塑料光纖在水工建筑物運行管理方面的應用前景探究

摘 要：文章針對最近幾年來不斷受到重視塑料光纖進行了簡單探討研究，主要包括塑料光纖及其應用現狀、塑料光纖優勢及其與石英光纖的簡單對比試驗、塑料光纖裂縫傳感原理探究和塑料光纖裂縫傳感器展望，說明了塑料光纖應用于水工建筑物健康安全監測方面存在的可能性。

關鍵詞：塑料光纖；水工建筑物；安全健康監測；裂縫

1 塑料光纖及其應用現狀

光在光纖中傳輸依據的是光的全反射定律，當光傳輸到包層和纖芯的交界面時（即從光密介質到光疏介質），若入射角大于臨射角，就會產生全反射，把光限制在纖芯中傳輸。塑料光纖也是利用上述原理來傳光的。塑料光纖是一類以光學塑料為材料制作的光纖，外部保護層為聚氨酯，內部結構由纖芯和包層組成。纖芯材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯[1]。塑料光纖的研究始于上世紀60年代，至今已有50個春秋。1968年，美國杜邦公司率先開發出PMMA塑料光纖[2]。2004年，我國首屆塑料光纖研討會在上海大學成功舉辦[3]。塑料光纖傳感器在塑料光纖出現后不久便應用于實際工程中。目前經報道的塑料光纖傳感器應用范圍涉及結構安全監測、濕度測量、化學量測量、渾濁度測量、流量測量等方面[1]。同時也出現了用于測量超大應變和液位變化的傳感器，微結構塑料光纖熒光傳感器，塑料光纖壓力傳感器[4-7]。

2 塑料光纖優勢及其與石英光纖的簡單對比試驗

目前用于結構安全監測的光纖主要以石英光纖為主，石英光纖主要成分是二氧化硅，纖芯直徑一般為5～50μm，包層直徑標準值為125μmm。塑料光纖的區別較大，纖芯為1mm的塑料光纖，其包層厚度僅為數十微米。由于塑料光纖纖芯粗、包層薄、數值孔徑大[2]，因而光能的耦合效率高[1]。

下面通過簡單的實驗，來說明塑料光纖與石英光纖在抗彎折的優劣。

本次實驗包括器材有：0.3m長塑料光纖裸纖和0.3m長石英光纖裸纖若干條，透明膠帶，直尺，圓規，白紙若干張。如圖1所示，為本次實驗的示意圖。

實驗開始前先將光纖的一端用膠帶固定在實驗臺上，固定長度為10cm。固定好光纖后，在光纖另一側加橫向力使光纖發生彎曲，持續加力直至光纖斷裂或光纖變形不可回復時停止加力，記錄此時的光纖彎曲半徑R和r。

采用上述方法進行多次實驗并記錄實驗結果，可得：室溫條件下（15℃），塑料光纖變形可回復最小彎曲半徑r=9mm；石英光纖不存在可回復最小彎曲半徑；塑料光纖斷裂彎曲半徑為0；石英光纖的斷裂半徑為8mm。

由實驗可知，塑料光纖的抗彎折能力遠高于石英光纖。由于塑料光纖所具備的優越性，使得其應用領域不斷增加。除過上文提到的應用范圍，在國外，塑料光纖用于建筑物健康監測的研究和技術遠遠領先于我國。比如，塑料光纖傳感器用于探測應變、荷載、位移等物理量的變化；基于光時域反射技術的PMMA-POF和具有更低損耗的PE-GI-POF傳感器的研究[8]。

3 塑料光纖裂縫傳感原理探究

國外在塑料光纖傳感器用于建筑物安全監測的研究主要針對應變、位移，在裂縫監測方面僅處于探索嘗試階段。在國內，對混凝土結構裂縫探測方面的研究減少，因此有必要塑料光纖裂縫傳感器進行研究。

光纖裂縫傳感器探測裂縫是基于微彎損耗原理，當結構出現裂縫時，埋入結構中與裂縫斜交的光纖會形成兩處微彎，使得光纖中發生能量損耗-微彎損耗，形成光損耗-裂縫寬度對應關系[1]。利用相應儀器通過測量光損耗便可間接得知裂縫是否擴展及擴展大小。

式中，K為比例系數，L為光纖產生微彎變形部位長度，由式2可見：α與光波波狀彎曲幅度D（t）的平方成正比，即光纖微彎幅度越大，模式耦合越嚴重，光能輻射越多，損耗越大[9]。

4 塑料光纖裂縫傳感器應用展望

由上文可知，塑料光纖在變形、光能耦合方面遠遠高于石英光纖，預示著其在水利工程建筑物后期運行管理中的良好前景；又知道塑料光纖在光能傳輸方面具有同于石英光纖的地方；且知道塑料光纖傳感器若應用于水工建筑物（大壩）的裂縫檢測方面，可依據光能微彎損耗與裂縫擴展之間存在對應關系。綜上所述，將塑料光纖傳感器應用于水利工程建筑物后期運行管理的健康監測，具有更大的優勢和一定的可能性。

但存在以下問題需要解決：首先，塑料光纖裂縫傳感器應該怎樣組成；其次，塑料光纖裂縫傳感器是否真的能滿足光能損耗和裂縫之間的一一對應關系；若滿足光能損耗和裂縫擴展的對應關系，如何由測得的光能損耗值推測出裂縫擴展情況。這些，需要進一步的實驗研究來進行驗證。

參考文獻

[1]廖延彪.光纖光學——原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2]孟立凡，藍金輝.傳感器原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2011.

[3]陳述.塑料光纖泛談[C]//中國通信學會2007年光纜電纜學術年會論文集，2007.

[4]吳曉斐，陳德智.塑料光纖的傳感器應用[C]//2009年研究生學術交流會通信與信息技術論文集，2009.

[5]賈相飛.基于聚合物光纖的超大應變測量技術研究[D].天津大學，2010.

[6]鄭榮利.基于塑料光纖準分布液位傳感器的研究[D].吉林大學，2010.

[7]高妍.一種新型的可連續測量液位高度變化的塑料光纖傳感器

[D].吉林大學，2012.

[8]Kuang K S C， Quek S T， Koh C G， et al. Plastic optical fiber sensors for structural health monitoring： a review of recent progress[J].Journal of sensors， 2009， 7：1-13.

[9]蔡德所.光纖傳感技術在大壩工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

作者簡介：戚丹（1988，9-），女，籍貫：陜西寶雞岐山，助教，碩士研究生，單位：楊凌職業技術學院水利工程分院，研究方向：水利水電工程監理。