FBG传感器在上埋式柔性涵管应变检测中的应用

郑 娟，刘保健，杨 真，马伟思

(1.长安大学公路学院，陕西西安710064;2.华东交通大学现代教育技术中心，江西南昌330013)

0 引言

公路、铁路中的涵洞一般采用上埋式刚性管，因其承载高抗侧向变形能力强。但是刚性管适应地基不均匀变形能力差的致命弱点使得横向开裂、错位等病害十分普遍。而柔性管适应不均匀变形能力强。在荷载作用下，柔性管可能首先产生的是因变形过大的结构失稳而非材料强度的破坏［1］。因此，变形成为柔性管的主控因素，那么，在试验中采用合适的手段对变形和应变进行检测就十分有必要了。

若由传统的传感器(如电应变计)组成的监测系统进行监测，可能在稳定性、分布范围等方面都难以满足要求［2］。本文现场试验中所用的HDPE缠绕增强管因其材料属性而应变值很小，用普通传感器可能连最基本的精度都达不到要求，且受到环境影响太大。作为近期热点的光纤Bragg光栅(FBG)传感器，与传统的电传感器相比，它具有非常明显的技术优势［3，4］:质量轻、体积小(普通裸光纤外径为125μm);灵敏度高(采用μm量级的光测量);耐腐蚀、耐温性好(工作温度可达400～600℃);传输距离远、抗干扰能力强;光路可弯曲，便于实现遥测。同时可实现分布或准分布式测量，即很容易在一根光纤中连续制作多个光栅，实现一根光纤测量结构空间多点或无限多自由度的功能，这是传统传感器无法实现的［5］。

1 基本构造与原理

FBG是将通信用的光纤利用紫外全息曝光而制成的一种纤芯折射率周期性变化的光栅。制作这种光纤光栅的主要制作技术是利用2个相干紫外光束形成的空间干涉条纹来照射光纤，这样就在光纤芯部形成了永久的周期性折射率调制［6］。FBG结构示意图见图1。

图1 FBG结构示意图Fig 1 Structure diagram of FBG

由于周期的折射率扰动仅会对很窄的一小段光谱产生影响，因此，如果宽谱光波在光栅中传输时，入射光在相应的波长上被反射回来，其余的透射光则不受影响，这样FBG就起到了光波选择的作用，见图2所示。

图2 FBG能量分配示意图Fig 2 Diagram of energy distribution of FBG

通过一宽谱光源从光FBG的一端入射，由于波长选择性作用，符合λB的波长就被反射回去，通过环形器送入解调装置测出光纤光栅的反射波长变化，如图3原理。

图3 FBG原理示意图Fig 3 Principle diagram of FBG

当FBG的环境物理量(如应力、温度等)发生变化时，光栅自身栅距发生变化，从而使反射回来的中心波长发生变化，通过解调装置测量反射波长的变化就可以获得待测物理量的变化情况。

环境物理量中，应变和温度是两个能直接引起反射波长变化的物理量，也是本文研究的对象。实际工程应用中测出的波长漂移量应是应变与温度耦合的结果，要分离出应变产生的波长变化，应采用一定的温度补偿措施［7］，则从总的波长漂移量中减掉温度变化产生的波长漂移值后，即可得到结构的应变值。

2 现场试验验证

2.1 试验设计

2.1.1 测点位置的确定

本试验中所用的HDPE缠绕增强管的內径为2m，试验采用2节管，总长8 m。根据分析，对于埋设在填方土体中的柔性管，变形失稳是最大的技术问题。因此，本试验工程对一个管节长中心横断面、一个管接头横断面，分别进行了应变检测。测点具体布设如图4所示。在管内壁如图示8个点处布设光栅。

图4 光纤光栅测点布设图Fig 4 Layout of measuring points of fiber grating

2.1.2 热塑管的使用

光栅部分按照先打磨、清洗粘贴部位，再用502胶固定光栅，最后表面涂环氧树脂保护的顺序进行布设。由于内壁具有弧度，为避免光纤弯折导致传感误差，将光栅之间的光纤套入热塑管进行粘贴。这样既能防潮、防污染，对光纤起到一定的保护作用，又能使光纤在热塑管内自由活动，从而减弱由于应变太大拉断光纤的可能性。但是，光栅部分没有套入热塑管是为避免热塑管吸收部分应变，影响应变传递率。

2.1.3 考虑耦合的温度标定

应该清楚的是，本文测出的波长变化是温度和应变耦合的结果，要分离出结构应变，必须得到温度变化产生的波长漂移值［8］。为此，采用的方法是:先对所用光纤光栅进行温度标定，然后检测时通过测量环境温度得到相应的波长变化值，计算得到结构应变。

温度标定时，将光栅放入盛有恒温水的容器内，并保证处于无外力施加状态，则解调仪测出的波长变化值就是因温度变化引起的，从而得到图5所示关系。由于一根光纤上有8个不同中心波长的光栅，限于篇幅，选取2根(1#，2#)光栅的温度标定结果。

图5 温度标定Fig 5 Temperature calibration

2.2 试验结果与分析

本试验采用美国Micron Optics公司生产的解调仪测量各测试点反射波长的变化，进行温度补偿后，相应应变与填土高度的关系见图6。因节点8与节点2处应变大小和规律基本一致，故不再赘述节点8的关系图;同理，节点7同节点3，节点6同节点4，节点5同节点1。

从图中可以看出:应变与填土高度之间在各点处的规律基本一致。各点均为压应力，且随填土高度增加应变增加值越来越小，最终趋于一临界值。

图6 中心截面节点2～5处应变与填土高度关系Fig 6 Relationship between strain and filling height at node 2～5 of center section

上述均为中心断面各测试点处的应变情况，管接头断面处的应变随填土高度的变化情况基本与中心断面处一致，对比相同位置处发现应变值比中心截面处的略大，这一现象与理论分析的一致。对于环形管，结构变形大就表示抗力小，相应点上的应变就可能小，这正是接头截面相对中心截面变形小而应变较大的原因。虽然接头截面处应变值略大，但仍在经验范围内，原因是柔性管材料本身决定了相对应变值小。

与此同时，采用ABAQUS软件对现场试验进行了数值模拟，图7所示为填土8 m对应的涵管变形图(为使读者清晰了解涵管的变形状态，有意加大了图显的变形比例因子)。数据显示与光纤光栅测定的应变规律一致。为检验光纤光栅所测应变值的准确性，将数值计算的结果与光纤光栅测得的结果对比(以管顶处应变值为例)，如图8所示。结果显示:光纤光栅测得的数据与数值模拟数据处于同一量级，且更小。这是由于软件模拟需要对环境参数进行合理假设，但是假设再靠近实际也不能完全代替实际。所以，光纤光栅所测数据与数值模拟数据在同一量级上已经能够说明光纤光栅检测结果的准确性和有效性。

图7 填土8m对应的涵管变形图Fig 7 Corresponding culvert deformation diagram when filling 8 m

图8 FBG检测结果与ABAQUS数值模拟结果对比Fig 8 Comparison of FBG test results and numerical simulation results of ABAQUS

3 结论

1)FBG布设时巧妙利用了热塑管，既对光栅之间的光纤进行了保护，又确保光纤能在热塑管内自由活动，避免因应变过大而拉断光纤。

2)考虑了温度与应变的耦合作用，进行了温度补偿，温度补偿的方法简单而有效。

3)FBG测量精度高，可以准确量测在较小应变范围内的应变值。应变数据体现的规律与理论分析的结果一致，显示了随填土高度增加涵管应变增加值越来越小，最终趋于一临界值的变化过程。

4)FBG检测到的结果与用ABAQUS数值模拟的结果进行了对比分析。两者数据在同一量级上，说明了光纤光栅检测结果的准确性和有效性。

［1］刘保健，谢永利，程海涛.涵管的作用荷载与影响因素分析［M］.北京:清华大学出版社，2011.

［2］刘 雄.光纤传感技术在岩土力学与工程中的应用研究［J］.岩石力学与工程学报，1999，18(5):497-502.

［3］Friebele P.Fibre Bragg grating strain sensors:Present and future applications in smart structures［J］.Optics and Photonics News，1998，9:33-37.

［4］Everall L，Gallon A，Roberts D.Optical fiber strain sensing for practical structural load monitoring［J］.Sensor Review，2000，20(2):113-119.

［5］李向舜.分布式光纤光栅传感器波长检测新技术简述［J］.传感器世界，2003，11(5):1-5.

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［7］田石柱，赵雪峰，欧进萍.结构健康监测用光纤Bragg光栅温度补偿研究［J］.传感器技术，2002，21(12):8-10.

［8］丁 勇，施 斌，俞 缙.基于BOTDR技术的隧道衬砌应变测量温度补偿实例分析［J］.防灾减灾工程学报，2007，27(3):345-350.