分布式光纤传感器应变传递性能分析及试验研究*

毛江鸿，何 勇*，金伟良，邵剑文

(1.浙江大学结构工程研究所，杭州310058 2.浙江大学建筑设计研究院，杭州 310027)

分布式光纤应变传感技术具有分布式、高精度、实时性等特点，非常适用于大型土木工程结构的分布式应变检测，已在桥梁检测［1］、隧道健康诊断［2－3］、海底管道监测［4］、建筑物健康监测［5］等领域得以应用。结构健康状况诊断和评估时，应变信息的精确性决定了其有效性和准确性。分布式光纤传感技术由处理应变信号的主机及感应结构应变信号的分布式光纤传感器组成，其中主机测量精度由仪器自身技术参数控制［6］，而分布式光纤传感器对结构应变的感应能力因埋设工艺、传感光纤特性、传感器结构特征而不同。目前，分布式光纤传感器主要通过在结构物表面开凿铺设，亦可附着在钢筋表面［7］进行监测，采用 FRP 筋［8］和气吹－灌浆技术［9］是目前将传感光纤埋入混凝土内部较为有效的方法。各种形式的分布式光纤传感器结构模型主要由包层、涂覆层、护套层、填充层(粘结层)、微管层等中间层组成，且针对不同施工环境需选择不同中间层厚度及材料。由剪滞理论［10］可知，结构应变通过各中间层剪切作用传递至传感光纤纤芯，部分应变由于中间层弹性模量差异被损耗;李宏男等人［11－12］引入光纤传感器中点与基体应变变化率相同的假设，推导得到多层界面应变传递公式;高俊启［13］通过理论研究分析了护套层和涂覆层对分布式应变测量精度的影响;刘德华［14］通过有限元分析了光纤传感器的中间层厚度及弹性模量对应变传递的影响。上述理论研究阐明了分布式光纤应变传递原理并指出中间层厚度及弹性模量会影响光纤传感器的应变感应能力，但尚需试验进行验证。浙江大学结构工程研究所通过理论分析和试验，研究了采用气吹－灌浆技术研制的埋入式分布式光纤传感器的工作性能，然而该传感器仅适用于新建结构监测［15］。对于已建结构，常通过在结构物表面开槽后采用粘结剂布设传感光纤，形成表面式分布式光纤传感器。两种形式的分布式光纤传感器均为多中间层传感器模型，具有相同的应变传递原理。因此，为完善分布式光纤传感技术在土木工程健康监测领域的应用，需通过理论和试验系统研究适用于不同工程结构特点的光纤传感器的工作性能。

本文介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和分布式光纤传感器的多中间层的应变传递原理，并分析了中间层物理参数改变对光纤传感器应变传递性能的影响。对由不同物理特性的传感光纤、粘结剂以及不同厚度填充层组成的分布式光纤传感器进行了试验研究，为工程应用过程中分布式光纤传感器的优化设计提供指导。

1 分布式光纤应变检测方法

1.1 分布式光纤传感技术

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术利用光纤应力和温度变化引起布里渊散射光中心频移改变这一特性，实现长距离光纤的应变和温度检测。光纤的布里渊频移量与光纤应变、温度之间存在线性关系，其关系如式(1)所示［16］:

式中，νB(0)为初始应变、初始温度时布里渊中心频率，νB(ε，T)为在应变 ε、温度T时布里渊频移量，dνB/dT温度比例系数，dνB/dε 为应变比例系数，TT0为光纤温度差;ε为光纤应变变化量。

1.2 分布式光纤传感器埋设工艺

目前，结构健康监测领域中采用的应变传感光纤需在涂覆层外添加护套层，以防止施工过程中的机械破坏。对于表面粘结形式的分布式光纤传感器，结构存在包层、涂覆层、护套层及粘结层，共四个中间层(图1a)。采用气吹－灌浆技术的铺设分布式光纤传感器，存在包层、涂覆层、护套层、水泥浆填充层及微管层，共五个中间层(图1b)。

图1 分布式光纤传感器结构图

1.3 分布式光纤传感器应变传递原理

由上述分析可知，两种传感器铺设工艺将形成不同结构形式的光纤传感器，从而使得表现出不同的应变监测性能。分布式光纤传感技术的应变感应元件为光纤纤芯，结构基体应变通过剪力传递至纤芯，两种结构形式的分布式光纤传感器均可采用多中间层剪滞理论模型［10－14］建立应变传递公式，其结构模型如图2所示。图中，τ代表各中间层在接触面上的剪应力，σ表示由剪应力引起的光纤轴向的正应力值;dσ为沿光纤长度方向的轴向正应力增量;r为各中间层的半径，其中下标f、t、h、n和w分别表示纤芯、涂覆层、护套层、填充层和微管层。

图2 分布式光纤传感器应变传递原理图

理论模型分析时，引入如下假定:(1)各中间层材料为线弹性，光纤不直接承受外力，通过中间层剪应力使其产生应变;(2)纤芯和包层物理特性相同;(3)各粘结层之间粘结紧密，不存在相对滑移。

根据多中间层剪滞理论［11－12］，并采用上述假定得出光纤与基体之间的应变传递公式:由分布式光纤传感技术原理可知，采样点应变是其空间分辨率长度范围内光纤应变的综合反映，

空间分辨率以外的光纤应变对采样点的应变不存在影响，在文献［15］中建立了采样点的平均应变传递率公式为:

其中

式中，x为采用点的空间位置，εf(x)为纤芯应变，εm为基体应变，Ef、Ei分别为纤芯和中间层弹性模量，Gi为中间层剪切模量，ri为中间层半径，L为1/2空间分辨率大小。

由上述可知，光纤采样点平均应变传递率和各中间层的物理性质有关，改变中间层的弹性模量和外径将引起采样点获取的基体应变改变。本文从传感光纤类型、粘结材料特性、微管材料等影响因素出发，通过理论分析和试验研究系统分析分布式光纤传感器应变传递性能。

Design and Application of Remote Online Monitoring System for Transformer and Circuit Breaker CHEN Wenrui,CHEN Chuang,LIAO Xiaochun(132)

2 应变传递性能理论分析

2.1 光纤特性影响

分布式光纤传感技术的传感光纤为普通单模光纤，无需对纤芯、包层及涂覆层进行特殊处理，但需依据铺设环境设置不同的护套层厚度。因此，光纤特性对应变传递性能的影响由光纤外径改变引起，通过改变传感光纤半径，绘制应变传递率同传感光纤半径的关系曲线，分析研究不同直径光纤传感器的应变传递性能。模拟分析时，外径10 mm(该值对应后续试验研究中凹槽深度)的粘结剂分别采用环氧树脂和水泥砂浆，光纤护套层、环氧树脂及水泥砂浆弹性模量分别设置为4 GPa、2.8 GPa和10 GPa，其余中间层参数可参见文献［11］，其关系曲线如图3所示。

图3 平均应变传递率与光纤外径关系图

由图3可知，两条关系曲线出现相反的变化趋势，采用水泥砂浆粘结剂铺设的传感光纤随着外径增加其α值减小，而采用环氧树脂粘结剂其α值变化趋势相反，但变化幅度相对较为平缓。对于已建结构，采用环氧树脂等柔性粘结剂具有良好的粘结性能，此时选择外径较大的传感光纤可获取较高的测试精度;水泥砂浆等粘结剂具有较大的弹性模量，其应变传递性能较好，选用外径小的传感光纤有利于提高应变测试精度。

2.2 粘结材料影响

表面式光纤传感器铺设用的粘结剂较为常用的是环氧树脂等弹性模量较低的橡胶类粘结剂，建筑结构中也可使用水泥砂浆等硬质粘结剂。通过改变粘结剂弹性模量绘制应变传递率同粘结剂弹性模量的关系曲线。分析时传感光纤分别采用外径为900 μm和3 mm的紧套光纤，其护套层弹性模量为4 GPa，粘结层外径为10 mm，关系曲线如图4所示。

图4 平均应变传递率与粘结剂弹性模量关系图

由图4可知，外径为900 μm和3 mm的传感光纤的采样点平均应变传递率随着粘结剂弹性模量增加而增大，最后趋近于稳定。

由图4可知，粘结剂分别采用环氧树脂和水泥砂浆时，外径900 μm的传感光纤与外径3 mm的传感光纤的应变传递率相差－0.013%和0.066%;由图3可知，传感光纤外径分别采用900 μm和3 mm时，水泥砂浆与环氧树脂铺设的传感光纤应变传递率相差0.138%和0.069%。由此可知，光纤护套层与粘结层之间弹性模量的差值对应变传递性能的影响较传感光纤外径差异的影响明显。综上所述，为获取高精度应变结果，表面式光纤传感器最优化的组合是采用同基体弹性模量相近(约为30 GPa)的硬质粘结剂且铺设小直径传感光纤。

2.3 填充层厚度影响

埋入式光纤传感器需在混凝土浇筑前预埋微管，同时微管直径的选择需对结构应力场和结构体型进行综合考虑，采用不同外径微管时填充层厚度改变将引起埋入式传感器应变传递性能的差异。而表面式光纤传感器的填充层厚度和埋设过程中开凿深度相关，粘结材料可选择环氧树脂或水泥浆。图5模拟了填充层厚度对应变传递的影响，该模型水泥浆填充层及微管层的弹性模量分别选用10 GPa和70 GPa，泊松比为0.25和0.3，传感光纤采用 3 mm紧套光纤。

图5 平均应变传递率与填充层半径关系图

由图5可知，采样点平均应变传递率随填充层半径增加而减小，由于微管层作用，在相同条件下，表面式光纤传感器比埋入式光纤传感器具有更好的工作性能。当填充层半径小于15 mm时，两者的采样点平均应变传递率均大于95%，可认为传感器能有效地感应基体应变。

3 应变传递性能试验研究

3.1 试验设计

钢筋混凝土梁为2 600 mm×150 mm×300 mm，混凝土强度为C30，配置两根 HRB335级直径16 mm受拉主筋。为考察光纤特性、粘结材料及微管外径对应变传递性能的影响，表面式光纤传感器采用外径900 μm和3 mm紧套光纤作为传感光纤，并分别使用水泥砂浆、环氧树脂及水泥砂浆拌和建筑胶水作为粘结剂铺设。埋入式传感器的应变传递性能已在文献［15］进行了系统分析，本文将略去该部分的试验结果分析。为标定各传感光纤，分别在跨中位置的梁顶、梁底混凝土及受拉钢筋表面布置电阻应变片，截面内传感器布置如图6所示，各传感元件详细布置及编号如表1所示。

图6 截面传感元件分布图

表1 传感光纤汇总表

由DITEST STA－R型BOTDA记录光纤应变值，设置采样点间隔为0.1 m，空间分辨率为0.5 m。对上述各梁进行四点加载弯曲试验，纯弯曲段长度为1 m，共分为12个荷载等级，每个加载等级持荷10 min以上。为消除温度对应变测量影响，在试验梁旁边设置自由光纤以进行温度补偿，试验布置如图7所示。

图7 试验布置图

3.2 光纤特性影响

由理论分析可知，护套层与基体之间弹性模量的差值及传感光纤外径尺寸均会影响两者之间的应变传递性能。本文在梁B1的梁顶及梁底混凝土布设外径900 μm和3 mm的紧套光纤，各传感光纤均通过环氧树脂粘结，各传感器的跨中应变如图8所示。

图8 不同光纤特性的跨中光纤应变对比图

该梁的粘结剂为低弹性模量的环氧树脂(小于光纤护套层)，理论分析表明平均应变传递率随传感光纤外径增加而增大。由图可知，受拉区传感光纤 FB－3的应变测试值较传感光纤 FB－0.9大，其测试应变约为电阻应变片的0.851和0.778倍;受压区传感光纤 FT－3的应变测试值也较传感光纤 FT－0.9大，其试验标定系数分别约为0.840和0.776，该变化规律与理论分析一致。

3.3 粘结材料影响

相比水泥砂浆粘结剂，水泥砂浆拌和建筑胶水作为粘结剂具有更好的粘结性能，相同配合比的两种粘结剂弹性模量相近(约10 GPa)。环氧树脂作为橡胶类粘结剂，具有良好的粘结性能，但其弹性模量(约2.8 GPa)和基体混凝土(约30 GPa)相差较大。本文在B2梁的梁顶及梁底混凝土三条预留槽内分别由水泥砂浆、环氧树脂及水泥砂浆拌和建筑胶水粘结3 mm传感光纤，比较不同弹性模量粘结剂的应变传递性能，各传感器跨中应变如图9所示。

图9 不同粘结材料的跨中光纤应变对比图

由图9可知，弹性模量较大的砂浆类粘结剂感应应变的能力相比环氧树脂粘结好，受拉区传感光纤FB－S、FB－J及FB－H的试验标定系数分别为0.846、0.794 及0.686，受压区传感光纤 FT－S、FT－J及 FT－H分别为 0.835、0.837及0.659。试验表明，是否拌和建筑胶水对配合比相同的水泥砂浆粘结剂的应变传递性能影响不大，但其粘结性能会有较大改善，采用环氧树脂作为粘结剂时其应变敏感性明显较其它两种粘结剂低。

4 结论

分布式光纤应变检测技术的测量精度不仅取决于设备自身技术参数，还与感应结构应变信号的分布式光纤传感器的结构组成有关。本文对影响分布式光纤传感器应变传递性能的各参数进行了理论分析和试验研究，得出如下结论:

(1)对于已建结构，采用环氧树脂等柔性粘结剂具有良好的粘结性能，此时选择外径较大的传感光纤可获取较好的测试精度;水泥砂浆等粘结剂具有较大的弹性模量，其应变传递性能较好，选用外径小的传感光纤有利于提高应变测试精度。

(2)对于新建结构，采用气吹－灌浆技术可实现混凝土内部分布式光纤传感器的快速、有效铺设，该类传感器具有较好的应变传递性能。理论分析和试验研究［15］表明，埋入式光纤传感器测量精度随外径减小、微管弹性模量增大而提高。

(3)试验结果和理论分析具有一致的规律性，通过理论分析建立的多中间层应变传递模型能有效分析分布式光纤传感器的应变传递过程，且可应用于分布式光纤传感器的参数优化设计。同时为获取精确的结构应变信息，工程应用前需进行分布式光纤传感器标定试验研究。

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