葉宇霄+趙新銘+吳剛+謝雪峰+姚劍

摘 要：分布式光纖在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應(yīng)用中，定量分析裂縫是難點(diǎn)。裂縫對光纖產(chǎn)生拉伸、彎曲和折角的影響，需要深入研究各因素影響程度。測試光纖角度的頻移影響，并對比研究了軸向拉伸造成的頻移影響。提出一種基于BOTDA分布式光纖傳感的計算公式并將該公式運(yùn)用于裂縫成像軟件中。試驗結(jié)果表明：在裂縫產(chǎn)生后，光纖角度的變化對試驗結(jié)果產(chǎn)生較大影響，且考慮角度因素后，裂縫成像更接近真實情況。使用分布式光纖監(jiān)測混凝土裂縫時，需要考慮角度問題。

關(guān)鍵詞：混凝土；裂縫；光纖傳感；角度

中圖分類號：TU317 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-4764（2018）01-0024-06

Application of distributed optical fiber in the monitoring of cracks in concrete structures

Ye Yuxiao1， Zhao Xinming1， Wu Gang2， Xie Xuefeng2，Yao Jian2

（1. Department of Civil Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，P.R. China；2.Jiangsu Taizhou Water Bureau，Taizhou 225300，Jiangsu，P.R. China）

Abstract：In the application of distributed optical fiber structure health monitoring， quantitative analysis of cracks is difficult. The effect of tensile， bending and folding on optical fiber and the influence degree of various factors needs to be studied. In this paper， the influence of frequency shift on optical fiber angle is tested and the effect of frequency shift caused by axial tension is compared. A new calculation formula based on BOTDA distributed optical fiber sensing is proposed and applied to crack imaging of software. The experimental results show that the change of the optical fiber angle has a great influence on the experimental results after the crack is generated， and the fracture imaging is closer to the real situation after taking the angle factor into account. Therefore， when using distributed optical fiber to monitor concrete cracks， the angle should be taken into account.

Keywords：concrete；crack；fiber sensor； angle

自大量使用鋼筋混凝土作為建筑材料以來，混凝土裂縫就是困擾專家們的熱點(diǎn)問題[1]?；炷两Y(jié)構(gòu)從筑成到退出工作始終有裂縫伴生，裂縫的存在不可避免，隨著裂縫的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性將會受到影響，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能和工作環(huán)境對裂縫采取不同措施[2]。結(jié)構(gòu)建成后產(chǎn)生的裂縫難以修補(bǔ)，且有可能造成嚴(yán)重后果，需要根據(jù)裂縫的大小、形狀、方向、分布以及結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件等評估裂縫的危害等級，從而決定采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施[3]?；炷亮芽p的寬度不宜超過0.4 mm，過大的裂縫會使鋼筋銹蝕。因此，需要準(zhǔn)確可靠的裂縫監(jiān)測方式。

光纖傳感器監(jiān)測技術(shù)因具有實際操作簡單、可分布式布置、探測距離長、對外界刺激敏感、對結(jié)構(gòu)工作性能影響較小等特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測（Structural Health Monitoring，SHM）中與其他點(diǎn)式監(jiān)控手段相比具有顯著優(yōu)勢。經(jīng)過學(xué)者們深入研究，光纖定性監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)得到長足發(fā)展和進(jìn)步。錢振東等[4]對鋼橋面疲勞裂縫進(jìn)行研究。何勇等[5]、毛江鴻等[6]對使用光纖監(jiān)測結(jié)構(gòu)裂縫的應(yīng)用進(jìn)行研究，建立了300 mm標(biāo)注的光纖裂縫傳感器監(jiān)測裂縫寬度、夾角的數(shù)學(xué)模型?？祹煴韀7]基于BOTDA的鋼橋面鋪裝裂縫疲勞擴(kuò)展進(jìn)行研究。分布式光纖的高精確性確保他可以達(dá)到預(yù)測裂縫出現(xiàn)的可能[8]，而且具備同時監(jiān)測多類數(shù)據(jù)的可能（應(yīng)變、溫度）[9]。因此，光纖在監(jiān)測裂縫的問題上仍有很大的研究空間。雖然，在分布式光纖監(jiān)測混凝土結(jié)構(gòu)裂縫這一領(lǐng)域，相關(guān)科研人員已經(jīng)得到一些成果，但還不能滿足實際工程對裂縫監(jiān)測的要求。已經(jīng)有將分布式光纖應(yīng)用于工程實際問題的先例，并證實至少在較小范圍內(nèi)可以適應(yīng)復(fù)雜的裂縫情況[10]。

首先，闡述了分布式光纖監(jiān)測裂縫角度的理論公式。通過布置在玻璃板上粘貼軸向和斜交光纖試驗，分析在合理的裂縫寬度范圍內(nèi)（0～1 mm）光纖與裂縫夾角占總頻移的比例，以確定角度因素是否存在考慮的必要性.通過不同光纖夾角試驗，推出光纖夾角與頻移關(guān)系，再通過得到的角度頻移關(guān)系，修正只考慮溫度和軸向應(yīng)變的傳統(tǒng)公式；隨后，使用新公式編程，編寫成像軟件并與真實的裂縫情況進(jìn)行對比，討論該公式的可行性。endprint

1 分布式傳感技術(shù)及監(jiān)測原理

分布式光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，目前，主要有基于瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射等的主要技術(shù)。其中，基于瑞利散射的OTDR測量精度不足，傳感距離不夠，現(xiàn)有的研究較少；基于拉曼散射的有關(guān)技術(shù)返回信號較弱；基于布里淵散射的相關(guān)技術(shù)與其他技術(shù)相比具有明顯優(yōu)勢。

1.1 BOTDA監(jiān)測技術(shù)原理

BOTDA全稱為 Brillouin Optical Time Domain Analysis（布里淵光時域分析），是一款基于布里淵散射的分布式光纖傳感器。其監(jiān)測到的布里淵散射頻移量vB與溫度、應(yīng)變的變化呈線性關(guān)系。由此，可以通過監(jiān)測vB獲得光纖各部位應(yīng)變和溫度的變化量?，F(xiàn)有研究認(rèn)為，布里淵頻移量ΔvB應(yīng)該符合如下關(guān)系式（1）[11]。

1.2 光纖角度原理

在中國，已經(jīng)有利用光纖角度解決工程實際問題的相關(guān)理論和應(yīng)用手段[12]。劉浩吾[13]對基于OTDR光纖傳感技術(shù)應(yīng)用于混凝土重力壩的裂縫監(jiān)測進(jìn)行了研究。提出了在單根光纖分辨率有限的情況下，通過改變光線的布設(shè)方式，與混凝土裂縫形成角度來提高光纖監(jiān)測精度。

在裂縫產(chǎn)生后，由于光纖被緊密地貼合在監(jiān)測對象的表面或埋在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，通常要經(jīng)歷溫度、軸向拉伸和角度3種變化。布里淵頻移量ΔvB的實際組成為

光纖與裂縫斜交布置時，受到裂縫的橫向拉伸，產(chǎn)生了兩個轉(zhuǎn)角。由于光纖角度的理論值為-90°～90°，而裂縫的寬度則不存在上限值，理論上來說角度和軸向伸長的影響可能不在一個量級上。由于混凝土裂縫的寬度不宜超過0.4 mm，因此，當(dāng)需要監(jiān)測的裂縫寬度為0.4 mm左右時，需要考慮光纖角度帶來的影響。如圖1所示。

裂縫和并列光纖相交得夾角∠1，如圖2所示。

圖2中，∠3=90°，∠2=（90°-∠1），代入式（2）中，整理得到光纖的實際伸長量

1.3 基于BOTDA的光纖角度原理

由于使用BOTDA解調(diào)儀監(jiān)測光纖變化，而基于BOTDA的光纖監(jiān)測對沒有伸長量的光纖純彎曲無法監(jiān)測，因此，角度變化最終回歸到伸長量的變化上來。通過有角度狀態(tài)和無角度狀態(tài)下相同裂縫寬度直線伸長量的不同來確定角度的量。

如圖3所示，當(dāng)裂縫通過正交光纖l2和斜交光纖l1時，兩者的伸長量不一致，這種差異主要與光纖與裂縫的夾角有關(guān)。

分析角度與裂縫寬度的關(guān)系可知，當(dāng)斜交裂縫的寬度為ω時，斜交光纖長度由原來的l1變?yōu)楝F(xiàn)在的l′1。因此，光纖的伸長量應(yīng)為l′1-l1。用l1表示l′1，結(jié)果為

2 分布式光纖實驗

2.1 關(guān)于角度影響的實驗探究

為了研究光纖的角度原理，進(jìn)行了如圖4所示的分布式光纖試驗。圖4左圖為軸向拉伸試驗，右圖為斜交拉伸試驗。

由于在混凝土的表面粘結(jié)光纖需要考慮惡劣的工作環(huán)境和分布式的概念，因此，該試驗所有光纖都將環(huán)氧樹脂粘貼在玻璃板的表面，這樣可以有效傳遞力，并在一定程度上改善光纖的工作環(huán)境。驗證了使用環(huán)氧樹脂貼敷光纖可以獲得準(zhǔn)確的頻移縫寬值。

將4根連通的光纖均勻分布在玻璃板的表面，用環(huán)氧樹脂粘貼。通過人工制造裂縫的方式測量了在0.08、0.14、0.2、0.26、0.32 mm等裂縫寬度下，光纖的頻移影響。實驗數(shù)據(jù)顯示，不同的寬度對光纖的頻移量產(chǎn)生了影響，且裂縫寬度變化越大的光纖產(chǎn)生的頻移量也越大，如圖5所示。

實驗數(shù)據(jù)顯示，光纖所監(jiān)測的裂縫寬度變化與頻移基本符合線性關(guān)系?？梢缘玫绞褂铆h(huán)氧樹脂全程貼敷的光纖頻移與裂縫寬度變化量的公式，近似為

式中：Δl為裂縫的寬度；ΔvB為頻移量。

將光纖均勻分布在玻璃板的表面，用環(huán)氧樹脂粘貼。通過人工制造裂縫的方式測量在不同的裂縫寬度和折角下光纖的頻移影響。試驗通過設(shè)置5°、10°、15°、20°、25°的裂縫夾角，總結(jié)出角度與頻率呈線性變化關(guān)系。如圖6所示，相同裂縫寬度在不同角度下，頻率隨著角度的增大而增大。

對比軸向受拉試驗，得出角度因素所占總頻移的比重，如圖7所示。

由此可見，夾角越大，角度帶來的影響就越不可忽略。因此，有必要研究角度對光纖檢測的影響。

2.2 極值法測定裂縫位置

使用環(huán)氧樹脂固定光纖時，光纖的頻移變化量與環(huán)氧樹脂的傳力性能有密切關(guān)系。由于環(huán)氧樹脂材料受力的特點(diǎn)，環(huán)氧樹脂的應(yīng)變與和裂縫的距離成反比，因此，可以反映裂縫的精確發(fā)生位置。經(jīng)計算，通過擬合裂縫附近數(shù)據(jù)的二次曲線，求得駐點(diǎn)與實際裂縫位置對比。在裂縫處的頻移值如圖8所示。其偏移值較小，可將此法稱為極值法，通過極值法確定的裂縫點(diǎn)可以將測量的精度提升60%，變動范圍由±10 cm縮小到±4 cm范圍內(nèi)。而且，由實驗所得負(fù)數(shù)段數(shù)據(jù)呈線性來看，由于環(huán)氧樹脂的固定作用，光纖可以表征被測對象的受壓狀況。

3 裂縫成像初探

當(dāng)使用光纖監(jiān)測玻璃板裂縫時，因為粘結(jié)材料的作用，可以提高光纖測量的精度?？梢栽谝阎饫w布置方案的前提下反推角度和寬度，解決在實時監(jiān)測中已知數(shù)據(jù)太少的弊端。因此，根據(jù)式（3）編寫裂縫成像軟件，運(yùn)行原理如下。

在之前的實驗中，根據(jù)BODTA解調(diào)儀監(jiān)測的圖像取出峰值作為參考點(diǎn)，如圖9所示。然后，對比經(jīng)過裂縫變化之后的圖像，尋找頻移量變化最大的幾個位置，如圖10所示。

根據(jù)這幾個點(diǎn)在圖上的距離及光纖的布置方案，定出出現(xiàn)變化的幾個點(diǎn)在結(jié)構(gòu)簡圖的位置，如圖11（a）；將幾個點(diǎn)連線獲得裂縫的圖像，如圖11（b）；附上光纖的布置簡圖，算出每個點(diǎn)的夾角，如圖11（c）；根據(jù)式（6）求出每一個點(diǎn)的裂縫寬度，然后，做兩條距離為裂縫寬度的平行直線并連線，得出裂縫簡圖，如圖11（d）。

根據(jù)裂縫寬度通過光纖在裂縫監(jiān)測上的應(yīng)用，可以通過編程編寫相應(yīng)程序，并應(yīng)用于實地裂縫監(jiān)測中。雖然，光纖的數(shù)據(jù)采集仍然需要昂貴的電子設(shè)備支撐，但是引入軟件和網(wǎng)絡(luò)將是實現(xiàn)裂縫實時監(jiān)測、預(yù)警及查閱的重要一步。endprint

3 結(jié)論

系統(tǒng)介紹了基于BOTDA分布式光纖角度和測量原理，提出了光纖角度的受力模型和角度測量實驗?zāi)Ｐ停⑻岢隽嘶诠饫w角度的計算公式。通過實驗得出結(jié)論：

1）使用有一定變形能力的材料（例如，環(huán)氧樹脂）可以將測量的精度提升60%，由10 cm的變動范圍縮小到4 cm范圍內(nèi)，而且，可以保護(hù)光纖。

2）強(qiáng)調(diào)了角度因素在裂縫測量中的重要性，使用考慮角度影響的公式可以縮小光纖測量的誤差。

3）使用反算法，驗證了傳感器推算裂縫角度的可行性，并為基于BOTDA的裂縫成像提出思路建議。

使用的解調(diào)儀精度為10 cm，在使用玻璃板實驗測量裂縫時，通過所得的實驗數(shù)據(jù)描繪出了與玻璃板的實際裂縫有較高仿真度的裂縫圖像，證明了極值法在基于BOTDA裂縫成像的可行性?，F(xiàn)有的裂縫監(jiān)測實驗中，所監(jiān)測的基本為單一裂縫或直線裂縫。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張欣，姚森敬，陳泰，等.基于布里淵散射的分布式光纖技術(shù)的研究[J].光通信技術(shù)，2015（1）：53-55.

ZHAGN X，YAO J S，CHEN T，et al.Research of the distibuted optical fiber technology based on Brillouin scattering[J]. Optical Communication Technology，2015（1）：53-55.（in Chinese）

[2] 劉永智.布里淵散射分布式光纖傳感器的理論分析和相關(guān)技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2006.

LIU Y Z. Theoretical analysis and related techniques of distributed optical fiber sensor based on Brillouin scattering[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology，2006.（in Chinese）

[3] 竇超.光纖傳感技術(shù)在水利安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].唐山學(xué)院學(xué)報，2015（28）：26-28.

DOU C .Application of optical fiber sensing technology in water conservancy safety monitoring[J].Journal of Tangshan College，2015（28）：26-28.（in Chinese）

[4] 錢振東，韓光義，黃衛(wèi).基于BOTDA的鋼橋面鋪裝裂縫疲勞擴(kuò)展研究[J].土木工程學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，42（10）：132-136.

QIAN Z D，HAN G Y，HUANG W. A study on crack fatigue propagation of steel deck pavement based on BOTDA[J].Journal of Civil Engineering （Natural Science Edition），2009，42（10）：132-136.（in Chinese）

[5] 何勇，姜帥，毛江鴻，等.結(jié)構(gòu)裂縫的分布式光纖監(jiān)測方法及試驗研究[J].土木建筑與環(huán)境工程，2012，34（1）：1-6.

HE Y，JIANG S，MAO J H，et al，Cracking method and experiment with distributed fiber sensor[J].Journal of Chongqing Jianzhu University，2012，34（1）：1-6.（in Chinese）

[6] 毛江鴻，崔磊，金偉良，等.基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識別與監(jiān)測試驗研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2014，27（9）：1298-1303.

MAO J H，CUI L，JIN W L，et al.Experimental research on concrete crack recognizing and monitoring based on distributed optical fiber sensor[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators，2014，27（9）：1298-1303.（in Chinese）

[7] 康師表.基于BOTDA的組合梁橋面板裂縫監(jiān)測技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

KANG S B.Crack monitoring of composite beam bridge deck using BOTDA[D]. Harbin：Harbin Institute of Technology，2013.（in Chinese）

[8] GERARDO R， JOAN R C， SERGI V. Cracking assessment in concrete structures by distributed optical fiber [J]. Smart Materials and Structures，2015，9（24）：1-11.

[9] BAO X，WEBB D J， JACKSON D A. Combined distributed temperature and strain sensor based on Brillouin loss in an optical fiber[J]. Optics Letters，1994，19（2）：141-143.

[10] XIANG L G，CHEN Z Y，ANSARI F. Fiber optic distributed crack sensor for concrete structures. ASCE2004：advanced technology in structural engineering[C]// Structures Congress，Philadelphia，Pennsylvania， United States，2000：1-8.

[11] LIU R M， BABANAJAD S K， TAYLOR T，et al. Experimental study on structural detect detection by monitoring distributed dynamic strain[J]. Smart Materials and Structures，2015，24（5）：1-8.

[12] BILLON A， HENAULT J M， QUIERTANT M，et al. Qualification of a distributed optical fiber sensor bonded to the surface of a concrete structure： a methodology to obtain quantitative strain measurements[J]. Smart Materials and Structures，2015，24（9）：1-13.

[13] 劉浩吾.混凝土重力壩裂縫觀測的光纖傳感網(wǎng)絡(luò)[J].水利學(xué)報，1999，30（10）：61-64.

LIU H W . Optical fiber sensor network for crack observation of concrete gravity dam[J]. Journal of Hydraulic Engineering，1999，30（10）：61-64.（in Chinese）endprint