包騰飛，李澗鳴，趙津磊

?

開裂條件下塑料光纖的力光轉(zhuǎn)換特性

包騰飛1, 2, 3，李澗鳴1, 2, 3，趙津磊4

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2. 河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國家工程研究中心，南京 210098； 3. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；4. 江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，揚(yáng)州 225127)

針對結(jié)構(gòu)出現(xiàn)張開型裂縫條件下塑料光纖的光學(xué)感知特性，采用光時域反射技術(shù)，分別進(jìn)行了軸向和非軸向拉伸作用下塑料光纖的力光轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)．結(jié)果表明：塑料光纖在受非軸向小角度拉伸時對裂縫感知能力相對更強(qiáng)，當(dāng)塑料光纖與裂縫呈45°斜交時，光損耗值和菲涅爾反射值的靈敏度分別達(dá)到0.87,dB/mm和0.68,dB/mm，且夾角較小時對裂縫的感知靈敏度較高，以塑料光纖內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測指標(biāo)可監(jiān)測到的裂縫最大開度為6,mm．可將塑料光纖光損耗量作為結(jié)構(gòu)開裂的監(jiān)測指標(biāo)、菲涅爾反射峰作為裂縫發(fā)生位置的定位指標(biāo)，對混凝土工程的裂縫進(jìn)行監(jiān)測．

塑料光纖；光時域反射；裂縫監(jiān)測；光損耗；菲涅爾反射

混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過程中出現(xiàn)裂縫是一種普遍現(xiàn)象，裂縫發(fā)展到一定程度，會加重混凝土碳化并降低其抗?jié)B性能，進(jìn)而破壞結(jié)構(gòu)的整體性和安全性．作為評估裂縫危害性的重要手段，結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測對保障結(jié)構(gòu)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．然而，由于裂縫具有時空隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)裂縫的全方位、實(shí)時、長期的監(jiān)測．

光纖傳感技術(shù)具有分布式、連續(xù)式監(jiān)測和遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的潛力，在結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測方面具有良好的應(yīng)用前景，以往研究多集中于石英光纖方面[1-3]．塑料光纖(plastic optical fiber，POF)是一種新興的光纖傳感材料，其具有斷裂韌性高、可塑性好、價格低等眾多優(yōu)點(diǎn)[4-6]．但由于POF在剛問世時表現(xiàn)出高損耗、低帶寬的缺點(diǎn)，并未受到工程領(lǐng)域的足夠重視．隨著近幾年P(guān)OF技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們開始注意到POF的優(yōu)勢及其潛在的工程應(yīng)用價值．Takeda等[7]、Kuang等[8-9]、Liehr等[10-12]對塑料光纖(POF)在裂縫監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索．但上述研究多采用POF裸纖，極易發(fā)生損傷而斷裂，且僅研究了POF與張開型裂縫開裂方向正交的情況，POF受到軸向拉伸作用，大大限制了其在大型混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測方面的應(yīng)用能力．由于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的開展方向具有時空隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)，POF與裂縫開展方向不總是正交，斜交的情形更加普遍，假設(shè)裂縫呈張開型，此時裂縫處的POF將受非軸向拉伸作用．

本文擬采用POF專用的光時域反射傳感系統(tǒng)(optical time domain reflectometer，OTDR)通過試驗(yàn)?zāi)M開裂情況研究POF分別在軸向和非軸向拉伸作用下的光學(xué)感知能力．

1?POF-OTDR光學(xué)探測

瑞利散射是由于光在傳輸過程中碰到小于波長的微粒而向各方向散射的現(xiàn)象，為光纖中光傳輸損耗的重要來源之一．OTDR技術(shù)利用瑞利散射的原理，由入射端向光纖內(nèi)部發(fā)射脈沖光，該脈沖光在傳輸過程中會發(fā)生瑞利散射并返回入射端，通過測量光纖內(nèi)部相應(yīng)位置的瑞利散射即可獲得脈沖光在傳播中的強(qiáng)度變化．

?(1)

后向散射光返回到POF入射端的光功率為

?(2)

由式(2)可以看出，將采集到的后向散射信號進(jìn)行處理后，以瑞利散射強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，以光信號在POF的位置為橫坐標(biāo)可得到一條指數(shù)衰減曲線，該曲線可反映POF內(nèi)部各點(diǎn)的瑞利散射情況。在外界因素影響下，當(dāng)POF內(nèi)部光強(qiáng)度降低時，瑞利散射強(qiáng)度也相應(yīng)降低，則曲線出現(xiàn)局部下降．

當(dāng)光經(jīng)過不同折射率的介質(zhì)界面時，會發(fā)生菲涅爾反射，光纖中的菲涅爾反射是由受斷裂面影響的折射率突變或幾何突變引起，OTDR技術(shù)可以利用菲涅爾反射對定位所關(guān)心的事件點(diǎn)．

光源入射端測得的POF內(nèi)處的菲涅爾反射功率為

?(3)

式中為功率反射系數(shù)，是由光纖斷裂面或者端面的粗糙程度決定，對于表面平整、光滑、與光纖軸線垂直的理想斷裂面，反射系數(shù)可以表示為

?(4)

式中0、1分別為空氣和纖芯的折射率．

當(dāng)理想斷裂面與光纖軸線成夾角時，反射系?數(shù)為

?(5)

式中、分別為纖芯和包層半徑．

在實(shí)際應(yīng)用中，外力作用下光纖斷裂面為非理想情況，難以從理論上準(zhǔn)確計算菲涅爾反射強(qiáng)度，通常通過試驗(yàn)的方法測定．本文選用日本三菱公司生產(chǎn)的SH2001-J型POF及OTDR-2100POF-650-4型POF光時域反射儀，相關(guān)POF參數(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)測試界面見文獻(xiàn)[13]．

2?拉伸作用下POF力光轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)

2.1?軸向拉伸試驗(yàn)

為了模擬POF與裂縫正交受力情況下的特性，進(jìn)行了軸向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用50,m長的帶涂覆層的POF(SH2001-J)，且兩端配有FC接頭便于與OTDR連接．對光纖類材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，需選擇合適的夾持方法，本文針對POF的結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，設(shè)計了一種適合拉伸測試的夾持方式．該夾持方式為：將POF兩端埋設(shè)于環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與碳纖維布的復(fù)合體中，待膠體固化以后，將兩端環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體夾持于測試設(shè)備的夾頭．POF兩端在環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體的保護(hù)下，可避免夾頭夾持力造成的破壞，而且POF在環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力的作用下，測試過程中不會發(fā)生滑動．POF拉伸試件及結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1?POF拉伸試件及結(jié)構(gòu)示意

POF試件結(jié)構(gòu)細(xì)小、極限抗拉強(qiáng)度較低，實(shí)驗(yàn)室已有的大噸位萬能試驗(yàn)機(jī)不便對其進(jìn)行拉伸測試，鑒于此，本文設(shè)計了一套拉伸測試設(shè)備，該設(shè)備由小量程拉力計和一電動拉力測試機(jī)組合而成，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示．拉力計最大負(fù)荷為500,N，分度值0.01,N，電動拉力測試機(jī)測試速度10～300,mm/min，行程580,mm．

圖2?POF拉伸試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖

試驗(yàn)開始前，將試件一端的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體用拉力試驗(yàn)機(jī)上夾頭夾緊，使試件自然垂下，位于上下夾頭中間．然后將上夾頭緩慢下移，在確保POF豎直無彎折的情況下使試件下端環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體自然落入下夾頭中間并夾緊，并將拉力試驗(yàn)機(jī)位移值和應(yīng)力值清零，然后將POF與OTDR設(shè)備連接，OTDR與數(shù)據(jù)采集電腦連接，最后操控拉力試驗(yàn)機(jī)的上夾頭勻速緩慢向上移動，下夾頭保持固定，加載速度為10,mm/min，試驗(yàn)過程中實(shí)時記錄試件拉伸段的拉伸量和對應(yīng)時刻OTDR所探測到的背向散射光及光損耗量．

2.2?非軸向拉伸試驗(yàn)

為了模擬POF與裂縫斜交下的特性，本文設(shè)計了一套模擬非軸向拉伸作用的裝置，如圖3所示．該裝置可以模擬裂縫從無到有及持續(xù)發(fā)展的過程．該裝置主要由一組有機(jī)玻璃板和一臺位移控制平臺組成．其中一塊玻璃板通過直角拐角及一組螺絲固定于位移控制平臺的基座，另一塊玻璃板則通過一組螺絲固定于位移控制平臺的移動模塊，當(dāng)兩玻璃板發(fā)生相對移動而分離，原本緊靠在一起的兩塊玻璃板便會產(chǎn)生縫隙，可實(shí)現(xiàn)張開型裂縫的模擬．用環(huán)氧樹脂膠將POF粘貼于兩玻璃板上，可實(shí)現(xiàn)POF與兩玻璃板接縫呈不同夾角布置，以此控制POF與裂縫的夾角．POF粘貼前在兩玻璃板相接處放置一金屬薄片(厚度為0.1,mm)，該金屬片與兩塊玻璃板所處平面垂直，中間預(yù)留一直徑稍大于POF直徑的圓孔，該圓孔可允許POF在布設(shè)時穿過金屬薄片，且金屬薄片在放置前需要均勻涂抹一定量的凡士林，從而保證試驗(yàn)時金屬片兩側(cè)的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠體的及時分離．試驗(yàn)中，固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠體會在金屬片位置分離形成一直線型縫隙，可嚴(yán)格控制POF與裂縫的夾角．

圖3?非軸向拉伸模擬裝置示意

將POF的一端連接OTDR設(shè)備，另一端連接一500,m的POF線圈(尾纖)，OTDR設(shè)備連接數(shù)據(jù)采集電腦便可開始試驗(yàn)．試驗(yàn)中通過位移控制平臺的搖輪控制圖中上方玻璃板緩慢豎直向上移動，裂縫模擬裝置的位移標(biāo)尺和位移傳感器可顯示位移模塊移動的位移值．本裂縫模擬設(shè)備可控制的最小移動距離為0.01,mm．試驗(yàn)過程中實(shí)時記錄裂縫的開度及對應(yīng)時刻OTDR所監(jiān)測到的POF內(nèi)部背向散射情況，試驗(yàn)裝置如圖4所示．

圖4?模擬試驗(yàn)裝置

3?試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1?軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中運(yùn)用OTDR對拉伸作用下的POF進(jìn)行探測，實(shí)時記錄POF的拉伸量和相應(yīng)時刻OTDR監(jiān)測到的后向散射水平．試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行多次，在驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的一致性后，選取一典型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析．試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示．其中，圖5(a)為OTDR監(jiān)測到的后向散射水平原始曲線，該曲線中一次菲涅爾反射事件所引起的曲線變化由菲涅爾反射值和損耗值兩部分組成．圖5(b)為試驗(yàn)中各拉伸時刻的后向散射水平與初始后向散射水平的差值曲線，該曲線中縱坐標(biāo)軸0刻度以下的部分為菲涅爾反射量，縱坐標(biāo)軸0刻度以上部分為光損耗量．圖5(c)為POF拉伸處最大菲涅爾反射值和最大光損耗值隨拉伸量的變化曲線．

從圖5可以看出，在POF受軸向拉伸作用的初期(拉伸量小于10%,)，軸向拉伸對POF內(nèi)部光學(xué)特性幾乎沒有影響．隨著拉伸程度的逐漸增大，POF內(nèi)部開始產(chǎn)生大量菲涅爾反射并伴隨少量光損耗．在拉伸量達(dá)到60%,時，菲涅爾反射量由0,dB增大到7.72,dB．菲涅爾反射的主要形成原因?yàn)镻OF的幾何突變或者產(chǎn)生斷裂面．POF在拉伸作用下較易產(chǎn)生微小裂隙[14]，所以試驗(yàn)中探測到的較大菲涅爾反射是由POF在拉伸作用下產(chǎn)生的微小裂隙導(dǎo)致的．本試驗(yàn)中POF發(fā)生光損耗的主要形式包括：①由POF徑向收縮變形所引起的輻射損耗；②POF受力后折射率會發(fā)生變化，折射率變化后會引起的散射損耗. 從試驗(yàn)結(jié)果來看，整個拉伸過程中光損耗值較小，最大值僅為0.89,dB，故在軸向拉伸作用下，POF由于受力和變形所引起的光損耗值較?。纱丝梢?，POF對小尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較低，但對大尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較好，因此適合用于監(jiān)測大變形．

圖5?軸向拉伸作用下POF內(nèi)部光學(xué)特性測試結(jié)果

3.2?非軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)POF與裂縫呈45°斜交時，OTDR的探測結(jié)果如圖6所示．圖6(a)為開裂過程中POF內(nèi)部后向散射水平，圖6(b)為開裂過程中POF內(nèi)后向散射水平與初始后向散射水平的差值，圖6(c)為光損耗值和菲涅爾反射值隨裂縫開度的變化情況．由圖6(a)可以看出，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后POF內(nèi)部后向散射水平從裂縫產(chǎn)生位置開始逐漸下降．進(jìn)一步通過圖6(b)可以看出，在裂縫開度較小的情況下，菲涅爾反射量并不明顯，隨著裂縫開度的增大逐漸明顯．而在裂縫開度較小時，就出現(xiàn)了較明顯的光損耗量，并且隨著裂縫開度的增加逐漸升高．結(jié)合軸向拉伸試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出，POF非軸向受拉與軸向受拉對其內(nèi)部光學(xué)特性的影響差別較大．可以看出，POF受非軸向拉伸的情況非常適合感知裂縫，光損耗值和菲涅爾反射值的靈敏度分別達(dá)到0.87,dB/mm和0.68,dB/mm，可見在該情況下光損耗量更適合作為結(jié)構(gòu)開裂的監(jiān)測指標(biāo)，菲涅爾反射峰可作為裂縫發(fā)生位置的定位指標(biāo)．

圖6 非軸向拉伸作用下POF內(nèi)部光學(xué)特性測試結(jié)果

在POF受軸向拉伸作用時，POF始終保持平直，而在非軸向拉伸作用下，POF在開裂處會形成一定的彎曲．因此可以推測該“彎曲”是造成兩種受力條件下不同光學(xué)反應(yīng)的原因．為了進(jìn)一步考察POF與裂縫斜交時對裂縫的感知能力，試驗(yàn)中將POF與裂縫呈不同角度(30°、45°、60°)布置并進(jìn)行多次試驗(yàn)．以POF內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測指標(biāo)．試驗(yàn)過程中實(shí)時記錄裂縫開度值及對應(yīng)的光損耗水平，當(dāng)光損耗水平不再發(fā)生明顯變化時停止試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示．由圖可以看出，各夾角下POF內(nèi)的光損耗值均隨裂縫開度的增大而增大．裂縫開度在3,mm以內(nèi)時，光損耗值的增長速度較快，之后光損耗增長速度減緩并趨于水平．以POF內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測指標(biāo)可監(jiān)測到的裂縫最大開度為6,mm．文獻(xiàn)[15-16]表明，石英光纖對裂縫的監(jiān)測量程約為2,mm，而且在裂縫開度靠近2,mm時光損耗量基本已經(jīng)趨于水平，對裂縫敏感的區(qū)間小于2,mm.因此，本文所使用的POF在監(jiān)測量程方面已經(jīng)大大超過石英光纖．另外，相同裂縫開度下，POF與裂縫夾角較小時產(chǎn)生的光損耗量大于夾角較大的情況，這說明夾角較小時POF對裂縫的感知靈敏度較高．POF與裂縫夾角較小時，裂縫處的POF會發(fā)生更明顯的彎曲變形，這進(jìn)一步證明了“彎曲”是造成POF內(nèi)部光損耗主要原因的推測．

圖7 裂縫模擬試驗(yàn)中不同角度布置下裂縫開展時POF內(nèi)部光損耗測試結(jié)果

4?結(jié)?論

(1) 針對POF的結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，模擬POF與裂縫開展方向正交和斜交的情況，分別設(shè)計了適合POF軸向和非軸向拉伸測試的試驗(yàn)方法．

(2) 通過軸向拉伸試驗(yàn)研究了試件拉伸段的拉伸量和對應(yīng)時刻OTDR所探測到的后向散射光及光損耗量的關(guān)系．試驗(yàn)結(jié)果表明，POF對小尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較低，但對大尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較好．

(3) 通過非軸向拉伸試驗(yàn)研究了POF與裂縫呈45°斜交時拉伸過程OTDR后向散射光及光損耗量規(guī)律．結(jié)果表明，POF受非軸向拉伸時非常適合感知裂縫，光損耗值和菲涅爾反射值的靈敏度分別達(dá)到0.87,dB/mm和0.68,dB/mm，在該情況下光損耗量更適合作為結(jié)構(gòu)開裂的監(jiān)測指標(biāo)，菲涅爾反射峰可作為裂縫發(fā)生位置的定位指標(biāo)．

(4) 通過非軸向拉伸試驗(yàn)研究了POF與裂縫呈不同角度時的光損耗水平，結(jié)果顯示，POF內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測指標(biāo)可監(jiān)測到的裂縫最大開度為6,mm，監(jiān)測量程方面優(yōu)于石英光纖，且夾角較小時POF對裂縫的感知靈敏度較高，可推斷開裂處的局部彎曲是造成POF內(nèi)部光損耗的主要原因．

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(責(zé)任編輯：孫立華)

Optical Response Characteristics of Plastic Optical Fibers Under Cracking Conditions

Bao Tengfei1, 2, 3，Li Jianming1, 2, 3，Zhao Jinlei4

(1．State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University， Nanjing 210098，China；2．National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China；3．College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；4．Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Company Limited，Yangzhou 225127，China)

Experiments under axial and non-axial tensions were conducted respectively corresponding to the conditions when opening mode cracks occurred in structures to study the optical response of plastic optical fibers using optical time domain reflect technique．Results indicate that plastic optical fibers have better optical sensibility to cracks under conditions of non-axial strain and small angle．The sensitivities of optical loss and Fresnel reflection are 0.87,dB/mm and 0.68,dB/mm respectively when the angle between the plastic optical fiber and the crack is 45° and the sensitivities are higher when the angle is smaller．It is also shown that the maximum crack width the plastic optical fibers can monitor is 6,mm．Thus plastic optical fibers can be well applied to crack monitoring of concrete structures when taking optical loss as monitoring index and peak of Fresnel reflection as position index.

plastic optical fiber；optical time domain reflection；crack monitoring；optical loss；Fresnel reflection

the National Key Research and Development Program of China(No.,2016YFC0401601) ， the National Natural ScienceFoundation of China(No.,51579086，No.,51739003，No.,51479054，No.,51379068 and No.,41323001)，the Jiangsu Funds for Distinguished Youth(No.,BK20140039) and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (No.,YS11001).

TV698.1

A

0493-2137(2018)11-1195-06

10.11784/tdxbz201711074

2017-11-21；

2018-04-20.

包騰飛（1974—），男，博士，教授.

包騰飛，baotf@hhu.edu.cn.

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃資助項(xiàng)目(2016YFC0401601)；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579086，51739003，51479054，51379068，41323001)；江蘇省杰出青年基金資助項(xiàng)目(BK20140039)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(水利工程)(YS11001).