光纖和電阻應變片在結構變形測試中的對比試驗研究*

丁梓涵，趙其華*，彭社琴，陳繼彬，喻豪俊

（1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點試驗室，成都610059；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都610059）

光纖和電阻應變片在結構變形測試中的對比試驗研究*

丁梓涵1，趙其華1*，彭社琴2，陳繼彬2，喻豪俊2

（1.地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點試驗室，成都610059；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，成都610059）

在測量結構應變和變形時，傳統(tǒng)的電阻應變片測試技術和新型的光柵布拉格光纖傳感技術（FBG）、布里淵光時域反射技術（BOTDR）三者均具有不同的監(jiān)測原理。設計并進行了基于這三種監(jiān)測技術的簡支梁彎曲試驗，測試結構應變，對比結構撓曲變形，分析了三種監(jiān)測技術在應變測量中的精度、靈敏度、布設工藝和適用性等，評價了兩種光纖傳感技術用于結構撓曲變形測試的特性。為選擇土木工程結構監(jiān)測手段提供參考依據(jù)，對進一步研究、開發(fā)新型應變傳感器和監(jiān)測儀具有參考價值。

土木工程，應變，簡支梁彎曲試驗，電阻應變片，光纖布拉格光柵，布里淵光時域反射技術

在基礎、基坑、邊坡、地下、大壩等巖土工程中，土工結構物的變形監(jiān)測是安全監(jiān)測的重要內容。以單樁水平靜載試驗為例，樁身撓曲變形通常采用樁內預埋測斜管，用測斜儀測量的不同深度處樁截面傾角和樁頂實測位移等條件，求出樁身的撓曲變形曲線［1］。但測斜管埋設較困難，系統(tǒng)誤差較大，目前常用的方法是利用樁身表面粘貼應變片測得各斷面的彎曲應變推算樁軸線的撓曲變形。然而電阻應變片易受環(huán)境影響，且布設困難、壽命短，可能產(chǎn)生測點失效和數(shù)據(jù)不可靠等測試結果。

20世紀末，光纖傳感技術成為傳感領域最重要發(fā)明之一，其理論技術和研究應用已在一些發(fā)達國家如日本、加拿大、瑞士、美國等取得了進步［2］。光纖傳感技術在我國起步較晚，在土木工程領域尚處于發(fā)展階段。目前應用最廣泛的光纖傳感技術是光纖布拉格光柵技術（FBG）和布里淵光時域反射技術（BOTDR）［3］。FBG屬準分布式監(jiān)測，可對建筑、橋梁、大壩、隧道等實施變形和受力的實時監(jiān)測［4-6］。BOTDR能實現(xiàn)全分布式測量，且測試距離長，已在國內外一些線型工程中得到應用［7-8］。

鑒于土工結構物尤其是地下結構的變形監(jiān)測較為困難，又考慮到光纖具有抗電磁干擾、防潮耐腐、準分布式或分布式測量、測試范圍廣、集成度高、布設方便等優(yōu)點［9］，已有研究者將光纖應用于變形監(jiān)測，如將BOTDR技術用于結構健康監(jiān)測［10］；利用BOTDA技術測試水平荷載作用下PHC管樁的樁身撓度［11］；利用FBG位移傳感器監(jiān)測大壩變形的模型試驗［4］；利用布設在筏式基礎上的FBG沉降儀，測試地基土體壓縮量［11］。

由于電阻應變片和光纖的應變測試原理不同，本文基于簡支梁彎曲試驗，以實測的撓曲變形為基準，對比由光纖和電阻應變片測試結果轉化為撓曲變形的誤差，分析評價FBG和BOTDR用于結構撓曲變形的特性。

2 應變測試原理

2.1 電阻應變片

將電阻應變片粘貼于結構表面，就可將結構的應變轉化為應變片阻值的變化。應用原理是基于金屬絲的電阻應變效應，即金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化［1］。研究證明：

式中，λ為壓阻系數(shù)；μ為金屬絲材料的泊松比；E為金屬絲材料的彈性模量；ε為金屬絲材料的應變。

令K0=（1+2μ+λE），即單根金屬絲的應變靈敏系數(shù)，代表單位應變所引起的電阻相對變化。

2.2 FBG

采用激光干涉技術在光纖上刻寫周期性缺陷，形成周期性結構，相當于一個窄帶的反射鏡或濾波器［12］，如圖1所示。

圖1 光纖布拉格光柵傳感原理

研究表明，當光柵發(fā)生拉應變或遇熱時，中心波長增大；當光柵發(fā)生壓應變或遇冷時，中心波長減小。以應變?yōu)槔?，當FBG發(fā)生拉/壓應變時，光柵機械性的拉伸/壓縮會改變光柵柵距，由彈光效應會改變纖芯有效折射率，因而FBG中心波長發(fā)生漂移：

式中，ΔλB為中心波長漂移量；Δε為光柵軸向應變變化量；Kε為應變敏感系數(shù)，Kε=λB0（1-peff），λB0為初始中心波長，peff為光纖彈光系數(shù)，對于一般單模石英光纖peff=0.22；KT為溫度敏感系數(shù)，KT=λB0（α+ζ），α為熱膨脹系數(shù)，ζ為熱光系數(shù)。

因此，通過監(jiān)測光柵波長的漂移就可獲得待測物理量的變化情況。

2.3 BOTDR

光在光纖中傳播時產(chǎn)生布里淵散射光，其背向散射光的頻率相對于入射光有一個頻率移動即布里淵頻移，與此頻移相關的光纖結構和材料等特性主要受應變和溫度影響。研究證明布里淵頻移隨應變、溫度呈線性變化［13-14］，如圖2和式（3）所示。因此通過測定脈沖光的背向布里淵散射光的頻移變化量就可以實現(xiàn)分布式應變測量和溫度測量。

圖2 布里淵散射光頻率漂移量與應變量的關系

式中，vB（ε）為變化后的布里淵頻率；vB（0）為初始布里淵頻率；ε為應變；T為溫度；分別為應變、溫度變化系數(shù)，與光纖材料有關，可通過標定試驗獲得。

3 對比試驗

在兩根相同測管上分別布設電阻應變片和兩種光纖監(jiān)測元件，進行簡支梁三點彎試驗。

3.1 試驗方案

測管兩端為鉸支結構，通過在測管中點逐級施加豎向集中荷載使其產(chǎn)生彎曲變形。待每級荷載下測管變形穩(wěn)定后分別采集電阻應變儀應變讀數(shù)、BOTDR解調儀的應變讀數(shù)、FBG解調儀的光纖光柵中心波長、安裝在測管上的百分表讀數(shù)。計算并對比三種應變、撓度，再與百分表實測結果進行對比，以評價三種方法的測試性能。

此次試驗2根測管均采用長度3 m、直徑0.07 m鋁合金測斜管。沿測管軸向平均設置5個百分表以采集測管撓曲變形，百分表精度0.01 mm。通過在測管中點懸掛砝碼和重物來逐級施加豎向荷載使測管變形，第1～5級按每級2.5 kg加載，第6～8級按每級5.0 kg加載。試驗現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 試驗現(xiàn)場

沿1#測管軸向對稱面上下兩側分別布設5個電阻應變片，型號BF350-6AA（11），電阻絲軸平行管軸方向。如圖4所示。

圖4 試驗裝置示意圖

沿2#測管上下U形導槽兩側布設FBG傳感光纖和BOTDR傳感光纖，F(xiàn)BG傳感光纖采用2根直徑0.25 mm裸光纖，每0.5 m一個光柵測點；分布式傳感光纖采用1根直徑0.9 mm緊包護套光纖，可由解調儀設定每0.05 m一個測點，管端采用自然U型彎曲布設，如圖5所示。

圖5 光纖布設示意圖

電阻應變片數(shù)據(jù)采用秦皇島市信恒電子科技有限公司的靜態(tài)電阻應變儀（CM-1L-10）進行自動采集。光纖Bragg光柵的中心波長采用南智傳感公司的兩通道光纖光柵便攜式解調儀（NZS-FBG-A04）進行自動采集，該解調儀波長分辨率為1pm，解調速率為1 Hz。BOTDR分布式光纖采用南智傳感公司的光纖應變分布式測試儀（AV6419）進行自動采集并換算為應變，該解調儀應變測試精度為±50 με，空間分辨率為1 m，最高采樣分辨率為0.05 m。

3.2 布設工藝

傳統(tǒng)的電阻應變片應用較廣泛，布設工藝已相對成熟［15］，此處不再贅述?？紤]到光纖輕細柔韌，其鋪設好壞直接影響著測試結果，以FBG為例介紹其布設方法及步驟：

首先用紅光筆檢測光纖是否通路，用無纖紙蘸取高濃度酒精清潔光纖光柵以及鋁管表面待貼光纖位置，然后將光纖自然拉直，用502膠和膠布定點粘貼光柵柵區(qū)，再用環(huán)氧樹脂膠沿光纖全線涂覆，采用對應型號的護套對光纖端頭進行保護，將測管端頭的光纖冗余段自然彎曲呈U型，須保證光纖曲率半徑大于8 cm。

環(huán)氧樹脂膠具有較高的剪切強度和防水性能，因此采用直徑0.9 mm緊包護套光纖的BOTDR在布設時不需要用環(huán)氧膠粘貼，其他步驟同F(xiàn)BG布設方法一致。

4 試驗成果分析

4.1 應變

已知此次試驗采用光纖光柵的應變靈敏度系數(shù)Kε=1.183 pm/με，將采集到的中心波長按前述公式處理得到應變。將點式和準分布式應變數(shù)據(jù)進行插值擬合，繪制三種監(jiān)測方法得到的測管軸向應變曲線，如圖6所示。

圖6 測管軸向應變曲線

由圖6可得，電阻應變片、FBG準分布式、BOTDR全分布式監(jiān)測得到的軸向應變規(guī)律相似。測管上表面為壓應變，下表面為拉應變；測管軸向應變隨著集中荷載的增大而增大；最大應變的位置即為集中荷載施加的位置。

同時可得，豎向荷載5 kg時，三種測試方法得到的軸向應變值基本相同，如測管中點位置的最大拉、壓應變均為50 με。隨著荷載的增大，測得的應變值出現(xiàn)差異。豎向荷載27.5 kg時，電阻應變片測得最大壓應變280 με，最大拉應變?yōu)?60 με；FBG測得最大壓應變?yōu)?10 με，最大拉應變?yōu)?80 με；BOTDR測得最大壓應變?yōu)?40 με，最大拉應變?yōu)?20 με。

繪制測管軸向應變變化最大位置即中點的應變隨荷載變化的關系曲線，如圖7所示。

擬合直線的斜率，得到電阻應變片靈敏度KR= 11.01 με/kg，F(xiàn)BG靈敏度Kλ=16.25 με/kg，BOTDR靈敏度為Kf=12.22 με/kg。由此可得光纖光柵FBG靈敏度高于BOTDR和電阻應變片。

利用光纖測試時，BOTDR所測拉、壓應變和彎曲應變均小于FBG，這是由于BOTDR空間分辨率為1 m，即每一時刻傳感光纖上獲得的信息是這1 m傳感光纖上信號的積累和疊加，因此對于長度3 m的測管而言，在集中荷載施加處BOTDR所測軸向應變小于真實值。

圖7 測管中點應變-荷載的關系

4.2 撓度

根據(jù)軸向應變和撓曲的關系，推算梁的彎曲形態(tài)，如圖8所示。

圖8 管件彎曲變形示意圖

梁中性層的曲率與彎矩關系為

梁的撓曲近似微分方程為

兩次積分后可得梁的撓曲線方程如下

其中，梁的位移邊界條件為兩端支點固定，可求解出積分常數(shù)C、D值。應變片、感測光纖與中性面的距離y=0.035 m。對應變沿管長進行等距離差值加密并磨光處理，帶入式（9）進行積分運算可得測管撓度。

將不同荷載下應變片測試值和光纖測試值與百分表實測值進行對比，如圖9所示。

圖9 測管撓度分布曲線

由圖9可得，除測管兩固定端處位移為零外，同一級荷載下由三種應變測試方法計算得到的撓度值均小于等于百分表實測值，且測管中點即加載位置處的撓度差值最大。豎向荷載較小時，測管撓度較小，三種方法的測試值與百分表實測值基本一致，差值均小于0.2 mm；隨著荷載增大，測試值與實測值出現(xiàn)逐漸增大的偏差。最大荷載27.5 kg時，應變片、FBG、BOTDR計算撓度值分別為比百分表實測值小1.533 mm、0.641 mm、1.275 mm。

計算測管中點處的撓度相對百分表實測值的誤差，如表3所示。

表3 測管中點撓度測試值的誤差 單位：%

由表3可得，三種應變測試方法得到的管身撓度均存在一定的誤差，且誤差隨著集中荷載的增大而增加。除了與測試精度有關外，還避免不了受梁的撓曲線近似微分方程積分誤差的影響。三種應變測試方法得到的管身撓度誤差對比為：FBG＜BOTDR＜電阻應變片。

5 對比分析

從精度、測試范圍、布設工藝、溫度補償方面對比分析電阻應變片、FBG、BOTDR的性能。

①定位精度及測量范圍

電阻應變片屬于點式監(jiān)測，應變片布設位置即測點位置，無布設的位置需通過推算得出應變。由于導線的增長會使電阻增大，影響測試結果，因此測試對象尺寸不易過大。

準分布式FBG監(jiān)測本質是光柵測點，光柵間距最小可達5 cm。在無光柵的位置無法監(jiān)測應變，需通過推算得出。FBG在刻寫光柵時使其中心波長在光譜解調儀帶寬范圍內，且保證串接光柵中心波長初值有一定的差異，因此一根光纖上FBG數(shù)量是有限的，決定了監(jiān)測對象尺寸有限。

全分布式BOTDR集感知和傳輸于一體，理論上可以監(jiān)測布設光纖沿線的所有點的應變和溫度。通過解調設備設置采樣分辨率，即測點間距最小可達5 cm，但是受光源、信號處理等因素的影響，其空間分辨率為1 m且目前不能更小，所測應變無法定位至精確位置。目前BOTDR測試量程可達80 km。

②測試精度

應變測試方法的讀數(shù)精度由解調儀決定。本次試驗采用的CM-1L-10靜態(tài)電阻應變儀，測試范圍0～±25 000 με，測試精度0.2%FS±2 με。NZSFBG-A04光纖光柵解調儀，波長分辨率為1 pm，相當于精度為1 με。AV6419BOTDR應變/溫度解調儀，應變測試精度為±50 με。目前光纖布拉格光柵應變測試技術精度最高。

③應變極限

電阻應變片一般可測1%左右的相對形變，約為10 000 με。光纖光柵波長調諧范圍一般在±5 nm左右，即拉伸或壓縮應變不超過5 000 με。

④溫度補償

采用電阻應變片測試時會受溫度影響，而FBG和BOTDR對應變和溫度具有雙敏感性，都須進行溫度補償。本次試驗采用在結構對稱面布設監(jiān)測元件，故實現(xiàn)了溫度自補償。無法實現(xiàn)溫度自補償時，可采用在同一溫度場內、同一被測構件材料上增設一個不受外力作用的應變片、光纖（光柵）的方法，測其溫度響應。除此之外，光纖測試時還可通過拉曼散射光光強與絕對溫度的關系，利用ROTDR技術對溫度進行監(jiān)測，以排除溫度的干擾，修正應變結果。一般進行小范圍、短期監(jiān)測如室內試驗，或溫差＜5℃時，可忽略溫度對應變的影響。

⑤布設工藝

用于結構應變測試時，電阻應變片須逐個粘貼，并焊接應變片引線和電纜線，根據(jù)電橋連接于電阻應變箱，工藝較為復雜費時；且須注意應變片引線和導線不得與鋁質管材接觸導致短路。準分布式和分布式光纖測試技術，集“傳”“感”于一根光纖，可沿測線涂覆，連接解調儀時只需1～2個通道即可，較為方便。

6 結論

上述對比分析表明，在測試結構應變和撓曲變形方面，相較傳統(tǒng)電阻應變片，兩種光纖測試技術的監(jiān)測精度和靈敏度更高、布設工藝更方便。其中，BOTDR技術由于空間分辨率的限制，不宜應用于小型土木工程結構的變形測試，但由于其測試范圍較大的優(yōu)勢，適合于大壩、隧道等大型工程監(jiān)測；FBG監(jiān)測技術適合做高精度、局部性的結構監(jiān)測，適合于抗滑樁等水平受荷結構物的撓曲變形監(jiān)測，也可進一步優(yōu)化設計以FBG為元件的測斜儀，豎向或水平埋置，可用于土體水平位移或沉降監(jiān)測，具有廣闊的應用前景。

根據(jù)具體工況和監(jiān)測對象選擇合適的傳感方法及設備，充分發(fā)揮光纖傳感器的優(yōu)越性，可在土木工程結構中推廣應用。

致謝：感謝蘇州南智傳感科技有限公司提供試驗場地，施斌、魏廣慶、孫義杰前輩指導試驗進行!

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丁梓涵（1990-），女，碩士研究生，主要從事地質工程方面的研究，1325670994@qq.com；

趙其華（1965-），男，教授，博士生導師，同濟大學博士后，主要從事巖土工程、地質工程方面的研究，zhqh310@qq.com。

Research on Comparison of Optical Fiber and the Resistance Strain Gauge in the Structural Deformation Test*

Ding Zihan1，Zhao Qihua1*，Peng Sheqin2，Chen Jibin2，Yu Haojun2
（1.State Key Laboratory of GeoHazard Prevention and GeoEnvironment Protection，Sichuan，Chengdu 610059，China；2.College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Sichuan，Chengdu 610059，China）

When the strain and deformation of the structure were measured，the three methods，the traditional resistive strain gauge，fiber bragg grating（FBG）and brillouin optical time domain reflection（BOTDR）have different principles.Based on these three monitoring technology，a bend test of simply supported beam was designed，then the strain and the deflection of the simply supported beam were gained.Through comparing the calculation and the measurement deflection，the accuracy and sensitivity of the three kinds of monitoring technology in the strain and deflection test were analyzed.At the same time，the characteristics of these two kinds of optical fiber sensing technology were evaluated.It provides reference basis for choosing better methods in the civil engineering monitoring，and it worth of researchment and development for the new strain sensor and monitor.

civil engineering；strain；bend test of simply supported beam；resistance strain gage；fiber bragg grating；brillouin optical time domain reflection

TU443

A

1004-1699（2015）08-1149-06

??7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.08.009

項目來源：國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（2011CB013501）；長江學者和創(chuàng)新團隊發(fā)展計劃項目（IRT0812）

2015-04-01 修改日期：2015-06-03