分布式光纖傳感技術在混凝土結構測試中的應用

國核電站運行服務技術有限公司 李 揚 王東輝 徐 偉

在傳統的混凝土結構應變測試中，通常采用表面粘貼式和埋入式應變花來測試應變變化情況，這種方法因其穩定可靠性，已經廣泛的應用在各種混凝土應變測試中。近年來，隨著光纖傳感技術的不斷發展，分布式光纖因其獨有的特性而受到關注。本文使用基于瑞利散射原理的分布式光纖傳感技術，對混凝土結構進行表面應變測試，并通過與常規的表面粘貼式和埋入式應變花數據對比，討論分布式光纖傳感技術在混凝土應變測試中的可行性與可靠性。同時展望分布式光纖傳感技術在其他領域的應用前景。

1 分布式光纖傳感技術原理

分布式光纖傳感技術采用光纖做傳感介質和傳輸信號介質，通過測量光纖中特定散射光的信號來反應光纖自身或所處環境的應變或溫度的變化，一根光纖可實現成百上千傳感點的分布式傳感測量。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、大容量等特性而廣泛受到關注。

經過國內外學者多年的技術研究，提出了基于瑞利散射原理的分布式光纖傳感技術，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，在測溫、測應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，光源發出的光纖唄光纖耦合器分為兩路，一路經過反射鏡作為參考光源返回耦合器，另一路進行測試光纖中，發生瑞利散射，并傳回耦合器中。經過信號處理，識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傅里葉變換，就可以或者變量的大小，從而進行定量的分析工作。

圖1 瑞利散射技術原理

處在環境狀態中的測試光纖進行初始測量后，將返回的瑞利散射信號進行分析，進而得到了應變、溫度的初始數據。之后利用沿著光纖軸向方向施加的應變、溫度來確定散射的性質。兩個數據集合中用來在傳感器位置上判斷散射光光譜漂移的散射性質是交叉相關的。在基準條件下，溫度或者應變的變化都會導致光纖中散射光光譜的漂移。基于OFDR的光纖分布式應變測量傳感的光譜漂移解調原理如圖2所示。

圖2 基于OFDR的光纖分布式應變測量傳感的光譜漂移解調原理

2 試驗過程

2.1 試驗設計

現場澆筑一根混凝土簡支梁，并在澆筑時預埋振弦傳感器，并在表面部分測點粘貼振弦傳感器，并使用分配梁對制作好的混凝土簡支梁施加集中荷載，分別為0KN、5KN、8KN、11KN、14KN、17KN、21KN，加載位置位于梁三分點處。如圖3所示，通過在表面對應測點位置粘貼整根分布式光纖，試驗過程中記錄應變變化情況，并對比預埋和表面粘貼式的振弦傳感器數據，驗證分布式傳感光纖在混凝土應變測試應用的可行性。

圖3 靜態載荷示意圖

2.2 試驗結果

經過分階段的靜態載荷試驗，由試驗結果可以看出在受到靜態載荷下簡支梁在中部彎矩最大，其中測點2上受到最大的壓應力，測點2下受到最大的拉應力。采集的試驗數據匯總如表1所示。

表1 各測點應變值匯總

3 結果分析

3.1 線性擬合結果

將測試得到的載荷和應變值進行線性擬合，6個測點的擬合結果結果如圖4所示。

圖4 各測點位置載荷-應變擬合結果圖

3.2 數據對比

將分布式傳感光纖測試的應變數據與傳統的埋入式振弦傳感器和表面粘貼振弦傳感器測得的數據進行對比，發現分布式傳感應變測試技術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%。測試過程中的數據較為穩定，該技術用于混凝土應變測試可行且穩定性高。具體結果如表2所示。

表2 與埋入式和表面式振弦傳感器測量誤差對比表

試驗結果表明，粘貼在簡支梁表面的分布式傳感光纖可有效測得混凝土結構應變數據，并真實的反應混凝土結構變形，進而實現對結構的狀態監測。

由上述各類數據對比可知，分布式傳感光纖應變測試結果與傳統的埋入式振弦傳感器結果的相對誤差最大為15.1%，與傳統的表面式振弦傳感器結果的相對誤差最大為18.2%，數據的可靠性較高。且將數據進行擬合后，線性趨勢能較真實地反應混凝土結構應變變化情況，光纖傳感器應變測試技術的可行性較高，可以在工程監測作為一種新型應變監測技術加以推廣。