基于分布式光纖傳感器的水中結構動應變測量實驗研究

楊竟南 劉 斌 廖海峰

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司1) 武漢 430056) (中國市政工程中南設計研究總院有限公司2) 武漢 430010)

0 引 言

結構的應變通常采用電阻應變片與振弦傳感器進行測量.這些傳統的傳感器在防水、抗電磁干擾、耐腐蝕、抗潮濕、穩定性和耐久性等方面,難以適應大型水中結構，特別是海中惡劣工作環境中的結構.

光纖傳感器作為一種新型傳感器，在結構健康監測中開始得到廣泛的應用.光纖傳感器載體是光信號，纖芯材料為二氧化硅，該傳感器具有抗電磁干擾、防水、耐腐蝕等優點，與傳統傳感器相比耐久性更高.現有的光纖傳感器的測量范圍已經涵蓋溫度、應變、位移、振動等物理量.

光纖光柵傳感器(FBG)和基于布里淵光時域分析技術(Brillouin optical time domain analysis，BOTDA)的分布式光纖傳感器均可用來測量結構的應變.FBG傳感器與電阻應變片一樣為“點式”傳感器，僅能對其埋設位置附近的結構受力特征進行局部監測.橋梁、大壩、河堤等大型結構具有大跨度、大體積等特征，結構損傷不易被發現且具有較強的隨機性，這種結構損傷的隱蔽性和隨機性使得“點式”傳感器難以準確全面地反映結構的信息.

分布式光纖傳感技術的發展應用,實現了對結構受力狀態的連續測量與監測.分布式光纖傳感器可以準確測量出光纖沿線上任意一點的應變、溫度、振動及損傷等信息，測量范圍可達到幾十公里，非常適用于大型結構.分布式光纖傳感器的特點使得對結構的全方位監測成為可能，克服了“點式”監測方式漏檢的弊端,提高了監測的成功率[1-2].

目前，分布式光纖傳感器已被廣泛應用于結構的應變監測.Peled等[3]采用分布式光纖對20 m長的復合材料帶上由于機械波的傳播所引起的應變進行了測量.Masoudi等[4]研究了一種分布式動態應變傳感器，該傳感器能夠在2 km測量范圍內測量應變的擾動.Liu等[5]通過使用基于布里淵光時域分析的分布式動應變測量技術，對長度15 m的帶模擬裂縫的鋼梁進行動應變測試，以確定裂縫的位置和寬度.

分布式光纖傳感器動應變測量研究主要集中在一般環境下結構的測量，但實際工程中，有大量的水下結構，會遭受包括波浪、水流、冰等動荷載的影響.研究表明結構與流體之間的相互作用會對結構的動力響應產生較大影響 ，隨著水位的升高，動水壓力效應對結構的影響有增大的趨勢[6].Morison[7]提出小直徑結構上波浪力的計算方法，即Morison方程.此后的研究主要集中在理論分析與有限元仿真上[8].由于問題的復雜性，在計算過程中進行了許多簡化與假設，例如Morison方程就假設結構尺寸較小，不會對波浪運動造成明顯影響，忽略了結構對水運動的影響.因此簡化和假設是否合理，計算的結果是否正確需要實際的測量結果進行驗證.若分布式光纖傳感器能應用于水中結構的測量，則可以全面得知結構的動力響應，并可將測量結果與理論分析結果進行對比，這對確保結構安全和修正理論分析方法都具有重要意義.

為了探討光纖傳感器應用于水中結構監測的可行性，文獻[9]建立了實驗模型，對FBG傳感器應用于水中結構動應變測量進行了研究，結果表明具有較好的可行性.本文在此基礎上，完善實驗模型，應用BOTDA對水中結構模型的動應變進行分布式測量，并將其結果與FBG測量結果對比分析以探討分布式光纖傳感技術應用于水中結構監測的有效性.

1 測試原理

1) BOTDA 將短脈沖光和連續探測光分別從光纖兩端射入以產生受激布里淵散射光，溫度和應變會使得受激布里淵散射光的頻率發生改變(即產生頻移)，測量該頻率變化即可得到沿光纖各采樣點的應變和溫度[10].布里淵散射光的頻移跟應變和溫度都具有良好的線性關系，因此光纖中各個位置的應變和溫度都可以被精確地檢測出，具有高空間分辨率和高精度.

布里淵散射光的頻移與應變及溫度的關系為

Δf=C11Δε+C12ΔT

(1)

式中：ΔG為應變和溫度引起的布里淵散射光頻移；Δε為應變的變化量；ΔT為溫度差；C11為應變靈敏系數；C12為溫度靈敏系數.

2) Bragg光柵(FBG) FBG傳感器是將光纖的一部分作為傳感區，通過加工變成光柵而使得光纖具有傳感能力.通過對布拉格波長的檢測，就可以得到被測參數.布拉格波長對溫度和應變都極為敏感.布拉格波長變化與應變和溫度的關系為

ΔλB=αgΔε+αTΔT

(2)

式中：ΔλB為溫度和應變引起的波長漂移；Δε為應變的變化量；ΔT為溫度差；αg為應變靈敏系數，αT為溫度靈敏系數.

2 實驗設備

BOTDA采用日本 NEUBREX公司的 NEUBRESCOPE光納儀設備，型號為NBX-6055.采樣間隔可達1 cm，最高空間分辨率可達5 cm，測量精度可達到7×10-6.進行動態模式(AT-BOTDA)測量時采樣間隔可達5 cm，最高空間分辨率可達10 cm，測量范圍可達25 km.

采用美國Micron Optics公司的SI425-500解調儀測量FBG中心波長,該設備掃描頻率為250 Hz,波長分辨率為1 pm.

3 實驗過程

模型中桿采用鋁制材料，桿的直徑D=15.8 mm、長1.3 m.桿底部固結在基座上，頂部施加1kg的質量塊.沿桿長方向布置一根單模光纖，采用光納儀測量桿在振動過程中沿桿長方向所有采樣點的動應變.因桿在振動過程中桿底端將產生最大應變，故在桿的底端布置一個FBG傳感器，測量桿在振動過程中底端的動應變狀態.

為探討水深對結構動力響應的影響，將水位逐步加至1/4水位、1/2水位、3/4水位及滿水位位置，分別為0.28，0.55，0.83和1.1 m.在桿頂端施加5 cm的初始位移，釋放后使桿產生振動，并用光納儀和FBG解調儀同時測量結構的動應變.

4 實驗結果

光納儀的AT-BOTDA模式可測量沿光纖長度的結構動應變，采樣間隔為5 cm，空間分辨率為20 cm.不同水位狀態下測試結果見圖1.

圖1 不同水位分布式動應變

由圖1可知：BOTDA可以較好地反映出水中結構振動時的分布式動應變狀態.桿底端位置在振動過程中產生最大動應變，頂部位置附近則只產生較小的動應變.水深由無水狀態增大到1/4水位狀態時，結構底端的最大動應變增大，由244×10-6增大到282×10-6，變化幅度達到13.4%，結構的阻尼增大，結構自由振動后更快地達到了平衡狀態.水深由1/4水位增大到1/2水位時，結構底端的最大動應變明顯增大，由282×10-6增大到408×10-6，變化幅度達到44.6%，相比無水狀態變化幅度達到了67%.隨著水位增大到3/4水位時，結構底端的最大動應變相對1/2水位狀態時有所減少，為360×10-6.水深由3/4水位狀態增大到滿水位狀態時，結構底端的最大動應變為318×10-6，結構的阻尼明顯增大，在自由振動幾個周期后即達到了平衡狀態.盡管3/4水位和滿水位時結構底端的最大動應變相比1/2水位時小，但仍大于無水狀態和1/4水位時的最大動應變.

為驗證分布式測量的測量結果，同時利用FBG測量不同水深時桿底端的動應變，測量結果見圖2.

圖2 不同水位FBG結果

利用FBG傳感器測量不同水深狀態下桿底端的應變，FBG的測量結果同樣顯示，水深由無水狀態增大到1/4水位狀態時，結構底端的最大動應變增大，由279×10-6增大到327×10-6，變化幅度達到17.2%.水深由1/4水位增大到1/2水位時，結構底端的最大動應變明顯增大，由327×10-6增大到477×10-6，變化幅度達到45.8%，相比無水狀態變化幅度達到了70.9%.水深由1/2水位狀態增大到3/4水位時，結構底端的最大動應變減小到417×10-6.當水深由3/4水位增大到滿水位時結構底端的最大動應變為386×10-6.

對比FBG與BOTDA的測量結果可以看出，二者測量結果的趨勢一致，隨著水深的增加，結構的動水壓力增加，結構的動力響應也隨之增大.二者都能較好地測量出不同水深狀態下結構的動應變，也能較好地反映出阻尼對結構的影響.同時可以看出，BOTDA測量到的不同水深下結構的最大動應變均小于FBG的測量結果，差異率在20%以內.分析原因為BOTDA 進行動態測量時需采集所有采樣點隨時間變化的應變狀態，測量數據量巨大，而FBG僅針對單個采樣點進行測量且采樣頻率高于BOTDA.并且由于空間分辨率的原因，BOTDA對單個采樣點處的測量精度不如FBG.

5 結 束 語

通過建立實驗模型，利用BOTDA和FBG傳感器實現了對水中結構動應變的分布式和點式測量，通過對不同水深狀態下結構的動應變測試，驗證了分布式光纖傳感技術應用于水中結構監測的可行性.

BOTDA可以較好地實現水中結構動應變的分布式測量，但由于采樣頻率和空間分辨率的原因，對單個采樣點處的測量精度不如FBG.因此，對于重要水中結構，有必要采取BOTDA與FBG測量相結合的方式.采用BOTDA進行分布式測量的同時，在關鍵位置布置FBG進行測量，全面監測結構的受力狀態，保障結構的安全.