分布式傳感光纜循環(huán)疲勞性能的測試方法

王嘉誠,張丹,閆繼送,李博,施斌

(1.南京大學地球科學與工程學院,南京 210093;2.中國電子科技集團公司第四十一研究所,山東青島 266555)

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分布式傳感光纜循環(huán)疲勞性能的測試方法

王嘉誠1,張丹1,閆繼送2,李博1,施斌1

(1.南京大學地球科學與工程學院,南京 210093;2.中國電子科技集團公司第四十一研究所,山東青島 266555)

摘要:分布式光纖監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)逐漸應用于各個領域,但是針對傳感光纜在經(jīng)受循環(huán)應力之后其傳感性能的變化情況,目前尚未開展深入的研究。針對在室內(nèi)試驗及各類監(jiān)測工程中,模擬荷載、溫度以及環(huán)境條件的變化而使光纜經(jīng)受反復循環(huán)應力的情況,設計了3個試驗,對分布式傳感光纜的循環(huán)疲勞性能進行了標定,得到了不同工況下光纜的應變衰減曲線。試驗結(jié)果表明,光纜初始應變越大,循環(huán)頻率越高,光纜應變的衰減量和衰減速率越大。

關鍵詞:分布式傳感;傳感光纜;循環(huán)疲勞;標定;應變

0　引 言

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展,在20世紀70年代,一種以光為載體,光纖為媒介,感知和傳輸外界信號的傳感技術(shù)(光纖傳感技術(shù))應運而生并迅速發(fā)展。分布式光纖傳感技術(shù)是近幾年發(fā)展較為迅速的技術(shù)之一,主要包括OTDR(光時域反射)[1]、BOTDA(布里淵光時域分析)[2]、BOTDR(布里淵光時域反射)[3]和BOFDA(布里淵光頻率分析)[4]技術(shù)等。在眾多領域,如隧道工程[5]、結(jié)構(gòu)工程[6]以及邊坡及基坑工程[7]等,都得到了成功的應用。

在室內(nèi)試驗及現(xiàn)場監(jiān)測等條件下,傳感光纜受到各種因素的影響,長期處于一種受力循環(huán)波動或不斷變化的狀態(tài),光纜的變形狀態(tài)也隨之發(fā)生循環(huán)變化。目前,國內(nèi)外對循環(huán)荷載作用下傳感光纜性能的研究還不深入,光纜性能是否隨之發(fā)生了改變,以及改變的程度還未見報道。因此,開展傳感光纜循環(huán)疲勞效應的研究對于分布式光纖傳感技術(shù)的應用和發(fā)展具有重要的意義。

本文針對這一問題,研制了分布式傳感光纜循環(huán)疲勞測試裝置,提出了循環(huán)疲勞測試方法,并以工程監(jiān)測及室內(nèi)試驗中常用的2 mm聚氨酯護套傳感光纜為例,分析研究了其處于受力循環(huán)狀態(tài)下的應變衰減規(guī)律,獲知了該光纜的循環(huán)疲勞性能。

1　試驗設備

分布式傳感光纜疲勞性測試裝置由導軌平臺、直線電機平臺、直線電機、光柵尺及讀數(shù)頭、力傳感器、三爪卡盤、電控箱、電纜以及機械、電氣附件等組成。直線電機平臺置于導軌平臺上,可沿導軌進行自由地直線運動。直線電機在直線電機平臺的一定范圍內(nèi)沿直線自由移動,其最大活動范圍為405 mm,即進行光纜拉伸試驗時的拉伸范圍。三爪卡盤,一個固定于導軌的一端,另一個固定于直線電機一側(cè),用于夾持傳感光纜。光柵尺固定于導軌平臺的側(cè)面,并設置有兩個可活動的讀數(shù)頭裝置,分別與直線電機平臺和直線電機相連并固定,用于測量直線電機平臺和直線電機的相對坐標位置,可通過計算機終端顯示和控制;在直線電機的驅(qū)動器處配備力傳感器裝置,實時測量光纜的拉力,也可在計算機終端顯示和控制。分布式傳感光纜疲勞性能測試裝置如圖1所示。

圖1　分布式傳感光纜疲勞性能測試裝置

在進行光纜的疲勞性能測試時,首先固定直線電機平臺的位置,調(diào)整直線電機的初始位置,然后利用三爪卡盤將光纜咬合固定。直線電機開始工作后可以由傳感系統(tǒng)實時反饋其運動的位移、速度和加速度,以及光纜拉力等參數(shù),并通過計算機軟件改變這些參數(shù)或通過文件自定義運動軌跡等方式進行多種模式的測試工作,以滿足不同要求下光纜疲勞性能的測試工作。傳感光纜應變數(shù)據(jù)采集裝置為BOTDA儀,型號為NBX-6050A。

2　傳感光纜循環(huán)疲勞測試方法

本文以2 mm聚氨酯護套應變傳感光纜為例,分別針對監(jiān)測工程中常見的工況設計了3個試驗方案,測試不同情況下傳感光纜的性能變化,即針對各類工程中光纜應變變化速率不同的情況,設計了不同循環(huán)頻率對光纜傳感性能影響的試驗;針對光纜拉、壓周期變化以及監(jiān)測過程中光纜可能會處于松弛狀態(tài)的情況,設計了不同靜置時間對光纜傳感性能影響的試驗;針對安裝時需要對光纜進行預拉伸的情況,設計了不同初始應變對光纜傳感性能影響的試驗。

在試驗過程中,光纜測試段總長約為1 m,使光纜做反復循環(huán)振動,振幅為1 mm,即光纜的應變變化范圍約為±1 000με,之后在保持光纜拉伸位移相同的情況下測量光纜的應變量。由于測試段兩端應力相對較集中,因此每次取測試段中部0.7 m的應變數(shù)值作為有效數(shù)據(jù),并以其平均值作為測試段應變量。在試驗過程中,記錄溫度的變化并對采集到的應變數(shù)據(jù)進行溫度補償。

為了檢驗試驗過程中三爪卡盤沒有出現(xiàn)松動,在三爪卡盤的外側(cè)加裝百分表,并將百分表測量桿與光纜固定,如圖2所示。如果在試驗過程中百分表讀數(shù)保持不變,則說明三爪卡盤與被測試光纜咬合良好,傳感光纜測試段應變的衰減不是由于三爪卡盤松動造成的。

圖2　三爪卡盤咬合狀態(tài)檢測方法

3　數(shù)據(jù)分析

3.1傳感光纜應變衰減曲線分析

取一段未經(jīng)拉伸的光纜,穿過三爪卡盤后咬合固定,通過控制直線電機將其拉伸一定位移,并以此作為直線電機的初始狀態(tài)。采用BOTDA儀測量拉伸段的應變量,并以此值作為試驗初值,而后以初始狀態(tài)位移為最大位移,通過光纜疲勞性能測試裝置對其進行振動頻率為3 Hz的周期拉伸。振動一定次數(shù)后,使直線電機回到初始狀態(tài),采用BOTDA儀測量拉伸段的應變量,之后重復上述過程,得到圖3所示的光纜應變衰減曲線。可以發(fā)現(xiàn),光纜應變的衰減過程大體上分為3個階段:I階段為快衰減階段,是應變衰減的初期,應變值衰減迅速且近乎線性;II階段為慢衰減階段,是應變衰減的中期,應變值衰減速度明顯減慢;III階段為穩(wěn)定階段,是應變衰減的后期,應變值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3　振動頻率為3 Hz時的光纜應變衰減曲線

從圖中還可看出,獲得的衰減曲線近似于指數(shù)型。采用式(1)對所測應變點進行整體擬合分析,得到圖4所示的應變衰減擬合曲線。相應的擬合參數(shù)見表1。

式中,y為光纜應變;A1、A2為常數(shù);x為光纜進行周期拉伸的次數(shù);t1、t2分別為快衰減階段和慢衰減階段循環(huán)周數(shù)(×103);y0為穩(wěn)定階段應變值。

表1　光纜應變衰減曲線的擬合參數(shù)

圖4　光纜應變衰減擬合曲線

3.2振動頻率對光纜應變的影響

為了研究振動頻率對應變衰減的影響,在上一節(jié)3 Hz試驗的基礎上,又分別進行了振動頻率為6 和9 Hz的測試。對這3組數(shù)據(jù)進行標準化,即各自取初始應變?yōu)?,以不同循環(huán)周次的應變值與初始值的比值作為縱坐標,得到圖5所示的不同振動頻率下光纜應變衰減曲線。采用公式(1)分別對所得的3組標準化后的數(shù)據(jù)進行整體擬合,并對擬合后的方程分別取導,令x=0,得到0點處的衰減速率, 即A1/t1+A2/t2;取1-y0,即標準化后的衰減量,所得參數(shù)如表2所示。

圖5　不同振動頻率下的光纜應變衰減曲線

由圖5和表2可知,振動頻率不會改變應變衰減曲線的整體變化趨勢,3組試驗都是在振動了10 000次左右結(jié)束了快衰減階段。但是,隨著振動頻率的增大,還同時出現(xiàn)了兩個比較明顯的變化特征:(1)I階段應變衰減速率增大;(2)達到最終穩(wěn)定狀態(tài)時,應變的衰減量增大。

表2　不同振動頻率下光纜應變衰減曲線的擬合參數(shù)

3.3靜置恢復時間對光纜應變的影響

為了研究靜置恢復時間對光纜應變的影響,在進行初次振動后,進行了5次靜置,靜置時保持光纜為自由狀態(tài),即無應變,靜置的時間依次為1.5、140、1.5、24和1.5 h,每次靜置后再進行一定周次的循環(huán)振動,得到圖6所示的應變衰減曲線。

圖6　靜置后的應變衰減曲線

由于光纜不同結(jié)構(gòu)之間的細微錯動,以及材料的塑性變形,無論對于長時間靜置(140 h)還是短時間靜置(1.5 h),與初始振動相比,光纜應變的衰減速率都更快,而且都無法回到初始應變;長時間靜置和短時間靜置的最終穩(wěn)定應變非常接近,且都小于初始振動拉伸應變衰減曲線的穩(wěn)定應變。對比靜置140 h和24 h的結(jié)果可以看出,靜置時間越長,其應變衰減曲線的初始應變值越接近初次振動拉伸應變曲線的初始值;而短時間靜置,其應變衰減曲線初始應變值更接近于初次振動拉伸應變曲線的穩(wěn)定應變值。這種現(xiàn)象可能是由于靜置時間比較短,光纜的彈性變形并沒有完全恢復。無論是經(jīng)過初始振動拉伸之后第1次短時間靜置,還是經(jīng)過長時間靜置、拉伸之后又經(jīng)過短時間靜置,其衰減曲線的變化趨勢、衰減速率及最終穩(wěn)定應變都近乎相同。

3.4初始應變對光纜性能的影響

為了探尋不同應變條件下光纜周期振動對其應變衰減的影響,分別在應變?yōu)? 000、4 000、6 000、8 000和10 000με的條件下對光纜進行周期振動拉伸測試,得到光纜的應變衰減曲線,標準化后的結(jié)果如圖7所示,采用公式(1)對所得標準化后的數(shù)據(jù)進行擬合,所得參數(shù)如表3所示。

表3　不同初始應變下光纜應變衰減曲線的擬合參數(shù)

圖7　不同應變環(huán)境下的光纜應變衰減曲線

可見,在低應變狀態(tài)下,光纜未出現(xiàn)明顯的應變衰減。當光纜應變≥4 000με時,應變衰減曲線的整體趨勢基本相同。但是,隨著應變的增大,應變衰減曲線出現(xiàn)了與頻率增大時類似的現(xiàn)象,即快衰減階段應變衰減速率隨光纜應變的增大而增大;同時,達到最終穩(wěn)定狀態(tài)時的應變較低,即應變的衰減量隨拉伸應變的增大而增大。由此可以認為:在高應變、高頻率的環(huán)境下,傳感光纜應變衰減得更為迅速,而且衰減量更大。取應變衰減量與初始應變的比值,即將標準化后的衰減量百分化,將此值記為衰減百分比,得到衰減百分比與初始拉伸應變的關系,如圖8所示。可以看出,隨著初始應變的增大,衰減百分比近似呈線性增大。

圖8　衰減百分比與初始應變的關系

4　結(jié)束語

目前還沒有一套較為完善的對循環(huán)荷載作用下光纜傳感性能進行評價的方法,針對這一問題,本文研發(fā)了傳感光纜循環(huán)疲勞測試設備,以2 mm聚氨酯護套傳感光纜為測試對象,提出了3種循環(huán)疲勞測試方法,分析了傳感光纜的應變衰減規(guī)律。結(jié)果表明,本文所提測試方法是行之有效的。光纜應變的衰減過程呈指數(shù)型,且其衰減過程可以分為快衰減階段、慢衰減階段和穩(wěn)定階段。此外,在影響光纜應變衰減的因素中,光纜初始應變越大,循環(huán)頻率越高,光纜應變的衰減量和衰減速率就越大。

致謝:感謝蘇州南智傳感科技有限公司為本文試驗研究提供傳感光纜;感謝蘇州璟豐機電有限公司在本文作者研制分布式傳感光纜疲勞性能測試裝置過程中提供的幫助;感謝本科生薛利強同學在試驗過程中提供的協(xié)助。

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光纖光纜技術(shù)與應用

Testing Methods for Cyclic Fatigue of Distributed Sensing Cables

WANG Jia-cheng1,ZHANG Dan1,YAN Ji-song2,Li Bo1,Shi Bin1

(1.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China;

2.The 41stInstitute of China Electronics Technology Group Corporation,Qingdao 266555,China)

Abstract:The distributed optical fiber monitoring technology has been gradually applied in various fields,but at the present, the performance variations of sensing cables when subject to cyclic stress have not yet been investigated in depth.In line with the repeated cyclic stress that the cables undergo indoor tests and in various monitoring projects,simulated load,temperature and the environmental condition changes,three tests are designed and the cyclic fatigue performances of the distributed sensing cables are calibrated,obtaining the stress attenuation curves of the cables in different conditions.The experimental results indicate that the higher the initial stress of the cables,the higher cyclic frequency and the greater the attenuation amount and rate of the cable stress.

Key words:distributed sensing;sensing cable;cyclic fatigue;calibration;stress

中圖分類號:TN818

文獻標志碼:A

文章編號:1005-8788(2016)01-0015-04

收稿日期:2015-07-31

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41272315,41572271);國家“九七三”計劃資助項目(2011CB710605)

作者簡介:王嘉誠(1990-),男,天津人。碩士研究生,主要從事巖土工程監(jiān)測等方面的研究。

通信作者:張丹,副教授。E-mail:zhangdan@nju.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.005