一種用于混凝土結構裂縫監測的光纖傳感器

楊 杰，張 凱，程 琳，王趙漢，李亞明

(1.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048；2.西安理工大學 省部共建西北旱區生態水利國家重點實驗室， 陜西 西安 710048；3.海南天鴻市政設計股份有限公司，海南 海口 570208)

0 引言

裂縫是判斷混凝土結構健康狀況的重要指標，裂縫的存在使結構的整體性遭到破壞，并造成內部鋼筋的銹蝕，嚴重威脅結構的安全運行。在實際工程中，不同建筑物及不同工作環境使其對裂縫監測具有不同要求，研究可適應不同工程實際的裂縫傳感器很有必要。光纖傳感器以其安全性能高,電絕緣,抗電磁干擾能力強和耐腐蝕等優勢，受到了國內外學者的廣泛關注[1-7]。

近年來，隨著研究的不斷深入，光纖傳感器在結構裂縫及位移監測方面已取得了大量研究成果。過去有學者在考慮各種彎曲半徑、光纖圈數、額外彎曲角度和波長的情況下，提出了一種簡單的光纖傳感器彎曲損耗計算公式，且與實驗數據吻合較好，并給出了光纖彎曲損耗靈敏度的簡化公式[8]。李川等[9]提出了一種分布式光纖傳感器，采用光時域反射計(OTDR)測量被測點的應變量或位移量，傳感器位移監測量程為3 mm。近幾年，程琳等[10]提出了一種齒輪傳動型光纖位移傳感器，使光纖彎曲損耗與位移之間呈良好線性關系，但靈敏度受光纖纏繞軸直徑限制較大。李明昊等[11]基于光纖彎曲損耗原理，提出了一種U型纏繞式光纖位移傳感器，該傳感器理論量程可達120 mm，但在實際使用中由于光纖始終處于拉伸狀態，在較大位移時光纖易被拉斷。

針對以上光纖裂縫傳感器在實際應用中的不足，本文基于光纖彎曲損耗原理，提出了一種靈敏度和量程可控的光纖傳感器，實驗驗證了傳感器的可行性，并對傳感器的工作性能進行了評價。

1 傳感器結構設計及裂縫監測原理

1.1 傳感器結構設計及工作原理

光纖裂縫傳感器結構如圖1所示。主要傳感結構為一根裸光纖兩端對折穿入兩段內徑2 mm、長度均為3 cm的毛細鋼管中。其中，光纖兩端自由穿過第一段毛細鋼管，其作用是約束光纖形成彎曲并保護光纖，再將光纖兩端穿入第二段毛細鋼管中，用環氧樹脂膠將該段光纖封裝在第二段毛細管中，使該段光纖與毛細鋼管保持同步移動。兩段毛細鋼管分別固定于裂縫兩側，當裂縫發生時，兩段毛細鋼管將會隨裂縫兩側混凝土向兩側移動，裂縫開展會拉動第一段毛細鋼管中的光纖，從而引起光纖彎曲段尺寸變小；若裂縫在外部荷載作用下發生閉合，兩段毛細鋼管將會相互靠近，光纖彎曲段尺寸將會逐漸恢復。光纖彎曲段的尺寸變化會引起傳感器光損耗值的變化，使用光功率計可以監測到這個變化過程，從而實現對裂縫的監測。主要傳感原理為：在傳感器中預先設置彎曲段光纖，即預先給定一個光纖損耗值，通過改變彎曲段光纖尺寸大小使光功率發生變化，再建立裂縫寬度與光損耗關系，從而實現對結構裂縫的監測。

圖1 傳感器結構示意圖

1.2 彎曲損耗與裂縫寬度的理論關系

當光纖彎曲后，就會發生沿光纖彎曲半徑方向的能量輻射，原有光波導中的傳導模將變為輻射模，從而引起彎曲損耗。對于階躍單模光纖，當彎曲半徑為R時，單位長度上的彎曲損耗為

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

(1)

其中

(2)

(3)

式中：λ為工作波長；λc為截止波長；Δ為光纖芯與包層相對折射率差。

由光纖彎曲損耗原理可知，固定半徑的彎曲段光纖會產生固定的損耗，損耗大小與R有關，而R與裂縫寬度Δl同樣為一一對應關系。根據傳感器結構可得出R與Δl的關系為

(4)

式中：a為彎曲段光纖初始半徑；α為光纖與毛細鋼管的夾角。

將式(4)代入式(1)可得傳感器彎曲損耗與Δl的關系為

(5)

式中：ΔLs為Δl時對應的光損耗值；b為與傳感器彎曲段尺寸有關的常數。

2 實驗與討論

2.1 實驗過程

由光纖彎曲損耗特性可知，彎曲段尺寸較大時，彎曲損耗非常微小，光功率變化難以被儀器監測到，因此，為保證傳感器具有較高的初始靈敏度，首先，通過實驗確定了彎曲段光纖臨界損耗尺寸，測得了最敏感直徑區間。然后，通過實驗驗證了傳感器的可行性。

實驗過程為：將有機玻璃板和微位移調節平臺固定在實驗臺上，采用環氧樹脂膠將兩段毛細管分別粘貼在有機玻璃板和微位移調節平臺上，光纖一端連接工作波長為1 550 nm的激光光源，另一端連接光功率計。通過調節微位移調節平臺模擬裂縫和控制裂縫的擴展和閉合，并記錄相應的光功率計的讀數和裂縫開度值。實驗裝置如圖2所示。實驗中，裂縫寬度從0開始逐漸增加，設置裂縫寬度最小給進量為0.5 mm。

圖2 實驗裝置圖

2.2 實驗結果分析

光損耗值與彎曲段光纖直徑對應關系的實驗結果如圖3所示。由圖可知，初始時，彎曲段光纖直徑較大(為30 mm)，光功率損耗曲線為一段水平直線，此時光纖彎曲損耗較小可忽略；當彎曲段直徑達到26 mm時，光損耗曲線為一段上升曲線，曲線斜率隨半徑的減小而增加，此時彎曲段光纖開始產生彎曲損耗，并隨著彎曲段光纖直徑的不斷減小光損耗持續增大，但此階段光損耗曲線上升較平緩，損耗不明顯；當彎曲段直徑達到12 mm時，光損耗曲線上升明顯，呈近似線性分布，此階段光損耗對光纖彎曲直徑變化非常敏感，因此,選取此階段的彎曲段尺寸制作傳感器可提高傳感器的靈敏度；當彎曲段光纖直徑達到5 mm時，由于毛細鋼管徑限制，彎曲段光纖直徑不再減小。因此，對于波長為1 550 nm的光，光功率計可感知彎曲段光纖直徑為(5～26) mm，最敏感直徑為(5～12) mm，該敏感區間的存在為靈活控制傳感器的靈敏度和量程提供了有力依據。

圖3 光損耗值與彎曲段直徑關系

由于過小的彎曲段初始直徑會導致傳感器量程減小，因此，為了保證傳感器具有較高的初始靈敏性和較大的量程，在有機板玻璃板模擬裂縫監測實驗中，彎曲段光纖初始直徑設置為12 mm，實驗結果如圖4所示。

圖4 光損耗值與裂縫寬度關系

由圖4可知，光功率衰減對Δl的改變很敏感，光損耗值隨著Δl的增加呈指數型增長，說明傳感器對結構裂縫具有良好的監測能力。實驗結果中模擬裂縫擴展與閉合實驗曲線基本重合，可知傳感器不僅能監測到結構裂縫的開展過程，還可監測到由于荷載改變導致的結構裂縫閉合過程。圖4中，實驗數據與理論擬合吻合度很高，由此得出當彎曲段光纖初始直徑為12 mm時半經驗擬合公式為

加載：

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(6)

卸載：

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(7)

取式(6)、(7)的平均式作為傳感器的計算公式,即平均式為

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(8)

本次實驗通過有機玻璃板模擬裂縫驗證了傳感器監測裂縫的可行性和有效性，傳感器對0.5 mm級裂縫感知效果良好，實驗中最大模擬Δl為20 mm，對應的彎曲段光纖直徑為5 mm。在應用中可根據工程實際對靈敏度及量程的不同要求，控制光纖彎曲段尺寸，在滿足不同裂縫監測需求的同時保證傳感器的安全，建議彎曲段光纖最小直徑不小于?5 mm。

3 性能測試與分析

在實際工程中，結構裂縫隨著外部荷載呈周期性變化，因此，要求傳感器具有良好的穩定性和重復性。由傳感器結構可知，在使用時彎曲段光纖長期保持彎曲狀態，可能會產生塑性變形，影響傳感器靈敏度，破壞傳感器的長期穩定性。基于此，本文進行了多次裂縫擴展和閉合的監測實驗，對傳感器性能進行了測試。

實驗裝置如圖5所示。采用兩混凝土塊模擬混凝土結構裂縫的開展與閉合，為實現對裂縫開度的精確控制，將微位移調節平臺與其中一混凝土塊固定，再將傳感器中的兩根毛細鋼管分別粘貼于微位移調節平臺和另一混凝土塊表面。實驗中設定傳感器彎曲段初始直徑為12 mm，裂縫最小給進量5 mm，進行10次裂縫加載和卸載實驗，采用光功率計讀取每一裂縫開度對應的光功率值，讀數時間間隔30 min。實驗結果如表1所示。

圖5 實驗裝置圖

表1 光損耗值與裂縫寬度關系表

由表1可知，性能測試實驗結果與傳感器驗證實驗結果基本一致，裂縫加載和卸載過程中同一裂縫開度對應的光功率損耗值基本穩定，極差不超過0.05 dB。實驗實測光損耗值的最大標準偏差僅為0.021 8 dB，表明傳感器具有良好的長期穩定性和重復性。

4 結束語

本文基于光纖彎曲損耗原理設計了一種用于混凝土結構裂縫監測的光纖傳感器，驗證實驗結果表明，傳感器可很好地感知裂縫的發生并記錄其擴展和閉合過程，對結構裂縫監測具有良好的重復性和穩定性。針對不同的工程實際，通過設置不同直徑的彎曲段光纖可靈活改變傳感器的量程和靈敏度。與現有的光纖裂縫傳感器相比，該傳感器具有結構簡單、量程和靈敏度可控等特點，更適用于混凝土結構裂縫監測。