國(guó)核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)有限公司 李 揚(yáng) 王東輝 徐 偉

在傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試中，通常采用表面粘貼式和埋入式應(yīng)變花來(lái)測(cè)試應(yīng)變變化情況，這種方法因其穩(wěn)定可靠性，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在各種混凝土應(yīng)變測(cè)試中。近年來(lái)，隨著光纖傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，分布式光纖因其獨(dú)有的特性而受到關(guān)注。本文使用基于瑞利散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面應(yīng)變測(cè)試，并通過(guò)與常規(guī)的表面粘貼式和埋入式應(yīng)變花數(shù)據(jù)對(duì)比，討論分布式光纖傳感技術(shù)在混凝土應(yīng)變測(cè)試中的可行性與可靠性。同時(shí)展望分布式光纖傳感技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1 分布式光纖傳感技術(shù)原理

分布式光纖傳感技術(shù)采用光纖做傳感介質(zhì)和傳輸信號(hào)介質(zhì)，通過(guò)測(cè)量光纖中特定散射光的信號(hào)來(lái)反應(yīng)光纖自身或所處環(huán)境的應(yīng)變或溫度的變化，一根光纖可實(shí)現(xiàn)成百上千傳感點(diǎn)的分布式傳感測(cè)量。它因具有全尺度低成本、耐腐蝕、抗輻射抗電磁干擾、方便布設(shè)、大容量等特性而廣泛受到關(guān)注。

經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者多年的技術(shù)研究，提出了基于瑞利散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)，相比于基于拉曼散射原理和布里淵散射原理的分布式光纖，在測(cè)溫、測(cè)應(yīng)變的精度和范圍方面都大大提升。瑞利散射原理的分布式傳感光纖原理圖如圖1所示，光源發(fā)出的光纖唄光纖耦合器分為兩路，一路經(jīng)過(guò)反射鏡作為參考光源返回耦合器，另一路進(jìn)行測(cè)試光纖中，發(fā)生瑞利散射，并傳回耦合器中。經(jīng)過(guò)信號(hào)處理，識(shí)別耦合器中瑞利散射和反射光的頻譜，就可以具體定位到光纖上的位置。而兩種光纖的振幅衰減因子通過(guò)傅里葉變換，就可以或者變量的大小，從而進(jìn)行定量的分析工作。

圖1 瑞利散射技術(shù)原理

處在環(huán)境狀態(tài)中的測(cè)試光纖進(jìn)行初始測(cè)量后，將返回的瑞利散射信號(hào)進(jìn)行分析，進(jìn)而得到了應(yīng)變、溫度的初始數(shù)據(jù)。之后利用沿著光纖軸向方向施加的應(yīng)變、溫度來(lái)確定散射的性質(zhì)。兩個(gè)數(shù)據(jù)集合中用來(lái)在傳感器位置上判斷散射光光譜漂移的散射性質(zhì)是交叉相關(guān)的。在基準(zhǔn)條件下，溫度或者應(yīng)變的變化都會(huì)導(dǎo)致光纖中散射光光譜的漂移。基于OFDR的光纖分布式應(yīng)變測(cè)量傳感的光譜漂移解調(diào)原理如圖2所示。

圖2 基于OFDR的光纖分布式應(yīng)變測(cè)量傳感的光譜漂移解調(diào)原理

2 試驗(yàn)過(guò)程

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)澆筑一根混凝土簡(jiǎn)支梁，并在澆筑時(shí)預(yù)埋振弦傳感器，并在表面部分測(cè)點(diǎn)粘貼振弦傳感器，并使用分配梁對(duì)制作好的混凝土簡(jiǎn)支梁施加集中荷載，分別為0KN、5KN、8KN、11KN、14KN、17KN、21KN，加載位置位于梁三分點(diǎn)處。如圖3所示，通過(guò)在表面對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置粘貼整根分布式光纖，試驗(yàn)過(guò)程中記錄應(yīng)變變化情況，并對(duì)比預(yù)埋和表面粘貼式的振弦傳感器數(shù)據(jù)，驗(yàn)證分布式傳感光纖在混凝土應(yīng)變測(cè)試應(yīng)用的可行性。

圖3 靜態(tài)載荷示意圖

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過(guò)分階段的靜態(tài)載荷試驗(yàn)，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出在受到靜態(tài)載荷下簡(jiǎn)支梁在中部彎矩最大，其中測(cè)點(diǎn)2上受到最大的壓應(yīng)力，測(cè)點(diǎn)2下受到最大的拉應(yīng)力。采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。

表1 各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值匯總

3 結(jié)果分析

3.1 線性擬合結(jié)果

將測(cè)試得到的載荷和應(yīng)變值進(jìn)行線性擬合，6個(gè)測(cè)點(diǎn)的擬合結(jié)果結(jié)果如圖4所示。

圖4 各測(cè)點(diǎn)位置載荷-應(yīng)變擬合結(jié)果圖

3.2 數(shù)據(jù)對(duì)比

將分布式傳感光纖測(cè)試的應(yīng)變數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的埋入式振弦傳感器和表面粘貼振弦傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)分布式傳感應(yīng)變測(cè)試技術(shù)與埋入式振弦傳感器最大誤差15.1%，與表面式振弦傳感器最大誤差18.2%。測(cè)試過(guò)程中的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，該技術(shù)用于混凝土應(yīng)變測(cè)試可行且穩(wěn)定性高。具體結(jié)果如表2所示。

表2 與埋入式和表面式振弦傳感器測(cè)量誤差對(duì)比表

試驗(yàn)結(jié)果表明，粘貼在簡(jiǎn)支梁表面的分布式傳感光纖可有效測(cè)得混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變數(shù)據(jù)，并真實(shí)的反應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)變形，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

由上述各類(lèi)數(shù)據(jù)對(duì)比可知，分布式傳感光纖應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與傳統(tǒng)的埋入式振弦傳感器結(jié)果的相對(duì)誤差最大為15.1%，與傳統(tǒng)的表面式振弦傳感器結(jié)果的相對(duì)誤差最大為18.2%，數(shù)據(jù)的可靠性較高。且將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合后，線性趨勢(shì)能較真實(shí)地反應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變變化情況，光纖傳感器應(yīng)變測(cè)試技術(shù)的可行性較高，可以在工程監(jiān)測(cè)作為一種新型應(yīng)變監(jiān)測(cè)技術(shù)加以推廣。