分布式光纤传感技术在混凝土结构测试中的应用

国核电站运行服务技术有限公司 李 扬 王东辉 徐 伟

在传统的混凝土结构应变测试中，通常采用表面粘贴式和埋入式应变花来测试应变变化情况，这种方法因其稳定可靠性，已经广泛的应用在各种混凝土应变测试中。近年来，随着光纤传感技术的不断发展，分布式光纤因其独有的特性而受到关注。本文使用基于瑞利散射原理的分布式光纤传感技术，对混凝土结构进行表面应变测试，并通过与常规的表面粘贴式和埋入式应变花数据对比，讨论分布式光纤传感技术在混凝土应变测试中的可行性与可靠性。同时展望分布式光纤传感技术在其他领域的应用前景。

1 分布式光纤传感技术原理

分布式光纤传感技术采用光纤做传感介质和传输信号介质，通过测量光纤中特定散射光的信号来反应光纤自身或所处环境的应变或温度的变化，一根光纤可实现成百上千传感点的分布式传感测量。它因具有全尺度低成本、耐腐蚀、抗辐射抗电磁干扰、方便布设、大容量等特性而广泛受到关注。

经过国内外学者多年的技术研究，提出了基于瑞利散射原理的分布式光纤传感技术，相比于基于拉曼散射原理和布里渊散射原理的分布式光纤，在测温、测应变的精度和范围方面都大大提升。瑞利散射原理的分布式传感光纤原理图如图1所示，光源发出的光纤呗光纤耦合器分为两路，一路经过反射镜作为参考光源返回耦合器，另一路进行测试光纤中，发生瑞利散射，并传回耦合器中。经过信号处理，识别耦合器中瑞利散射和反射光的频谱，就可以具体定位到光纤上的位置。而两种光纤的振幅衰减因子通过傅里叶变换，就可以或者变量的大小，从而进行定量的分析工作。

图1 瑞利散射技术原理

处在环境状态中的测试光纤进行初始测量后，将返回的瑞利散射信号进行分析，进而得到了应变、温度的初始数据。之后利用沿着光纤轴向方向施加的应变、温度来确定散射的性质。两个数据集合中用来在传感器位置上判断散射光光谱漂移的散射性质是交叉相关的。在基准条件下，温度或者应变的变化都会导致光纤中散射光光谱的漂移。基于OFDR的光纤分布式应变测量传感的光谱漂移解调原理如图2所示。

图2 基于OFDR的光纤分布式应变测量传感的光谱漂移解调原理

2 试验过程

2.1 试验设计

现场浇筑一根混凝土简支梁，并在浇筑时预埋振弦传感器，并在表面部分测点粘贴振弦传感器，并使用分配梁对制作好的混凝土简支梁施加集中荷载，分别为0KN、5KN、8KN、11KN、14KN、17KN、21KN，加载位置位于梁三分点处。如图3所示，通过在表面对应测点位置粘贴整根分布式光纤，试验过程中记录应变变化情况，并对比预埋和表面粘贴式的振弦传感器数据，验证分布式传感光纤在混凝土应变测试应用的可行性。

图3 静态载荷示意图

2.2 试验结果

经过分阶段的静态载荷试验，由试验结果可以看出在受到静态载荷下简支梁在中部弯矩最大，其中测点2上受到最大的压应力，测点2下受到最大的拉应力。采集的试验数据汇总如表1所示。

表1 各测点应变值汇总

3 结果分析

3.1 线性拟合结果

将测试得到的载荷和应变值进行线性拟合，6个测点的拟合结果结果如图4所示。

图4 各测点位置载荷-应变拟合结果图

3.2 数据对比

将分布式传感光纤测试的应变数据与传统的埋入式振弦传感器和表面粘贴振弦传感器测得的数据进行对比，发现分布式传感应变测试技术与埋入式振弦传感器最大误差15.1%，与表面式振弦传感器最大误差18.2%。测试过程中的数据较为稳定，该技术用于混凝土应变测试可行且稳定性高。具体结果如表2所示。

表2 与埋入式和表面式振弦传感器测量误差对比表

试验结果表明，粘贴在简支梁表面的分布式传感光纤可有效测得混凝土结构应变数据，并真实的反应混凝土结构变形，进而实现对结构的状态监测。

由上述各类数据对比可知，分布式传感光纤应变测试结果与传统的埋入式振弦传感器结果的相对误差最大为15.1%，与传统的表面式振弦传感器结果的相对误差最大为18.2%，数据的可靠性较高。且将数据进行拟合后，线性趋势能较真实地反应混凝土结构应变变化情况，光纤传感器应变测试技术的可行性较高，可以在工程监测作为一种新型应变监测技术加以推广。