王嘉誠,張丹,閆繼送,李博,施斌

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210093;2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所,山東青島 266555)

?

分布式傳感光纜循環(huán)疲勞性能的測試方法

王嘉誠1,張丹1,閆繼送2,李博1,施斌1

(1.南京大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,南京 210093;2.中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所,山東青島 266555)

摘要:分布式光纖監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)逐漸應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,但是針對傳感光纜在經(jīng)受循環(huán)應(yīng)力之后其傳感性能的變化情況,目前尚未開展深入的研究。針對在室內(nèi)試驗(yàn)及各類監(jiān)測工程中,模擬荷載、溫度以及環(huán)境條件的變化而使光纜經(jīng)受反復(fù)循環(huán)應(yīng)力的情況,設(shè)計(jì)了3個(gè)試驗(yàn),對分布式傳感光纜的循環(huán)疲勞性能進(jìn)行了標(biāo)定,得到了不同工況下光纜的應(yīng)變衰減曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明,光纜初始應(yīng)變越大,循環(huán)頻率越高,光纜應(yīng)變的衰減量和衰減速率越大。

關(guān)鍵詞:分布式傳感;傳感光纜;循環(huán)疲勞;標(biāo)定;應(yīng)變

0　引 言

隨著光纖通信技術(shù)的發(fā)展,在20世紀(jì)70年代,一種以光為載體,光纖為媒介,感知和傳輸外界信號(hào)的傳感技術(shù)(光纖傳感技術(shù))應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展。分布式光纖傳感技術(shù)是近幾年發(fā)展較為迅速的技術(shù)之一,主要包括OTDR(光時(shí)域反射)[1]、BOTDA(布里淵光時(shí)域分析)[2]、BOTDR(布里淵光時(shí)域反射)[3]和BOFDA(布里淵光頻率分析)[4]技術(shù)等。在眾多領(lǐng)域,如隧道工程[5]、結(jié)構(gòu)工程[6]以及邊坡及基坑工程[7]等,都得到了成功的應(yīng)用。

在室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場監(jiān)測等條件下,傳感光纜受到各種因素的影響,長期處于一種受力循環(huán)波動(dòng)或不斷變化的狀態(tài),光纜的變形狀態(tài)也隨之發(fā)生循環(huán)變化。目前,國內(nèi)外對循環(huán)荷載作用下傳感光纜性能的研究還不深入,光纜性能是否隨之發(fā)生了改變,以及改變的程度還未見報(bào)道。因此,開展傳感光纜循環(huán)疲勞效應(yīng)的研究對于分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的意義。

本文針對這一問題,研制了分布式傳感光纜循環(huán)疲勞測試裝置,提出了循環(huán)疲勞測試方法,并以工程監(jiān)測及室內(nèi)試驗(yàn)中常用的2 mm聚氨酯護(hù)套傳感光纜為例,分析研究了其處于受力循環(huán)狀態(tài)下的應(yīng)變衰減規(guī)律,獲知了該光纜的循環(huán)疲勞性能。

1　試驗(yàn)設(shè)備

分布式傳感光纜疲勞性測試裝置由導(dǎo)軌平臺(tái)、直線電機(jī)平臺(tái)、直線電機(jī)、光柵尺及讀數(shù)頭、力傳感器、三爪卡盤、電控箱、電纜以及機(jī)械、電氣附件等組成。直線電機(jī)平臺(tái)置于導(dǎo)軌平臺(tái)上,可沿導(dǎo)軌進(jìn)行自由地直線運(yùn)動(dòng)。直線電機(jī)在直線電機(jī)平臺(tái)的一定范圍內(nèi)沿直線自由移動(dòng),其最大活動(dòng)范圍為405 mm,即進(jìn)行光纜拉伸試驗(yàn)時(shí)的拉伸范圍。三爪卡盤,一個(gè)固定于導(dǎo)軌的一端,另一個(gè)固定于直線電機(jī)一側(cè),用于夾持傳感光纜。光柵尺固定于導(dǎo)軌平臺(tái)的側(cè)面,并設(shè)置有兩個(gè)可活動(dòng)的讀數(shù)頭裝置,分別與直線電機(jī)平臺(tái)和直線電機(jī)相連并固定,用于測量直線電機(jī)平臺(tái)和直線電機(jī)的相對坐標(biāo)位置,可通過計(jì)算機(jī)終端顯示和控制;在直線電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器處配備力傳感器裝置,實(shí)時(shí)測量光纜的拉力,也可在計(jì)算機(jī)終端顯示和控制。分布式傳感光纜疲勞性能測試裝置如圖1所示。

圖1　分布式傳感光纜疲勞性能測試裝置

在進(jìn)行光纜的疲勞性能測試時(shí),首先固定直線電機(jī)平臺(tái)的位置,調(diào)整直線電機(jī)的初始位置,然后利用三爪卡盤將光纜咬合固定。直線電機(jī)開始工作后可以由傳感系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋其運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度,以及光纜拉力等參數(shù),并通過計(jì)算機(jī)軟件改變這些參數(shù)或通過文件自定義運(yùn)動(dòng)軌跡等方式進(jìn)行多種模式的測試工作,以滿足不同要求下光纜疲勞性能的測試工作。傳感光纜應(yīng)變數(shù)據(jù)采集裝置為BOTDA儀,型號(hào)為NBX-6050A。

2　傳感光纜循環(huán)疲勞測試方法

本文以2 mm聚氨酯護(hù)套應(yīng)變傳感光纜為例,分別針對監(jiān)測工程中常見的工況設(shè)計(jì)了3個(gè)試驗(yàn)方案,測試不同情況下傳感光纜的性能變化,即針對各類工程中光纜應(yīng)變變化速率不同的情況,設(shè)計(jì)了不同循環(huán)頻率對光纜傳感性能影響的試驗(yàn);針對光纜拉、壓周期變化以及監(jiān)測過程中光纜可能會(huì)處于松弛狀態(tài)的情況,設(shè)計(jì)了不同靜置時(shí)間對光纜傳感性能影響的試驗(yàn);針對安裝時(shí)需要對光纜進(jìn)行預(yù)拉伸的情況,設(shè)計(jì)了不同初始應(yīng)變對光纜傳感性能影響的試驗(yàn)。

在試驗(yàn)過程中,光纜測試段總長約為1 m,使光纜做反復(fù)循環(huán)振動(dòng),振幅為1 mm,即光纜的應(yīng)變變化范圍約為±1 000με,之后在保持光纜拉伸位移相同的情況下測量光纜的應(yīng)變量。由于測試段兩端應(yīng)力相對較集中,因此每次取測試段中部0.7 m的應(yīng)變數(shù)值作為有效數(shù)據(jù),并以其平均值作為測試段應(yīng)變量。在試驗(yàn)過程中,記錄溫度的變化并對采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

為了檢驗(yàn)試驗(yàn)過程中三爪卡盤沒有出現(xiàn)松動(dòng),在三爪卡盤的外側(cè)加裝百分表,并將百分表測量桿與光纜固定,如圖2所示。如果在試驗(yàn)過程中百分表讀數(shù)保持不變,則說明三爪卡盤與被測試光纜咬合良好,傳感光纜測試段應(yīng)變的衰減不是由于三爪卡盤松動(dòng)造成的。

圖2　三爪卡盤咬合狀態(tài)檢測方法

3　數(shù)據(jù)分析

3.1傳感光纜應(yīng)變衰減曲線分析

取一段未經(jīng)拉伸的光纜,穿過三爪卡盤后咬合固定,通過控制直線電機(jī)將其拉伸一定位移,并以此作為直線電機(jī)的初始狀態(tài)。采用BOTDA儀測量拉伸段的應(yīng)變量,并以此值作為試驗(yàn)初值,而后以初始狀態(tài)位移為最大位移,通過光纜疲勞性能測試裝置對其進(jìn)行振動(dòng)頻率為3 Hz的周期拉伸。振動(dòng)一定次數(shù)后,使直線電機(jī)回到初始狀態(tài),采用BOTDA儀測量拉伸段的應(yīng)變量,之后重復(fù)上述過程,得到圖3所示的光纜應(yīng)變衰減曲線。可以發(fā)現(xiàn),光纜應(yīng)變的衰減過程大體上分為3個(gè)階段:I階段為快衰減階段,是應(yīng)變衰減的初期,應(yīng)變值衰減迅速且近乎線性;II階段為慢衰減階段,是應(yīng)變衰減的中期,應(yīng)變值衰減速度明顯減慢;III階段為穩(wěn)定階段,是應(yīng)變衰減的后期,應(yīng)變值逐漸趨于穩(wěn)定。

圖3　振動(dòng)頻率為3 Hz時(shí)的光纜應(yīng)變衰減曲線

從圖中還可看出,獲得的衰減曲線近似于指數(shù)型。采用式(1)對所測應(yīng)變點(diǎn)進(jìn)行整體擬合分析,得到圖4所示的應(yīng)變衰減擬合曲線。相應(yīng)的擬合參數(shù)見表1。

式中,y為光纜應(yīng)變;A1、A2為常數(shù);x為光纜進(jìn)行周期拉伸的次數(shù);t1、t2分別為快衰減階段和慢衰減階段循環(huán)周數(shù)(×103);y0為穩(wěn)定階段應(yīng)變值。

表1　光纜應(yīng)變衰減曲線的擬合參數(shù)

圖4　光纜應(yīng)變衰減擬合曲線

3.2振動(dòng)頻率對光纜應(yīng)變的影響

為了研究振動(dòng)頻率對應(yīng)變衰減的影響,在上一節(jié)3 Hz試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,又分別進(jìn)行了振動(dòng)頻率為6 和9 Hz的測試。對這3組數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,即各自取初始應(yīng)變?yōu)?,以不同循環(huán)周次的應(yīng)變值與初始值的比值作為縱坐標(biāo),得到圖5所示的不同振動(dòng)頻率下光纜應(yīng)變衰減曲線。采用公式(1)分別對所得的3組標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行整體擬合,并對擬合后的方程分別取導(dǎo),令x=0,得到0點(diǎn)處的衰減速率, 即A1/t1+A2/t2;取1-y0,即標(biāo)準(zhǔn)化后的衰減量,所得參數(shù)如表2所示。

圖5　不同振動(dòng)頻率下的光纜應(yīng)變衰減曲線

由圖5和表2可知,振動(dòng)頻率不會(huì)改變應(yīng)變衰減曲線的整體變化趨勢,3組試驗(yàn)都是在振動(dòng)了10 000次左右結(jié)束了快衰減階段。但是,隨著振動(dòng)頻率的增大,還同時(shí)出現(xiàn)了兩個(gè)比較明顯的變化特征:(1)I階段應(yīng)變衰減速率增大;(2)達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),應(yīng)變的衰減量增大。

表2　不同振動(dòng)頻率下光纜應(yīng)變衰減曲線的擬合參數(shù)

3.3靜置恢復(fù)時(shí)間對光纜應(yīng)變的影響

為了研究靜置恢復(fù)時(shí)間對光纜應(yīng)變的影響,在進(jìn)行初次振動(dòng)后,進(jìn)行了5次靜置,靜置時(shí)保持光纜為自由狀態(tài),即無應(yīng)變,靜置的時(shí)間依次為1.5、140、1.5、24和1.5 h,每次靜置后再進(jìn)行一定周次的循環(huán)振動(dòng),得到圖6所示的應(yīng)變衰減曲線。

圖6　靜置后的應(yīng)變衰減曲線

由于光纜不同結(jié)構(gòu)之間的細(xì)微錯(cuò)動(dòng),以及材料的塑性變形,無論對于長時(shí)間靜置(140 h)還是短時(shí)間靜置(1.5 h),與初始振動(dòng)相比,光纜應(yīng)變的衰減速率都更快,而且都無法回到初始應(yīng)變;長時(shí)間靜置和短時(shí)間靜置的最終穩(wěn)定應(yīng)變非常接近,且都小于初始振動(dòng)拉伸應(yīng)變衰減曲線的穩(wěn)定應(yīng)變。對比靜置140 h和24 h的結(jié)果可以看出,靜置時(shí)間越長,其應(yīng)變衰減曲線的初始應(yīng)變值越接近初次振動(dòng)拉伸應(yīng)變曲線的初始值;而短時(shí)間靜置,其應(yīng)變衰減曲線初始應(yīng)變值更接近于初次振動(dòng)拉伸應(yīng)變曲線的穩(wěn)定應(yīng)變值。這種現(xiàn)象可能是由于靜置時(shí)間比較短,光纜的彈性變形并沒有完全恢復(fù)。無論是經(jīng)過初始振動(dòng)拉伸之后第1次短時(shí)間靜置,還是經(jīng)過長時(shí)間靜置、拉伸之后又經(jīng)過短時(shí)間靜置,其衰減曲線的變化趨勢、衰減速率及最終穩(wěn)定應(yīng)變都近乎相同。

3.4初始應(yīng)變對光纜性能的影響

為了探尋不同應(yīng)變條件下光纜周期振動(dòng)對其應(yīng)變衰減的影響,分別在應(yīng)變?yōu)? 000、4 000、6 000、8 000和10 000με的條件下對光纜進(jìn)行周期振動(dòng)拉伸測試,得到光纜的應(yīng)變衰減曲線,標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果如圖7所示,采用公式(1)對所得標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,所得參數(shù)如表3所示。

表3　不同初始應(yīng)變下光纜應(yīng)變衰減曲線的擬合參數(shù)

圖7　不同應(yīng)變環(huán)境下的光纜應(yīng)變衰減曲線

可見,在低應(yīng)變狀態(tài)下,光纜未出現(xiàn)明顯的應(yīng)變衰減。當(dāng)光纜應(yīng)變≥4 000με時(shí),應(yīng)變衰減曲線的整體趨勢基本相同。但是,隨著應(yīng)變的增大,應(yīng)變衰減曲線出現(xiàn)了與頻率增大時(shí)類似的現(xiàn)象,即快衰減階段應(yīng)變衰減速率隨光纜應(yīng)變的增大而增大;同時(shí),達(dá)到最終穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的應(yīng)變較低,即應(yīng)變的衰減量隨拉伸應(yīng)變的增大而增大。由此可以認(rèn)為:在高應(yīng)變、高頻率的環(huán)境下,傳感光纜應(yīng)變衰減得更為迅速,而且衰減量更大。取應(yīng)變衰減量與初始應(yīng)變的比值,即將標(biāo)準(zhǔn)化后的衰減量百分化,將此值記為衰減百分比,得到衰減百分比與初始拉伸應(yīng)變的關(guān)系,如圖8所示。可以看出,隨著初始應(yīng)變的增大,衰減百分比近似呈線性增大。

圖8　衰減百分比與初始應(yīng)變的關(guān)系

4　結(jié)束語

目前還沒有一套較為完善的對循環(huán)荷載作用下光纜傳感性能進(jìn)行評價(jià)的方法,針對這一問題,本文研發(fā)了傳感光纜循環(huán)疲勞測試設(shè)備,以2 mm聚氨酯護(hù)套傳感光纜為測試對象,提出了3種循環(huán)疲勞測試方法,分析了傳感光纜的應(yīng)變衰減規(guī)律。結(jié)果表明,本文所提測試方法是行之有效的。光纜應(yīng)變的衰減過程呈指數(shù)型,且其衰減過程可以分為快衰減階段、慢衰減階段和穩(wěn)定階段。此外,在影響光纜應(yīng)變衰減的因素中,光纜初始應(yīng)變越大,循環(huán)頻率越高,光纜應(yīng)變的衰減量和衰減速率就越大。

致謝:感謝蘇州南智傳感科技有限公司為本文試驗(yàn)研究提供傳感光纜;感謝蘇州璟豐機(jī)電有限公司在本文作者研制分布式傳感光纜疲勞性能測試裝置過程中提供的幫助;感謝本科生薛利強(qiáng)同學(xué)在試驗(yàn)過程中提供的協(xié)助。

參考文獻(xiàn):

[1] Barnoski M K,Jensen S M.Fiber waveguides-novel technique for investigating attenuation characteristics [J].Applied Optics,1976,15(9):2112-2115.

[2] Horiguchi T,Tateda M .BOTDA-Nondestructive measurement of single-mode optical fiber attenuation characteristics using brillouin interaction-theory[J]. Journal of Lightwave Technology,1989,7(8): 1170-1176.

[3] Horiguchi T,Shimizu K,Kurashima T,et al.Development of a distributed sensing technique using brillouin-scattering[J].Journal of Lightwave Technology,1995,13(7):1296-1302.

[4] Bernini R,Minardo A,Zeni L.Distributed sensing at centimeter-scale spatial resolution by BOFDA:measurements and signal processing[J].IEEE Photonics Journal,2012,4(1):48-56.

[5] 張丹,施斌,徐洪鐘.基于BOTDR的隧道應(yīng)變監(jiān)測研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2004,(04):422-426.

[6] 張丹,施斌,吳智深,等.BOTDR分布式光纖傳感器及其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用[J].土木工程學(xué)報(bào), 2003,(11):83-87.

[7] 孫義杰,張丹,童恒金,等.分布式光纖監(jiān)測技術(shù)在三峽庫區(qū)馬家溝滑坡中的應(yīng)用[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào),2013,(04):97-102.

光纖光纜技術(shù)與應(yīng)用

Testing Methods for Cyclic Fatigue of Distributed Sensing Cables

WANG Jia-cheng1,ZHANG Dan1,YAN Ji-song2,Li Bo1,Shi Bin1

(1.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China;

2.The 41stInstitute of China Electronics Technology Group Corporation,Qingdao 266555,China)

Abstract:The distributed optical fiber monitoring technology has been gradually applied in various fields,but at the present, the performance variations of sensing cables when subject to cyclic stress have not yet been investigated in depth.In line with the repeated cyclic stress that the cables undergo indoor tests and in various monitoring projects,simulated load,temperature and the environmental condition changes,three tests are designed and the cyclic fatigue performances of the distributed sensing cables are calibrated,obtaining the stress attenuation curves of the cables in different conditions.The experimental results indicate that the higher the initial stress of the cables,the higher cyclic frequency and the greater the attenuation amount and rate of the cable stress.

Key words:distributed sensing;sensing cable;cyclic fatigue;calibration;stress

中圖分類號(hào):TN818

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1005-8788(2016)01-0015-04

收稿日期:2015-07-31

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272315,41572271);國家“九七三”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011CB710605)

作者簡介:王嘉誠(1990-),男,天津人。碩士研究生,主要從事巖土工程監(jiān)測等方面的研究。

通信作者:張丹,副教授。E-mail:zhangdan@nju.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.005