錢容琨

(合肥工業(yè)大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，安徽 合肥 230009)

0 引 言

近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展,橋梁事業(yè)也發(fā)展得如火如荼。但是,橋梁的發(fā)展在帶給我們生活諸多便利的同時(shí),也存在著一些安全隱患問題，這同樣需要我們給予關(guān)注。頻發(fā)的橋梁事故,一次次地給我們敲響警鐘[1]。因此,為確保大型橋梁結(jié)構(gòu)的承載能力以及正常運(yùn)營能力,需要對(duì)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)并評(píng)價(jià)其安全情況,使橋梁的管理和維護(hù)部門能夠及時(shí)對(duì)有問題的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有針對(duì)性的處理,這不僅可以大幅度減少橋梁維養(yǎng)的開支,還能避免重大安全事故[2,3]。由于橋梁結(jié)構(gòu)混凝土中含有大量水泥漿體,因此必然存在一段固化養(yǎng)護(hù)期。此階段不僅其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了劇烈變化,同時(shí)宏觀的力學(xué)性能也在迅速發(fā)展[4]，故通過監(jiān)測(cè)混凝土固化過程中濕度等參數(shù)的變化,從而掌握其固化反應(yīng)歷程,對(duì)于橋梁安全監(jiān)測(cè)來說尤為必要[5]。近年來,光纖傳感系統(tǒng)在橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,給學(xué)者們?cè)诨炷羶?nèi)部濕度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域提供了新的研究思路。

塑料光纖由于韌性好、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn),用其為原材料制作而成的傳感器,可以在眾多傳統(tǒng)傳感器無法正常工作的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)的監(jiān)測(cè)[6]。因此，光纖傳感器被逐漸應(yīng)用于混凝土固化過程的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。2001年,重慶大學(xué)的朱永等[1]嘗試使用光纖琺珀傳感器來監(jiān)測(cè)混凝土固化期的收縮應(yīng)變大小,并且發(fā)現(xiàn)在一定的條件下該傳感器的溫度穩(wěn)定性良好,其測(cè)得的數(shù)據(jù)基本不受外界溫度改變的影響。2006年,石家莊鐵道學(xué)院的劉永前等[8]嘗試對(duì)秦沈客運(yùn)專線中的遼河特大橋的澆筑過程實(shí)施監(jiān)測(cè),他們選取了法布里-珀羅(F-P)光纖傳感器來完成這一長(zhǎng)期的過程。該研究結(jié)果表明,光纖溫度傳感器耐久性及穩(wěn)定性良好,可以適應(yīng)施工現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境并滿足長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的要求。2012年,馬薩諸塞大學(xué)的Zou Xiaotian等[9]設(shè)計(jì)開發(fā)了一種自制新型的F-P光纖溫度傳感器,并將此傳感器用來測(cè)量混凝土在水化過程中溫度的變化,通過試驗(yàn)得到混凝土試件中心的溫度在水化過程中最高達(dá)到了59.7℃。2013年,西安交通大學(xué)的Luo Dong等[10]對(duì)一種新型的錐形多模光纖溫度傳感器進(jìn)行了研究,并使用該傳感器對(duì)水泥的水化過程進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)?？梢?光纖傳感器在混凝土固化過程監(jiān)測(cè)中已取得了一定的進(jìn)展,但缺乏一種可以精確、連續(xù)監(jiān)測(cè)其濕度變化的方法?；诖?本文嘗試開發(fā)一種基于塑料光纖的濕度傳感器,為混凝土內(nèi)部濕度監(jiān)測(cè)提供新的解決方案。

1 刻槽光纖濕度傳感系統(tǒng)搭建

1.1 工作原理

基于光纖損耗原理,本文設(shè)計(jì)出一種經(jīng)刻槽處理的塑料光纖傳感器。通常情況下,塑料光纖由于受到外包層保護(hù),在傳輸中的損耗是很小的。所以當(dāng)塑料光纖所處外界環(huán)境的濕度發(fā)生變化時(shí),光纖損耗并不會(huì)受到影響,也就意味著無法實(shí)現(xiàn)將外界濕度信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的調(diào)制工作。對(duì)塑料光纖傳感元件部分進(jìn)行了刻槽處理后,意味著更多的光參與了調(diào)制,使得傳感元件對(duì)于外界濕度的變化變得敏感。其中,因刻槽產(chǎn)生的損耗值大小可由光纖損耗理論推導(dǎo)而得,下面將詳細(xì)介紹推導(dǎo)過程。

刻槽光纖屬于端面分離的連接損耗同類型問題,其數(shù)值大小和發(fā)射端光線在接收端投影面積有關(guān)[11]。刻槽光纖的結(jié)構(gòu)如圖1所示,凹槽可以考慮為光纖間的連接間隙,凹槽一側(cè)為發(fā)射端,另一側(cè)為接收端,凹槽寬度為d,深度為h;β是最大投射角,其大小與光纖數(shù)值孔徑NA和凹槽內(nèi)介質(zhì)折射率n0有關(guān),sinβ=NA/n0;光纖半徑為a,x代表發(fā)射端光的最大投射高度,其大小由凹槽寬度d以及最大投射角β決定,即x=d×tanβ。

圖1 刻槽光纖結(jié)構(gòu)示意圖

光纖經(jīng)刻槽處理后,發(fā)射端投射出的光線在接收端的投影為接收端光纖面積加上2個(gè)扇形的差,如圖2所示。

圖2 發(fā)射端光線在接收端投影圖

投影的面積可由扇形面積公式求得:

S=[(r+d×tanβ)2-r2]×arccos(r-hr)+πr2

(1)

則在光纖上刻一個(gè)槽所產(chǎn)生的損耗為:

Ld=-10 lgπr2[(r+d×tanβ)2-r2]×arccos(r-hr)+πr2

(2)

此外,制作光纖傳感器元件時(shí),也不可避免地會(huì)產(chǎn)生一些彎曲損耗,但由于測(cè)得的值是相對(duì)值,因此只需保證測(cè)量中彎曲損耗不變化即可,也就是說要對(duì)其彎曲程度進(jìn)行控制。若是刻n個(gè)槽,刻槽產(chǎn)生的損耗為nLd。結(jié)合公式(2)及試驗(yàn)的實(shí)際情況考慮,本文選擇凹槽個(gè)數(shù)15,槽深100 μm,槽寬80 μm,光纖直徑1 000 μm的多模塑料光纖,用于后續(xù)的試驗(yàn)探究。

1.2 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本傳感器系統(tǒng)是在基于光纖損耗原理的理論基礎(chǔ)以及光強(qiáng)度調(diào)制型傳感器實(shí)際應(yīng)用的實(shí)踐基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)主要由光源、傳感元件及數(shù)據(jù)采集設(shè)備三部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)外界相對(duì)濕度發(fā)生變化,凹槽內(nèi)介質(zhì)折射率隨之改變。根據(jù)公式(2),推知光纖損耗值也會(huì)發(fā)生變化。而接收端的裝置則可以捕捉到這一信息。最后通過PC端將信息轉(zhuǎn)化為具體的相對(duì)濕度值變化,從而實(shí)現(xiàn)外界濕度變化的測(cè)量工作。

圖3 濕度傳感系統(tǒng)裝置示意圖

本試驗(yàn)中,光源部分選用日本基恩士公司生產(chǎn)的FS-N11MN型裝置,此裝置與光纖易耦合且耦合效率高,可以降低因光源與光纖耦合產(chǎn)生的損耗誤差。數(shù)據(jù)采集設(shè)備選用的是上海TriBrer公司生產(chǎn)的BPM-100NT型光功率計(jì),該功率計(jì)測(cè)量精度為0.2 dB,符合試驗(yàn)的精度要求。傳感元件部分由刻槽光纖穿孔纏繞于空心PVC管制作而成,目的是為了控制試驗(yàn)中光纖系統(tǒng)可能產(chǎn)生的彎曲損耗。

1.3 標(biāo)定試驗(yàn)

本試驗(yàn)的目的是為了找到該傳感系統(tǒng)接收端接收到的相對(duì)光功率變化值與相對(duì)濕度變化的關(guān)系,所以需要?jiǎng)?chuàng)造一個(gè)可以調(diào)節(jié)濕度的環(huán)境,并且還要明確知道該環(huán)境的相對(duì)濕度值。故本試驗(yàn)考慮將傳感元件部分放置于試驗(yàn)室用溫濕度控制箱中,通過調(diào)整溫濕度控制箱內(nèi)的濕度來達(dá)到改變外界濕度的目的,再記錄下對(duì)應(yīng)的光功率計(jì)顯示的相對(duì)光功率值,便可以分析其對(duì)應(yīng)關(guān)系。其具體的實(shí)驗(yàn)室裝置布置如圖4所示。

圖4 光纖濕度傳感器標(biāo)定試驗(yàn)裝置圖

試驗(yàn)選取濕度傳感系統(tǒng)中的一個(gè)測(cè)點(diǎn)來進(jìn)行測(cè)量,具體的操作步驟如下:將傳感元件部分放入溫濕度控制箱中,光纖的一端連接光源,另一端連接光功率計(jì),通過溫濕度控制儀可以控制箱內(nèi)的溫濕度水平。先將相對(duì)濕度值調(diào)整至最低,由于箱內(nèi)的相對(duì)濕度達(dá)不到0,所以選擇調(diào)整至5%,待光功率計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后,記錄下初始的濕度值和相對(duì)功率值。隨后將相對(duì)濕度值調(diào)高5%,同樣地,待光功率計(jì)讀數(shù)穩(wěn)定后記錄下讀數(shù)。如此重復(fù)多次,直至相對(duì)濕度值調(diào)整至最高為止。靜置直至讀數(shù)穩(wěn)定后,將相對(duì)濕度值調(diào)低5%。與上述方法相同,待讀數(shù)穩(wěn)定后記錄讀數(shù)并與調(diào)高相對(duì)濕度時(shí)的讀數(shù)對(duì)比,重復(fù)操作直至相對(duì)濕度調(diào)整至最低。這樣做的目的是為了對(duì)該傳感器的可逆性能進(jìn)行評(píng)估。同時(shí),為了減小試驗(yàn)的偶然誤差,每次試驗(yàn)都要重復(fù)3次,并檢查有無明顯有偏差的數(shù)據(jù)。最后取平均值繪制關(guān)系圖,并將數(shù)據(jù)擬合。最終得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 相對(duì)光功率-相對(duì)濕度關(guān)系圖

其中擬合曲線的一些關(guān)鍵參數(shù)見表1。

表1 相對(duì)濕度與相對(duì)光功率擬合曲線參數(shù)

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)刻槽處理的光纖傳感器對(duì)相對(duì)濕度的變化有著良好的敏感性。相關(guān)系數(shù)數(shù)值在0.98以上,說明通過光功率計(jì)測(cè)得的相對(duì)光功率數(shù)值與相對(duì)濕度變化之間存在良好的線性關(guān)系,兩者的關(guān)系式如下。

Δy=0.00811Δx

(3)

式中,Δy表示相對(duì)光功率變化值;Δx表示相對(duì)濕度變化值。

2 混凝土固化過程監(jiān)測(cè)

2.1 試驗(yàn)方案

本文擬選取兩種方法對(duì)混凝土固化過程中的濕度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一種使用的是上文所述的基于塑料光纖的濕度傳感器,另一種使用的是妙昕公司生產(chǎn)的TH22R-EX型高精度自動(dòng)溫濕度記錄儀作為對(duì)照。該記錄儀傳感元件部分可直接埋入混凝土內(nèi)部。在使用時(shí),由于其探頭部分直徑相對(duì)于固定塑料光纖使用到的PVC空心管的孔徑要小,所以可直接放置于PVC空心管中。將PVC管埋入混凝土試件中,其埋置位置如圖6所示。待兩種傳感器的初始值校對(duì)完成之后開始進(jìn)行測(cè)量。

圖6 混凝土內(nèi)部濕度監(jiān)測(cè)示意圖

固化過程監(jiān)測(cè)試驗(yàn)是在體積為15 cm×15 cm×15 cm的立方金屬模具中制作的混凝土試件內(nèi)進(jìn)行的。首先在距模具底部25 mm處畫線標(biāo)記,待混凝土澆筑至此高度后,將用PVC空心管固定的塑料光纖傳感元件以及濕度探頭固定在此位置,之后立即繼續(xù)澆筑并振搗成型,直至澆筑完成。其中混凝土配制采用下述配合比:1.5 kg硅酸鹽水泥(標(biāo)號(hào)32.5),3.74 kg砂,4.49 kg碎石以及0.73 kg的水。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本節(jié)共監(jiān)測(cè)記錄了從混凝凝土試件澆筑振搗完成開始一直至28d齡期時(shí)的相對(duì)光功率變化情況。待混凝土試件澆筑完成后,立即將預(yù)留在試件外部的光纖一端連接光源,一端連接光功率計(jì)開始監(jiān)測(cè)相對(duì)光功率值的變化。同時(shí)我們利用式(3)中相對(duì)濕度與相對(duì)光功率的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,將相對(duì)光功率的變化轉(zhuǎn)化為相對(duì)濕度的變化,從而得到混凝土固化過程中相對(duì)濕度隨時(shí)間變化的關(guān)系,并與TH22R-EX型自動(dòng)溫濕度儀得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,最終得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 相對(duì)濕度-齡期關(guān)系圖

從圖7中可以看出，在混凝土試件剛澆筑完成的前幾天內(nèi),其內(nèi)部相對(duì)濕度一直維持在100%。這是由于在固化初期,它的內(nèi)部含有大量的自由水,處于一個(gè)水汽飽和的狀態(tài)。隨后其內(nèi)部濕度開始呈逐漸下降的趨勢(shì),但是使用塑料光纖濕度傳感器與自動(dòng)溫濕度儀測(cè)得的數(shù)據(jù)卻存在著一定的偏差。這可能與塑料光纖傳感元件所處的邊界條件有一定的聯(lián)系。在標(biāo)定時(shí)傳感元件處于溫濕度控制箱中,是一種無約束的邊界條件。在埋入混凝土試件以后,邊界條件從固化初期的固體液體混合的狀態(tài)逐漸變化成固化末期固體的狀態(tài)。而且隨著混凝土試件強(qiáng)度的增長(zhǎng),傳感元件所處的邊界條件也在不斷發(fā)生變化。故將標(biāo)定試驗(yàn)得出的關(guān)系應(yīng)用于內(nèi)部濕度測(cè)量中還是存在一定的缺陷。相信通過改進(jìn),該傳感器的精度和靈敏度將進(jìn)一步提高。

3 結(jié) 論

本文運(yùn)用的光纖監(jiān)測(cè)混凝土澆筑過程的測(cè)量方法不受橋梁現(xiàn)場(chǎng)的一些不利因素的影響,可用于各種橋型施工澆筑過程中的監(jiān)測(cè),而且安裝便捷、造價(jià)低。文章通過試驗(yàn)驗(yàn)證了傳感器的準(zhǔn)確性以及可行性,在上述工作基礎(chǔ)上可以得到以下結(jié)論:

(1)凹槽深度、寬度、個(gè)數(shù)以及光纖直徑的選擇均會(huì)對(duì)刻槽光纖濕度傳感器的靈敏度產(chǎn)生影響。

(2)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明,刻槽光纖濕度傳感器所測(cè)的相對(duì)光功率值變化與相對(duì)濕度變化之間存在良好的線性關(guān)系。

(3)本文將自制的刻槽光纖濕度傳感器與妙昕TH22R-EX型自動(dòng)溫濕度記錄儀測(cè)得的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)兩者所測(cè)得的濕度變化趨勢(shì)基本一致,證明刻槽光纖濕度傳感器可以用來監(jiān)測(cè)混凝土試件內(nèi)部濕度;文章針對(duì)基于刻槽孔塑料光纖的濕度傳感器進(jìn)行了初步探討,通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該傳感器的可行性。其基本原理在文章中得到了充分的論證,但測(cè)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)問題,傳感元件的優(yōu)化問題、以及如何與健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合的問題還有待進(jìn)一步的研究。