李春峰， 何文勇， 羅勇， 鄒源江

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司， 貴州 貴陽(yáng) 550001)

1 引言

布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA)是在布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)的基礎(chǔ)上，發(fā)展起來(lái)的一種新型光電測(cè)試技術(shù)，它綜合利用布里淵散射光的光譜技術(shù)和光時(shí)域測(cè)量技術(shù)，可分布式測(cè)試沿傳感光纖的環(huán)境溫度。該技術(shù)具有分布式、測(cè)試精度高、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)狀態(tài)參量的絕對(duì)測(cè)量、測(cè)量信號(hào)的傳輸和采集系統(tǒng)簡(jiǎn)化、兼?zhèn)鋫鞲泻蛡鬏敼δ?、可?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的檢測(cè)與傳輸、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕、長(zhǎng)壽命、使用期限內(nèi)維護(hù)費(fèi)用低等一系列優(yōu)點(diǎn)，但目前解調(diào)設(shè)備成本較高。常規(guī)點(diǎn)式傳感器只能對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，并且存在測(cè)試導(dǎo)線多、埋設(shè)不便等缺點(diǎn)。目前，BOTDA技術(shù)在國(guó)外已取得豐碩的成果，測(cè)試精度不斷提高。日本Neuberx公司、瑞士Smartece和Omnisens公司、美國(guó)MOI公司、加拿大OZ公司等相繼推出商用測(cè)試系統(tǒng)。近10年來(lái)，中國(guó)部分研究機(jī)構(gòu)對(duì)BOTDA、BOTDR技術(shù)開展大量理論及試驗(yàn)研究，并將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到重大工程測(cè)試，取得了一系列成果。BOTDA技術(shù)的應(yīng)用及研發(fā)，對(duì)中國(guó)重大工程的安全監(jiān)測(cè)、健康診斷、理論研究等具有重大意義。

大體積混凝土澆筑后，當(dāng)升溫過程中表面拉應(yīng)力和降溫過程中收縮應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫甚至結(jié)構(gòu)破壞。因此溫度監(jiān)測(cè)是大體積混凝土結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的一個(gè)重要內(nèi)容，應(yīng)在施工過程中采取相應(yīng)措施控制混凝土內(nèi)的溫度，避免在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生有害裂縫。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)大體積混凝土溫度測(cè)試方面開展了大量、持續(xù)的研究，而利用BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)測(cè)試大體積混凝土溫度的研究較少。

該文基于BOTDA技術(shù)，通過專門的測(cè)溫光纜，開展大體積混凝土溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)研究。

2 BOTDA光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介

光散射是指光波在光纖中傳播時(shí)偏離原傳播方向向其他任意方向彌散的現(xiàn)象。光散射包括非純凈介質(zhì)和純凈介質(zhì)中的光散射現(xiàn)象。純凈介質(zhì)中的光散射主要包括瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射3種類型。

布里淵散射為非線性光散射，其頻率漂移主要取決于光纖介質(zhì)的聲學(xué)、彈性力學(xué)和熱彈性力學(xué)等特性。當(dāng)傳感光纖所在環(huán)境的應(yīng)變和溫度等發(fā)生變化時(shí)，就會(huì)引起光纖介質(zhì)特性的改變，進(jìn)而引起頻率漂移。基于布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(BOTDA)的基本原理為：分別從傳感光纖的兩端注入光源作為泵浦光和探測(cè)光，調(diào)節(jié)兩束光的頻差，使布里淵散射增益值最大，通過檢測(cè)傳感光纖中受激布里淵散射光頻漂，并根據(jù)頻漂與傳感光纖環(huán)境的應(yīng)變、溫度之間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變和溫度的分布式測(cè)量。其系統(tǒng)原理框圖見圖1。

圖1 BOTDA系統(tǒng)原理圖

傳感光纖的布里淵頻漂與其所在環(huán)境的應(yīng)變和溫度變量之間存在線性關(guān)系。光纖所受的軸向應(yīng)變、所在的環(huán)境溫度變化量與布里淵頻漂量之間的關(guān)系為：

(1)

式中:υB(0)為初始應(yīng)變和初始溫度時(shí)的布里淵中心頻率；υB(ε,θ)為應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟圈鹊牟祭餃Y中心頻率；dυB(θ)/dθ為溫度比例系數(shù)；dυB(ε)/dε為應(yīng)變比例系數(shù)；θ-θ0為光纖溫度變化值；ε為光纖應(yīng)變變化值。

3 溫度測(cè)試系統(tǒng)

基于BOTDA的分布式溫度測(cè)試系統(tǒng)主要包括分布式光纖應(yīng)變溫度傳感儀及溫度傳感光纖；同時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況及需要配置其他的外接控制系統(tǒng)。

3.1 分布式應(yīng)變溫度傳感儀

分布式光纖應(yīng)變溫度傳感儀為布里淵光時(shí)域分析解調(diào)設(shè)備。儀器主要組件包括：① 泵浦、探測(cè)激光器；② 反向散射光接收器；③ 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；④ 光信號(hào)轉(zhuǎn)化為溫度和其位置信號(hào)的微處理系統(tǒng)；⑤ 包含外部控制接口的通信模塊；⑥ 存儲(chǔ)設(shè)備；⑦ 操作系統(tǒng)及軟件。該設(shè)備溫度測(cè)量范圍為-270～+800 ℃(取決于傳感光纖材料)，距離采樣分辨率最小5 cm，空間分辨率為0.2 m，溫度分辨率為0.005 ℃，溫度測(cè)量精度為0.5 ℃。

3.2 溫度傳感器

溫度傳感器為專門設(shè)計(jì)定制的測(cè)溫光纜。該光纜為圓形結(jié)構(gòu)，中心平行結(jié)構(gòu)單元包括松套光纜、不銹鋼鎧和外套層。測(cè)溫光纜能消除外界應(yīng)力，避免采集到的布里淵頻漂信號(hào)受應(yīng)變的影響，故光纜應(yīng)變變化值ε為0；經(jīng)室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)，溫度比例系數(shù)dυB(θ)/dθ為0.998 MHz / ℃；光纜布置時(shí)測(cè)試初始溫度θ0及只受環(huán)境溫度影響的初始中心頻率υB(0)；根據(jù)以上條件，可通過測(cè)試布里淵中心頻率υB(ε,θ)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度θ的測(cè)試。

4 工程應(yīng)用

4.1 工程概況

赫章特大橋?yàn)檎鶚?，全長(zhǎng)1 072.8 m，上部結(jié)構(gòu)為9×40 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁橋+(96+2×180+96) m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋+5×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)連續(xù)T梁橋。11#主墩為雙肢薄壁墩，墩高195 m，群樁基礎(chǔ)，承臺(tái)體積為23 m×27 m×6 m=3 726 m3；引橋除8#墩為薄壁墩，群樁基礎(chǔ)外，其余橋墩為雙柱式橋墩，樁基礎(chǔ)；橋臺(tái)為重力式U形臺(tái)，其基礎(chǔ)為擴(kuò)大基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)荷載：公路-Ⅰ級(jí)。

4.2 光纜鋪設(shè)

該文旨在探求基于BOTDA在大體積混凝土溫度測(cè)試中的可行性和可靠性，不側(cè)重對(duì)大體積混凝土溫度的全面測(cè)試。故僅在11#主墩承臺(tái)中選取典型的斷面布置光纜，見圖2(a)，斷面內(nèi)光纜的位置及米標(biāo)見圖2(b)。測(cè)溫光纜總長(zhǎng)58 m，0～1.0 m及57.4～58 m在承臺(tái)外。光纜布設(shè)時(shí)用扎帶沿鋼筋綁扎，并將光纜布設(shè)于不易被破壞的位置。該種鋪設(shè)方式有利于光纜的定位，同時(shí)能較好地保護(hù)光纜，避免施工損壞。承臺(tái)澆筑完成后，在光纜兩端分別連接FC/APC跳線，將其保護(hù)于接線盒，并修建保護(hù)室避免施工破壞。

圖2 承臺(tái)內(nèi)測(cè)溫光纜布置示意圖(單位：m)

4.3 測(cè)試成果分析及討論

4.3.1 光纜測(cè)試結(jié)果

赫章特大橋11#主墩承臺(tái)大體積混凝土從2011年2月14日至2011年2月17日連續(xù)澆筑3 d。根據(jù)研究目的、大體積混凝土澆筑后溫度變化特征、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試條件，從2011年2月18日至2011年2月21日連續(xù)測(cè)試4 d，溫度測(cè)試成果見圖3，其橫軸表示光纜的位置，沿光纜每隔5 cm采集對(duì)應(yīng)點(diǎn)的溫度值，對(duì)照?qǐng)D2可知在承臺(tái)中的位置，縱軸表示對(duì)應(yīng)位置光纜測(cè)試溫度值。為研究大體積混凝土內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的溫度變化，在現(xiàn)場(chǎng)條件允許的情況下，于2011年7月19日、2011年11月15日、2011年12月27日進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試成果亦示于圖3中。

圖3 歷次測(cè)試位置-溫度關(guān)系總圖

4.3.2 光纜測(cè)溫結(jié)果分析

根據(jù)歷次測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)(圖3)及光纜的埋設(shè)情況對(duì)比分析可知：

(1) 承臺(tái)內(nèi)1.0～6.8 m與57.4～51.6 m光纜埋設(shè)位置相同、34.6～40.7 m與46.8～40.7 m光纜以40.7 m為中心對(duì)稱布置、22.1～48.4 m位置相同，各相同點(diǎn)位歷次測(cè)試溫度值基本吻合，局部位置溫度存在差異，最大差值為0.2 ℃。這說(shuō)明光纜測(cè)試混凝土溫度穩(wěn)定、可靠。

(2) 承臺(tái)外0～1.0 m、57.4～58.0 m光纜各點(diǎn)位測(cè)試的是承臺(tái)外光纜所在環(huán)境的溫度。各點(diǎn)位同一次測(cè)試溫度值相同，在圖3中該段光纜測(cè)試溫度為平直線。傳感光纖及溫度計(jì)測(cè)試環(huán)境溫度情況見表1。

表1 傳感光纖及溫度計(jì)實(shí)測(cè)環(huán)境溫度對(duì)照

2011年2月18日至21日，承臺(tái)頂蓄水，光纜放置其中，環(huán)境溫度并不是指氣溫，而是測(cè)溫光纜周邊的環(huán)境溫度。從表1可知：溫度計(jì)測(cè)試的環(huán)境溫度與光纜測(cè)試的環(huán)境溫度值在同一次基本吻合，最大差值為0.08 ℃。驗(yàn)證了光纜測(cè)溫的準(zhǔn)確性。

4.3.3 點(diǎn)式溫度傳感器測(cè)溫對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證BOTDA分布式光纖技術(shù)測(cè)試大體積混凝土溫度的準(zhǔn)確性及可靠性，分別在測(cè)溫光纜12.8、16.0、27.4、29.0、40.7、57.4 m處埋設(shè)點(diǎn)式溫度傳感器CD1、CD2、CD3、CD4、CD5、CD6，見圖3。溫度傳感器采用半導(dǎo)體類電壓型JMT-36B溫度傳感器。在設(shè)計(jì)位置布置完傳感器后，利用讀數(shù)儀測(cè)試并計(jì)算各狀態(tài)下各測(cè)點(diǎn)的溫度值。各測(cè)點(diǎn)處光纜及傳感器歷次測(cè)試溫度值對(duì)比見表2。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：不同測(cè)試時(shí)間，各溫度傳感器測(cè)試溫度與傳感光纖在該處測(cè)試的溫度值基本吻合，最大差值僅為0.23 ℃。進(jìn)而驗(yàn)證了光纜測(cè)溫的準(zhǔn)確性。點(diǎn)式溫度傳感器僅能測(cè)試布置位置的溫度值，而分布式光纖能實(shí)現(xiàn)光纖每個(gè)位置的溫度測(cè)試，便于全面掌握大體積混凝土內(nèi)的溫度。

表2 傳感光纖及溫度傳感器實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)溫度對(duì)照表

續(xù)表2

測(cè)試時(shí)間不同光纜位置(m)的測(cè)試溫度/℃12.8光纜CD116.0光纜CD227.4光纜CD329.0光纜CD440.7光纜CD557.4光纜CD62011-11-1513.4513.307.817.7014.3114.4013.6213.718.808.9119.9519.902011-12-2710.6510.457.387.4010.8811.0210.8310.807.877.875.015.00

5 結(jié)論

以貴州省赫章特大橋11#主墩承臺(tái)大體積混凝土內(nèi)溫度測(cè)試為實(shí)例，研究基于布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)的分布式光纖傳感技術(shù)在大體積混凝土溫度測(cè)試方面應(yīng)用的準(zhǔn)確性及可靠性，得到以下主要結(jié)論：

(1) 分布式光纖傳感技術(shù)用于大體積混凝土溫度測(cè)試時(shí)，各相同點(diǎn)位歷次測(cè)試溫度值基本吻合，局部位置溫度存在差異，最大差值為0.2 ℃。分布式光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)的溫度計(jì)對(duì)環(huán)境溫度測(cè)試結(jié)果相比較，其測(cè)試值基本吻合，最大差值為0.08 ℃。

(2) 分布式光纖傳感技術(shù)與傳統(tǒng)的溫度傳感器對(duì)混凝土的溫度測(cè)試結(jié)果相比較，其測(cè)值基本吻合，最大差值僅為0.23 ℃。

(3) 基于布里淵光時(shí)域分析的分布式光纖傳感技術(shù)完全可對(duì)大體積混凝土的溫度實(shí)現(xiàn)分布式精確測(cè)試，溫度測(cè)量精度為0.3 ℃，符合客觀實(shí)際及儀器性能指標(biāo)，成果可靠、準(zhǔn)確。分布式光纖溫度測(cè)試對(duì)全面掌握大體積混凝土內(nèi)的溫度及其變化過程，建立實(shí)時(shí)三維溫度場(chǎng)；進(jìn)而控制大體積混凝土內(nèi)、外的溫度差，為防止裂縫的產(chǎn)生及結(jié)構(gòu)破壞等提供了先進(jìn)可靠的測(cè)試技術(shù)。