一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器

杨 杰，张 凯，程 琳，王赵汉，李亚明

(1.西安理工大学 水利水电学院，陕西 西安 710048；2.西安理工大学 省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室， 陕西 西安 710048；3.海南天鸿市政设计股份有限公司，海南 海口 570208)

0 引言

裂缝是判断混凝土结构健康状况的重要指标，裂缝的存在使结构的整体性遭到破坏，并造成内部钢筋的锈蚀，严重威胁结构的安全运行。在实际工程中，不同建筑物及不同工作环境使其对裂缝监测具有不同要求，研究可适应不同工程实际的裂缝传感器很有必要。光纤传感器以其安全性能高,电绝缘,抗电磁干扰能力强和耐腐蚀等优势，受到了国内外学者的广泛关注[1-7]。

近年来，随着研究的不断深入，光纤传感器在结构裂缝及位移监测方面已取得了大量研究成果。过去有学者在考虑各种弯曲半径、光纤圈数、额外弯曲角度和波长的情况下，提出了一种简单的光纤传感器弯曲损耗计算公式，且与实验数据吻合较好，并给出了光纤弯曲损耗灵敏度的简化公式[8]。李川等[9]提出了一种分布式光纤传感器，采用光时域反射计(OTDR)测量被测点的应变量或位移量，传感器位移监测量程为3 mm。近几年，程琳等[10]提出了一种齿轮传动型光纤位移传感器，使光纤弯曲损耗与位移之间呈良好线性关系，但灵敏度受光纤缠绕轴直径限制较大。李明昊等[11]基于光纤弯曲损耗原理，提出了一种U型缠绕式光纤位移传感器，该传感器理论量程可达120 mm，但在实际使用中由于光纤始终处于拉伸状态，在较大位移时光纤易被拉断。

针对以上光纤裂缝传感器在实际应用中的不足，本文基于光纤弯曲损耗原理，提出了一种灵敏度和量程可控的光纤传感器，实验验证了传感器的可行性，并对传感器的工作性能进行了评价。

1 传感器结构设计及裂缝监测原理

1.1 传感器结构设计及工作原理

光纤裂缝传感器结构如图1所示。主要传感结构为一根裸光纤两端对折穿入两段内径2 mm、长度均为3 cm的毛细钢管中。其中，光纤两端自由穿过第一段毛细钢管，其作用是约束光纤形成弯曲并保护光纤，再将光纤两端穿入第二段毛细钢管中，用环氧树脂胶将该段光纤封装在第二段毛细管中，使该段光纤与毛细钢管保持同步移动。两段毛细钢管分别固定于裂缝两侧，当裂缝发生时，两段毛细钢管将会随裂缝两侧混凝土向两侧移动，裂缝开展会拉动第一段毛细钢管中的光纤，从而引起光纤弯曲段尺寸变小；若裂缝在外部荷载作用下发生闭合，两段毛细钢管将会相互靠近，光纤弯曲段尺寸将会逐渐恢复。光纤弯曲段的尺寸变化会引起传感器光损耗值的变化，使用光功率计可以监测到这个变化过程，从而实现对裂缝的监测。主要传感原理为：在传感器中预先设置弯曲段光纤，即预先给定一个光纤损耗值，通过改变弯曲段光纤尺寸大小使光功率发生变化，再建立裂缝宽度与光损耗关系，从而实现对结构裂缝的监测。

图1 传感器结构示意图

1.2 弯曲损耗与裂缝宽度的理论关系

当光纤弯曲后，就会发生沿光纤弯曲半径方向的能量辐射，原有光波导中的传导模将变为辐射模，从而引起弯曲损耗。对于阶跃单模光纤，当弯曲半径为R时，单位长度上的弯曲损耗为

ac=AcR-1/2exp(-UR)

(1)

其中

(2)

(3)

式中：λ为工作波长；λc为截止波长；Δ为光纤芯与包层相对折射率差。

由光纤弯曲损耗原理可知，固定半径的弯曲段光纤会产生固定的损耗，损耗大小与R有关，而R与裂缝宽度Δl同样为一一对应关系。根据传感器结构可得出R与Δl的关系为

(4)

式中：a为弯曲段光纤初始半径；α为光纤与毛细钢管的夹角。

将式(4)代入式(1)可得传感器弯曲损耗与Δl的关系为

(5)

式中：ΔLs为Δl时对应的光损耗值；b为与传感器弯曲段尺寸有关的常数。

2 实验与讨论

2.1 实验过程

由光纤弯曲损耗特性可知，弯曲段尺寸较大时，弯曲损耗非常微小，光功率变化难以被仪器监测到，因此，为保证传感器具有较高的初始灵敏度，首先，通过实验确定了弯曲段光纤临界损耗尺寸，测得了最敏感直径区间。然后，通过实验验证了传感器的可行性。

实验过程为：将有机玻璃板和微位移调节平台固定在实验台上，采用环氧树脂胶将两段毛细管分别粘贴在有机玻璃板和微位移调节平台上，光纤一端连接工作波长为1 550 nm的激光光源，另一端连接光功率计。通过调节微位移调节平台模拟裂缝和控制裂缝的扩展和闭合，并记录相应的光功率计的读数和裂缝开度值。实验装置如图2所示。实验中，裂缝宽度从0开始逐渐增加，设置裂缝宽度最小给进量为0.5 mm。

图2 实验装置图

2.2 实验结果分析

光损耗值与弯曲段光纤直径对应关系的实验结果如图3所示。由图可知，初始时，弯曲段光纤直径较大(为30 mm)，光功率损耗曲线为一段水平直线，此时光纤弯曲损耗较小可忽略；当弯曲段直径达到26 mm时，光损耗曲线为一段上升曲线，曲线斜率随半径的减小而增加，此时弯曲段光纤开始产生弯曲损耗，并随着弯曲段光纤直径的不断减小光损耗持续增大，但此阶段光损耗曲线上升较平缓，损耗不明显；当弯曲段直径达到12 mm时，光损耗曲线上升明显，呈近似线性分布，此阶段光损耗对光纤弯曲直径变化非常敏感，因此,选取此阶段的弯曲段尺寸制作传感器可提高传感器的灵敏度；当弯曲段光纤直径达到5 mm时，由于毛细钢管径限制，弯曲段光纤直径不再减小。因此，对于波长为1 550 nm的光，光功率计可感知弯曲段光纤直径为(5～26) mm，最敏感直径为(5～12) mm，该敏感区间的存在为灵活控制传感器的灵敏度和量程提供了有力依据。

图3 光损耗值与弯曲段直径关系

由于过小的弯曲段初始直径会导致传感器量程减小，因此，为了保证传感器具有较高的初始灵敏性和较大的量程，在有机板玻璃板模拟裂缝监测实验中，弯曲段光纤初始直径设置为12 mm，实验结果如图4所示。

图4 光损耗值与裂缝宽度关系

由图4可知，光功率衰减对Δl的改变很敏感，光损耗值随着Δl的增加呈指数型增长，说明传感器对结构裂缝具有良好的监测能力。实验结果中模拟裂缝扩展与闭合实验曲线基本重合，可知传感器不仅能监测到结构裂缝的开展过程，还可监测到由于荷载改变导致的结构裂缝闭合过程。图4中，实验数据与理论拟合吻合度很高，由此得出当弯曲段光纤初始直径为12 mm时半经验拟合公式为

加载：

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(6)

卸载：

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(7)

取式(6)、(7)的平均式作为传感器的计算公式,即平均式为

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(8)

本次实验通过有机玻璃板模拟裂缝验证了传感器监测裂缝的可行性和有效性，传感器对0.5 mm级裂缝感知效果良好，实验中最大模拟Δl为20 mm，对应的弯曲段光纤直径为5 mm。在应用中可根据工程实际对灵敏度及量程的不同要求，控制光纤弯曲段尺寸，在满足不同裂缝监测需求的同时保证传感器的安全，建议弯曲段光纤最小直径不小于∅5 mm。

3 性能测试与分析

在实际工程中，结构裂缝随着外部荷载呈周期性变化，因此，要求传感器具有良好的稳定性和重复性。由传感器结构可知，在使用时弯曲段光纤长期保持弯曲状态，可能会产生塑性变形，影响传感器灵敏度，破坏传感器的长期稳定性。基于此，本文进行了多次裂缝扩展和闭合的监测实验，对传感器性能进行了测试。

实验装置如图5所示。采用两混凝土块模拟混凝土结构裂缝的开展与闭合，为实现对裂缝开度的精确控制，将微位移调节平台与其中一混凝土块固定，再将传感器中的两根毛细钢管分别粘贴于微位移调节平台和另一混凝土块表面。实验中设定传感器弯曲段初始直径为12 mm，裂缝最小给进量5 mm，进行10次裂缝加载和卸载实验，采用光功率计读取每一裂缝开度对应的光功率值，读数时间间隔30 min。实验结果如表1所示。

图5 实验装置图

表1 光损耗值与裂缝宽度关系表

由表1可知，性能测试实验结果与传感器验证实验结果基本一致，裂缝加载和卸载过程中同一裂缝开度对应的光功率损耗值基本稳定，极差不超过0.05 dB。实验实测光损耗值的最大标准偏差仅为0.021 8 dB，表明传感器具有良好的长期稳定性和重复性。

4 结束语

本文基于光纤弯曲损耗原理设计了一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，验证实验结果表明，传感器可很好地感知裂缝的发生并记录其扩展和闭合过程，对结构裂缝监测具有良好的重复性和稳定性。针对不同的工程实际，通过设置不同直径的弯曲段光纤可灵活改变传感器的量程和灵敏度。与现有的光纤裂缝传感器相比，该传感器具有结构简单、量程和灵敏度可控等特点，更适用于混凝土结构裂缝监测。