴的電子設(shè)備支撐，但是引入軟件和網(wǎng)絡(luò)將是實(shí)現(xiàn)裂縫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、預(yù)警及查閱的重要一步。endprint

3 結(jié)論

系統(tǒng)介紹了基于BOTDA分布式光纖角度和測(cè)量原理，提出了光纖角度的受力模型和角度測(cè)量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停⑻岢隽嘶诠饫w角度的計(jì)算公式。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：

1）使用有一定變形能力的材料（例如，環(huán)氧樹(shù)脂）可以將測(cè)量的精度提升60%，由10 cm的變動(dòng)范圍縮小到4 cm范圍內(nèi)，而且，可以保護(hù)光纖。

2）強(qiáng)調(diào)了角度因素在裂縫測(cè)量中的重要性，使用考慮角度影響的公式可以縮小光纖測(cè)量的誤差。

3）使用反算法，驗(yàn)證了傳感器推算裂縫角度的可行性，并為基于BOTDA的裂縫成像提出思路建議。

使用的解調(diào)儀精度為10 cm，在使用玻璃板實(shí)驗(yàn)測(cè)量裂縫時(shí)，通過(guò)所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)描繪出了與玻璃板的實(shí)際裂縫有較高仿真度的裂縫圖像，證明了極值法在基于BOTDA裂縫成像的可行性?，F(xiàn)有的裂縫監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，所監(jiān)測(cè)的基本為單一裂縫或直線裂縫。

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