塑料光纖在水工建筑物運(yùn)行管理方面的應(yīng)用前景探究

摘 要：文章針對(duì)最近幾年來不斷受到重視塑料光纖進(jìn)行了簡單探討研究，主要包括塑料光纖及其應(yīng)用現(xiàn)狀、塑料光纖優(yōu)勢(shì)及其與石英光纖的簡單對(duì)比試驗(yàn)、塑料光纖裂縫傳感原理探究和塑料光纖裂縫傳感器展望，說明了塑料光纖應(yīng)用于水工建筑物健康安全監(jiān)測(cè)方面存在的可能性。

關(guān)鍵詞：塑料光纖；水工建筑物；安全健康監(jiān)測(cè)；裂縫

1 塑料光纖及其應(yīng)用現(xiàn)狀

光在光纖中傳輸依據(jù)的是光的全反射定律，當(dāng)光傳輸?shù)桨鼘雍屠w芯的交界面時(shí)（即從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)），若入射角大于臨射角，就會(huì)產(chǎn)生全反射，把光限制在纖芯中傳輸。塑料光纖也是利用上述原理來傳光的。塑料光纖是一類以光學(xué)塑料為材料制作的光纖，外部保護(hù)層為聚氨酯，內(nèi)部結(jié)構(gòu)由纖芯和包層組成。纖芯材料主要是聚甲基丙烯酸甲酯或聚苯乙烯[1]。塑料光纖的研究始于上世紀(jì)60年代，至今已有50個(gè)春秋。1968年，美國杜邦公司率先開發(fā)出PMMA塑料光纖[2]。2004年，我國首屆塑料光纖研討會(huì)在上海大學(xué)成功舉辦[3]。塑料光纖傳感器在塑料光纖出現(xiàn)后不久便應(yīng)用于實(shí)際工程中。目前經(jīng)報(bào)道的塑料光纖傳感器應(yīng)用范圍涉及結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、濕度測(cè)量、化學(xué)量測(cè)量、渾濁度測(cè)量、流量測(cè)量等方面[1]。同時(shí)也出現(xiàn)了用于測(cè)量超大應(yīng)變和液位變化的傳感器，微結(jié)構(gòu)塑料光纖熒光傳感器，塑料光纖壓力傳感器[4-7]。

2 塑料光纖優(yōu)勢(shì)及其與石英光纖的簡單對(duì)比試驗(yàn)

目前用于結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)的光纖主要以石英光纖為主，石英光纖主要成分是二氧化硅，纖芯直徑一般為5～50μm，包層直徑標(biāo)準(zhǔn)值為125μmm。塑料光纖的區(qū)別較大，纖芯為1mm的塑料光纖，其包層厚度僅為數(shù)十微米。由于塑料光纖纖芯粗、包層薄、數(shù)值孔徑大[2]，因而光能的耦合效率高[1]。

下面通過簡單的實(shí)驗(yàn)，來說明塑料光纖與石英光纖在抗彎折的優(yōu)劣。

本次實(shí)驗(yàn)包括器材有：0.3m長塑料光纖裸纖和0.3m長石英光纖裸纖若干條，透明膠帶，直尺，圓規(guī)，白紙若干張。如圖1所示，為本次實(shí)驗(yàn)的示意圖。

實(shí)驗(yàn)開始前先將光纖的一端用膠帶固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，固定長度為10cm。固定好光纖后，在光纖另一側(cè)加橫向力使光纖發(fā)生彎曲，持續(xù)加力直至光纖斷裂或光纖變形不可回復(fù)時(shí)停止加力，記錄此時(shí)的光纖彎曲半徑R和r。

采用上述方法進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)并記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得：室溫條件下（15℃），塑料光纖變形可回復(fù)最小彎曲半徑r=9mm；石英光纖不存在可回復(fù)最小彎曲半徑；塑料光纖斷裂彎曲半徑為0；石英光纖的斷裂半徑為8mm。

由實(shí)驗(yàn)可知，塑料光纖的抗彎折能力遠(yuǎn)高于石英光纖。由于塑料光纖所具備的優(yōu)越性，使得其應(yīng)用領(lǐng)域不斷增加。除過上文提到的應(yīng)用范圍，在國外，塑料光纖用于建筑物健康監(jiān)測(cè)的研究和技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于我國。比如，塑料光纖傳感器用于探測(cè)應(yīng)變、荷載、位移等物理量的變化；基于光時(shí)域反射技術(shù)的PMMA-POF和具有更低損耗的PE-GI-POF傳感器的研究[8]。

3 塑料光纖裂縫傳感原理探究

國外在塑料光纖傳感器用于建筑物安全監(jiān)測(cè)的研究主要針對(duì)應(yīng)變、位移，在裂縫監(jiān)測(cè)方面僅處于探索嘗試階段。在國內(nèi)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫探測(cè)方面的研究減少，因此有必要塑料光纖裂縫傳感器進(jìn)行研究。

光纖裂縫傳感器探測(cè)裂縫是基于微彎損耗原理，當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫時(shí)，埋入結(jié)構(gòu)中與裂縫斜交的光纖會(huì)形成兩處微彎，使得光纖中發(fā)生能量損耗-微彎損耗，形成光損耗-裂縫寬度對(duì)應(yīng)關(guān)系[1]。利用相應(yīng)儀器通過測(cè)量光損耗便可間接得知裂縫是否擴(kuò)展及擴(kuò)展大小。

式中，K為比例系數(shù)，L為光纖產(chǎn)生微彎變形部位長度，由式2可見：α與光波波狀彎曲幅度D（t）的平方成正比，即光纖微彎幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，光能輻射越多，損耗越大[9]。

4 塑料光纖裂縫傳感器應(yīng)用展望

由上文可知，塑料光纖在變形、光能耦合方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于石英光纖，預(yù)示著其在水利工程建筑物后期運(yùn)行管理中的良好前景；又知道塑料光纖在光能傳輸方面具有同于石英光纖的地方；且知道塑料光纖傳感器若應(yīng)用于水工建筑物（大壩）的裂縫檢測(cè)方面，可依據(jù)光能微彎損耗與裂縫擴(kuò)展之間存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。綜上所述，將塑料光纖傳感器應(yīng)用于水利工程建筑物后期運(yùn)行管理的健康監(jiān)測(cè)，具有更大的優(yōu)勢(shì)和一定的可能性。

但存在以下問題需要解決：首先，塑料光纖裂縫傳感器應(yīng)該怎樣組成；其次，塑料光纖裂縫傳感器是否真的能滿足光能損耗和裂縫之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；若滿足光能損耗和裂縫擴(kuò)展的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如何由測(cè)得的光能損耗值推測(cè)出裂縫擴(kuò)展情況。這些，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究來進(jìn)行驗(yàn)證。

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作者簡介：戚丹（1988，9-），女，籍貫：陜西寶雞岐山，助教，碩士研究生，單位：楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院水利工程分院，研究方向：水利水電工程監(jiān)理。