分布式光纖傳感器應變傳遞性能分析及試驗研究*

毛江鴻，何 勇*，金偉良，邵劍文

(1.浙江大學結構工程研究所，杭州310058 2.浙江大學建筑設計研究院，杭州 310027)

分布式光纖應變傳感技術具有分布式、高精度、實時性等特點，非常適用于大型土木工程結構的分布式應變檢測，已在橋梁檢測［1］、隧道健康診斷［2－3］、海底管道監測［4］、建筑物健康監測［5］等領域得以應用。結構健康狀況診斷和評估時，應變信息的精確性決定了其有效性和準確性。分布式光纖傳感技術由處理應變信號的主機及感應結構應變信號的分布式光纖傳感器組成，其中主機測量精度由儀器自身技術參數控制［6］，而分布式光纖傳感器對結構應變的感應能力因埋設工藝、傳感光纖特性、傳感器結構特征而不同。目前，分布式光纖傳感器主要通過在結構物表面開鑿鋪設，亦可附著在鋼筋表面［7］進行監測，采用 FRP 筋［8］和氣吹－灌漿技術［9］是目前將傳感光纖埋入混凝土內部較為有效的方法。各種形式的分布式光纖傳感器結構模型主要由包層、涂覆層、護套層、填充層(粘結層)、微管層等中間層組成，且針對不同施工環境需選擇不同中間層厚度及材料。由剪滯理論［10］可知，結構應變通過各中間層剪切作用傳遞至傳感光纖纖芯，部分應變由于中間層彈性模量差異被損耗;李宏男等人［11－12］引入光纖傳感器中點與基體應變變化率相同的假設，推導得到多層界面應變傳遞公式;高俊啟［13］通過理論研究分析了護套層和涂覆層對分布式應變測量精度的影響;劉德華［14］通過有限元分析了光纖傳感器的中間層厚度及彈性模量對應變傳遞的影響。上述理論研究闡明了分布式光纖應變傳遞原理并指出中間層厚度及彈性模量會影響光纖傳感器的應變感應能力，但尚需試驗進行驗證。浙江大學結構工程研究所通過理論分析和試驗，研究了采用氣吹－灌漿技術研制的埋入式分布式光纖傳感器的工作性能，然而該傳感器僅適用于新建結構監測［15］。對于已建結構，常通過在結構物表面開槽后采用粘結劑布設傳感光纖，形成表面式分布式光纖傳感器。兩種形式的分布式光纖傳感器均為多中間層傳感器模型，具有相同的應變傳遞原理。因此，為完善分布式光纖傳感技術在土木工程健康監測領域的應用，需通過理論和試驗系統研究適用于不同工程結構特點的光纖傳感器的工作性能。

本文介紹了基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術和分布式光纖傳感器的多中間層的應變傳遞原理，并分析了中間層物理參數改變對光纖傳感器應變傳遞性能的影響。對由不同物理特性的傳感光纖、粘結劑以及不同厚度填充層組成的分布式光纖傳感器進行了試驗研究，為工程應用過程中分布式光纖傳感器的優化設計提供指導。

1 分布式光纖應變檢測方法

1.1 分布式光纖傳感技術

基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術利用光纖應力和溫度變化引起布里淵散射光中心頻移改變這一特性，實現長距離光纖的應變和溫度檢測。光纖的布里淵頻移量與光纖應變、溫度之間存在線性關系，其關系如式(1)所示［16］:

式中，νB(0)為初始應變、初始溫度時布里淵中心頻率，νB(ε，T)為在應變 ε、溫度T時布里淵頻移量，dνB/dT溫度比例系數，dνB/dε 為應變比例系數，TT0為光纖溫度差;ε為光纖應變變化量。

1.2 分布式光纖傳感器埋設工藝

目前，結構健康監測領域中采用的應變傳感光纖需在涂覆層外添加護套層，以防止施工過程中的機械破壞。對于表面粘結形式的分布式光纖傳感器，結構存在包層、涂覆層、護套層及粘結層，共四個中間層(圖1a)。采用氣吹－灌漿技術的鋪設分布式光纖傳感器，存在包層、涂覆層、護套層、水泥漿填充層及微管層，共五個中間層(圖1b)。

圖1 分布式光纖傳感器結構圖

1.3 分布式光纖傳感器應變傳遞原理

由上述分析可知，兩種傳感器鋪設工藝將形成不同結構形式的光纖傳感器，從而使得表現出不同的應變監測性能。分布式光纖傳感技術的應變感應元件為光纖纖芯，結構基體應變通過剪力傳遞至纖芯，兩種結構形式的分布式光纖傳感器均可采用多中間層剪滯理論模型［10－14］建立應變傳遞公式，其結構模型如圖2所示。圖中，τ代表各中間層在接觸面上的剪應力，σ表示由剪應力引起的光纖軸向的正應力值;dσ為沿光纖長度方向的軸向正應力增量;r為各中間層的半徑，其中下標f、t、h、n和w分別表示纖芯、涂覆層、護套層、填充層和微管層。

圖2 分布式光纖傳感器應變傳遞原理圖

理論模型分析時，引入如下假定:(1)各中間層材料為線彈性，光纖不直接承受外力，通過中間層剪應力使其產生應變;(2)纖芯和包層物理特性相同;(3)各粘結層之間粘結緊密，不存在相對滑移。

根據多中間層剪滯理論［11－12］，并采用上述假定得出光纖與基體之間的應變傳遞公式:由分布式光纖傳感技術原理可知，采樣點應變是其空間分辨率長度范圍內光纖應變的綜合反映，

空間分辨率以外的光纖應變對采樣點的應變不存在影響，在文獻［15］中建立了采樣點的平均應變傳遞率公式為:

其中

式中，x為采用點的空間位置，εf(x)為纖芯應變，εm為基體應變，Ef、Ei分別為纖芯和中間層彈性模量，Gi為中間層剪切模量，ri為中間層半徑，L為1/2空間分辨率大小。

由上述可知，光纖采樣點平均應變傳遞率和各中間層的物理性質有關，改變中間層的彈性模量和外徑將引起采樣點獲取的基體應變改變。本文從傳感光纖類型、粘結材料特性、微管材料等影響因素出發，通過理論分析和試驗研究系統分析分布式光纖傳感器應變傳遞性能。

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

2 應變傳遞性能理論分析

2.1 光纖特性影響

分布式光纖傳感技術的傳感光纖為普通單模光纖，無需對纖芯、包層及涂覆層進行特殊處理，但需依據鋪設環境設置不同的護套層厚度。因此，光纖特性對應變傳遞性能的影響由光纖外徑改變引起，通過改變傳感光纖半徑，繪制應變傳遞率同傳感光纖半徑的關系曲線，分析研究不同直徑光纖傳感器的應變傳遞性能。模擬分析時，外徑10 mm(該值對應后續試驗研究中凹槽深度)的粘結劑分別采用環氧樹脂和水泥砂漿，光纖護套層、環氧樹脂及水泥砂漿彈性模量分別設置為4 GPa、2.8 GPa和10 GPa，其余中間層參數可參見文獻［11］，其關系曲線如圖3所示。

圖3 平均應變傳遞率與光纖外徑關系圖

由圖3可知，兩條關系曲線出現相反的變化趨勢，采用水泥砂漿粘結劑鋪設的傳感光纖隨著外徑增加其α值減小，而采用環氧樹脂粘結劑其α值變化趨勢相反，但變化幅度相對較為平緩。對于已建結構，采用環氧樹脂等柔性粘結劑具有良好的粘結性能，此時選擇外徑較大的傳感光纖可獲取較高的測試精度;水泥砂漿等粘結劑具有較大的彈性模量，其應變傳遞性能較好，選用外徑小的傳感光纖有利于提高應變測試精度。

2.2 粘結材料影響

表面式光纖傳感器鋪設用的粘結劑較為常用的是環氧樹脂等彈性模量較低的橡膠類粘結劑，建筑結構中也可使用水泥砂漿等硬質粘結劑。通過改變粘結劑彈性模量繪制應變傳遞率同粘結劑彈性模量的關系曲線。分析時傳感光纖分別采用外徑為900 μm和3 mm的緊套光纖，其護套層彈性模量為4 GPa，粘結層外徑為10 mm，關系曲線如圖4所示。

圖4 平均應變傳遞率與粘結劑彈性模量關系圖

由圖4可知，外徑為900 μm和3 mm的傳感光纖的采樣點平均應變傳遞率隨著粘結劑彈性模量增加而增大，最后趨近于穩定。

由圖4可知，粘結劑分別采用環氧樹脂和水泥砂漿時，外徑900 μm的傳感光纖與外徑3 mm的傳感光纖的應變傳遞率相差－0.013%和0.066%;由圖3可知，傳感光纖外徑分別采用900 μm和3 mm時，水泥砂漿與環氧樹脂鋪設的傳感光纖應變傳遞率相差0.138%和0.069%。由此可知，光纖護套層與粘結層之間彈性模量的差值對應變傳遞性能的影響較傳感光纖外徑差異的影響明顯。綜上所述，為獲取高精度應變結果，表面式光纖傳感器最優化的組合是采用同基體彈性模量相近(約為30 GPa)的硬質粘結劑且鋪設小直徑傳感光纖。

2.3 填充層厚度影響

埋入式光纖傳感器需在混凝土澆筑前預埋微管，同時微管直徑的選擇需對結構應力場和結構體型進行綜合考慮，采用不同外徑微管時填充層厚度改變將引起埋入式傳感器應變傳遞性能的差異。而表面式光纖傳感器的填充層厚度和埋設過程中開鑿深度相關，粘結材料可選擇環氧樹脂或水泥漿。圖5模擬了填充層厚度對應變傳遞的影響，該模型水泥漿填充層及微管層的彈性模量分別選用10 GPa和70 GPa，泊松比為0.25和0.3，傳感光纖采用 3 mm緊套光纖。

圖5 平均應變傳遞率與填充層半徑關系圖

由圖5可知，采樣點平均應變傳遞率隨填充層半徑增加而減小，由于微管層作用，在相同條件下，表面式光纖傳感器比埋入式光纖傳感器具有更好的工作性能。當填充層半徑小于15 mm時，兩者的采樣點平均應變傳遞率均大于95%，可認為傳感器能有效地感應基體應變。

3 應變傳遞性能試驗研究

3.1 試驗設計

鋼筋混凝土梁為2 600 mm×150 mm×300 mm，混凝土強度為C30，配置兩根 HRB335級直徑16 mm受拉主筋。為考察光纖特性、粘結材料及微管外徑對應變傳遞性能的影響，表面式光纖傳感器采用外徑900 μm和3 mm緊套光纖作為傳感光纖，并分別使用水泥砂漿、環氧樹脂及水泥砂漿拌和建筑膠水作為粘結劑鋪設。埋入式傳感器的應變傳遞性能已在文獻［15］進行了系統分析，本文將略去該部分的試驗結果分析。為標定各傳感光纖，分別在跨中位置的梁頂、梁底混凝土及受拉鋼筋表面布置電阻應變片，截面內傳感器布置如圖6所示，各傳感元件詳細布置及編號如表1所示。

圖6 截面傳感元件分布圖

表1 傳感光纖匯總表

由DITEST STA－R型BOTDA記錄光纖應變值，設置采樣點間隔為0.1 m，空間分辨率為0.5 m。對上述各梁進行四點加載彎曲試驗，純彎曲段長度為1 m，共分為12個荷載等級，每個加載等級持荷10 min以上。為消除溫度對應變測量影響，在試驗梁旁邊設置自由光纖以進行溫度補償，試驗布置如圖7所示。

圖7 試驗布置圖

3.2 光纖特性影響

由理論分析可知，護套層與基體之間彈性模量的差值及傳感光纖外徑尺寸均會影響兩者之間的應變傳遞性能。本文在梁B1的梁頂及梁底混凝土布設外徑900 μm和3 mm的緊套光纖，各傳感光纖均通過環氧樹脂粘結，各傳感器的跨中應變如圖8所示。

圖8 不同光纖特性的跨中光纖應變對比圖

該梁的粘結劑為低彈性模量的環氧樹脂(小于光纖護套層)，理論分析表明平均應變傳遞率隨傳感光纖外徑增加而增大。由圖可知，受拉區傳感光纖 FB－3的應變測試值較傳感光纖 FB－0.9大，其測試應變約為電阻應變片的0.851和0.778倍;受壓區傳感光纖 FT－3的應變測試值也較傳感光纖 FT－0.9大，其試驗標定系數分別約為0.840和0.776，該變化規律與理論分析一致。

3.3 粘結材料影響

相比水泥砂漿粘結劑，水泥砂漿拌和建筑膠水作為粘結劑具有更好的粘結性能，相同配合比的兩種粘結劑彈性模量相近(約10 GPa)。環氧樹脂作為橡膠類粘結劑，具有良好的粘結性能，但其彈性模量(約2.8 GPa)和基體混凝土(約30 GPa)相差較大。本文在B2梁的梁頂及梁底混凝土三條預留槽內分別由水泥砂漿、環氧樹脂及水泥砂漿拌和建筑膠水粘結3 mm傳感光纖，比較不同彈性模量粘結劑的應變傳遞性能，各傳感器跨中應變如圖9所示。

圖9 不同粘結材料的跨中光纖應變對比圖

由圖9可知，彈性模量較大的砂漿類粘結劑感應應變的能力相比環氧樹脂粘結好，受拉區傳感光纖FB－S、FB－J及FB－H的試驗標定系數分別為0.846、0.794 及0.686，受壓區傳感光纖 FT－S、FT－J及 FT－H分別為 0.835、0.837及0.659。試驗表明，是否拌和建筑膠水對配合比相同的水泥砂漿粘結劑的應變傳遞性能影響不大，但其粘結性能會有較大改善，采用環氧樹脂作為粘結劑時其應變敏感性明顯較其它兩種粘結劑低。

4 結論

分布式光纖應變檢測技術的測量精度不僅取決于設備自身技術參數，還與感應結構應變信號的分布式光纖傳感器的結構組成有關。本文對影響分布式光纖傳感器應變傳遞性能的各參數進行了理論分析和試驗研究，得出如下結論:

(1)對于已建結構，采用環氧樹脂等柔性粘結劑具有良好的粘結性能，此時選擇外徑較大的傳感光纖可獲取較好的測試精度;水泥砂漿等粘結劑具有較大的彈性模量，其應變傳遞性能較好，選用外徑小的傳感光纖有利于提高應變測試精度。

(2)對于新建結構，采用氣吹－灌漿技術可實現混凝土內部分布式光纖傳感器的快速、有效鋪設，該類傳感器具有較好的應變傳遞性能。理論分析和試驗研究［15］表明，埋入式光纖傳感器測量精度隨外徑減小、微管彈性模量增大而提高。

(3)試驗結果和理論分析具有一致的規律性，通過理論分析建立的多中間層應變傳遞模型能有效分析分布式光纖傳感器的應變傳遞過程，且可應用于分布式光纖傳感器的參數優化設計。同時為獲取精確的結構應變信息，工程應用前需進行分布式光纖傳感器標定試驗研究。

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