楊 杰，張 凱，程 琳，王趙漢，李亞明

(1.西安理工大學(xué) 水利水電學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 陜西 西安 710048；3.海南天鴻市政設(shè)計(jì)股份有限公司，海南 ?？?570208)

0 引言

裂縫是判斷混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況的重要指標(biāo)，裂縫的存在使結(jié)構(gòu)的整體性遭到破壞，并造成內(nèi)部鋼筋的銹蝕，嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。在實(shí)際工程中，不同建筑物及不同工作環(huán)境使其對(duì)裂縫監(jiān)測(cè)具有不同要求，研究可適應(yīng)不同工程實(shí)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(qiáng)和耐腐蝕等優(yōu)勢(shì)，受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-7]。

近年來，隨著研究的不斷深入，光纖傳感器在結(jié)構(gòu)裂縫及位移監(jiān)測(cè)方面已取得了大量研究成果。過去有學(xué)者在考慮各種彎曲半徑、光纖圈數(shù)、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(jì)算公式，且與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(shí)域反射計(jì)(OTDR)測(cè)量被測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變量或位移量，傳感器位移監(jiān)測(cè)量程為3 mm。近幾年，程琳等[10]提出了一種齒輪傳動(dòng)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(guān)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(dá)120 mm，但在實(shí)際使用中由于光纖始終處于拉伸狀態(tài)，在較大位移時(shí)光纖易被拉斷。

針對(duì)以上光纖裂縫傳感器在實(shí)際應(yīng)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的可行性，并對(duì)傳感器的工作性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及裂縫監(jiān)測(cè)原理

1.1 傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

光纖裂縫傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要傳感結(jié)構(gòu)為一根裸光纖兩端對(duì)折穿入兩段內(nèi)徑2 mm、長度均為3 cm的毛細(xì)鋼管中。其中，光纖兩端自由穿過第一段毛細(xì)鋼管，其作用是約束光纖形成彎曲并保護(hù)光纖，再將光纖兩端穿入第二段毛細(xì)鋼管中，用環(huán)氧樹脂膠將該段光纖封裝在第二段毛細(xì)管中，使該段光纖與毛細(xì)鋼管保持同步移動(dòng)。兩段毛細(xì)鋼管分別固定于裂縫兩側(cè)，當(dāng)裂縫發(fā)生時(shí)，兩段毛細(xì)鋼管將會(huì)隨裂縫兩側(cè)混凝土向兩側(cè)移動(dòng)，裂縫開展會(huì)拉動(dòng)第一段毛細(xì)鋼管中的光纖，從而引起光纖彎曲段尺寸變?。蝗袅芽p在外部荷載作用下發(fā)生閉合，兩段毛細(xì)鋼管將會(huì)相互靠近，光纖彎曲段尺寸將會(huì)逐漸恢復(fù)。光纖彎曲段的尺寸變化會(huì)引起傳感器光損耗值的變化，使用光功率計(jì)可以監(jiān)測(cè)到這個(gè)變化過程，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫的監(jiān)測(cè)。主要傳感原理為：在傳感器中預(yù)先設(shè)置彎曲段光纖，即預(yù)先給定一個(gè)光纖損耗值，通過改變彎曲段光纖尺寸大小使光功率發(fā)生變化，再建立裂縫寬度與光損耗關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫的監(jiān)測(cè)。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 彎曲損耗與裂縫寬度的理論關(guān)系

當(dāng)光纖彎曲后，就會(huì)發(fā)生沿光纖彎曲半徑方向的能量輻射，原有光波導(dǎo)中的傳導(dǎo)模將變?yōu)檩椛淠?，從而引起彎曲損耗。對(duì)于階躍單模光纖，當(dāng)彎曲半徑為R時(shí)，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(duì)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(huì)產(chǎn)生固定的損耗，損耗大小與R有關(guān)，而R與裂縫寬度Δl同樣為一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)傳感器結(jié)構(gòu)可得出R與Δl的關(guān)系為

(4)

式中：a為彎曲段光纖初始半徑；α為光纖與毛細(xì)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(guān)系為

(5)

式中：ΔLs為Δl時(shí)對(duì)應(yīng)的光損耗值；b為與傳感器彎曲段尺寸有關(guān)的常數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)過程

由光纖彎曲損耗特性可知，彎曲段尺寸較大時(shí)，彎曲損耗非常微小，光功率變化難以被儀器監(jiān)測(cè)到，因此，為保證傳感器具有較高的初始靈敏度，首先，通過實(shí)驗(yàn)確定了彎曲段光纖臨界損耗尺寸，測(cè)得了最敏感直徑區(qū)間。然后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的可行性。

實(shí)驗(yàn)過程為：將有機(jī)玻璃板和微位移調(diào)節(jié)平臺(tái)固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，采用環(huán)氧樹脂膠將兩段毛細(xì)管分別粘貼在有機(jī)玻璃板和微位移調(diào)節(jié)平臺(tái)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(jì)。通過調(diào)節(jié)微位移調(diào)節(jié)平臺(tái)模擬裂縫和控制裂縫的擴(kuò)展和閉合，并記錄相應(yīng)的光功率計(jì)的讀數(shù)和裂縫開度值。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)中，裂縫寬度從0開始逐漸增加，設(shè)置裂縫寬度最小給進(jìn)量為0.5 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

光損耗值與彎曲段光纖直徑對(duì)應(yīng)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖可知，初始時(shí)，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(shí)光纖彎曲損耗較小可忽略；當(dāng)彎曲段直徑達(dá)到26 mm時(shí)，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(shí)彎曲段光纖開始產(chǎn)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(xù)增大，但此階段光損耗曲線上升較平緩，損耗不明顯；當(dāng)彎曲段直徑達(dá)到12 mm時(shí)，光損耗曲線上升明顯，呈近似線性分布，此階段光損耗對(duì)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(dāng)彎曲段光纖直徑達(dá)到5 mm時(shí)，由于毛細(xì)鋼管徑限制，彎曲段光纖直徑不再減小。因此，對(duì)于波長為1 550 nm的光，光功率計(jì)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(qū)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(jù)。

圖3 光損耗值與彎曲段直徑關(guān)系

由于過小的彎曲段初始直徑會(huì)導(dǎo)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(jī)板玻璃板模擬裂縫監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)中，彎曲段光纖初始直徑設(shè)置為12 mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 光損耗值與裂縫寬度關(guān)系

由圖4可知，光功率衰減對(duì)Δl的改變很敏感，光損耗值隨著Δl的增加呈指數(shù)型增長，說明傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫具有良好的監(jiān)測(cè)能力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果中模擬裂縫擴(kuò)展與閉合實(shí)驗(yàn)曲線基本重合，可知傳感器不僅能監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)裂縫的開展過程，還可監(jiān)測(cè)到由于荷載改變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)裂縫閉合過程。圖4中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論擬合吻合度很高，由此得出當(dāng)彎曲段光纖初始直徑為12 mm時(shí)半經(jīng)驗(yàn)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(jì)算公式,即平均式為

exp[-0.70(12-0.25Δl)]

(8)

本次實(shí)驗(yàn)通過有機(jī)玻璃板模擬裂縫驗(yàn)證了傳感器監(jiān)測(cè)裂縫的可行性和有效性，傳感器對(duì)0.5 mm級(jí)裂縫感知效果良好，實(shí)驗(yàn)中最大模擬Δl為20 mm，對(duì)應(yīng)的彎曲段光纖直徑為5 mm。在應(yīng)用中可根據(jù)工程實(shí)際對(duì)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(jiān)測(cè)需求的同時(shí)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(cè)試與分析

在實(shí)際工程中，結(jié)構(gòu)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(wěn)定性和重復(fù)性。由傳感器結(jié)構(gòu)可知，在使用時(shí)彎曲段光纖長期保持彎曲狀態(tài)，可能會(huì)產(chǎn)生塑性變形，影響傳感器靈敏度，破壞傳感器的長期穩(wěn)定性?；诖耍疚倪M(jìn)行了多次裂縫擴(kuò)展和閉合的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)傳感器性能進(jìn)行了測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。采用兩混凝土塊模擬混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的開展與閉合，為實(shí)現(xiàn)對(duì)裂縫開度的精確控制，將微位移調(diào)節(jié)平臺(tái)與其中一混凝土塊固定，再將傳感器中的兩根毛細(xì)鋼管分別粘貼于微位移調(diào)節(jié)平臺(tái)和另一混凝土塊表面。實(shí)驗(yàn)中設(shè)定傳感器彎曲段初始直徑為12 mm，裂縫最小給進(jìn)量5 mm，進(jìn)行10次裂縫加載和卸載實(shí)驗(yàn)，采用光功率計(jì)讀取每一裂縫開度對(duì)應(yīng)的光功率值，讀數(shù)時(shí)間間隔30 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表1 光損耗值與裂縫寬度關(guān)系表

由表1可知，性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果與傳感器驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，裂縫加載和卸載過程中同一裂縫開度對(duì)應(yīng)的光功率損耗值基本穩(wěn)定，極差不超過0.05 dB。實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)光損耗值的最大標(biāo)準(zhǔn)偏差僅為0.021 8 dB，表明傳感器具有良好的長期穩(wěn)定性和重復(fù)性。

4 結(jié)束語

本文基于光纖彎曲損耗原理設(shè)計(jì)了一種用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)的光纖傳感器，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，傳感器可很好地感知裂縫的發(fā)生并記錄其擴(kuò)展和閉合過程，對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性。針對(duì)不同的工程實(shí)際，通過設(shè)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(xiàn)有的光纖裂縫傳感器相比，該傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、量程和靈敏度可控等特點(diǎn)，更適用于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)。