基于分布式光纖傳感器的損傷監(jiān)測(cè)研究

武 揚(yáng)，吳文婧，李勁松，馮 新

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連116024)

隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，施工水平的進(jìn)步，現(xiàn)代土木工程投入大、難點(diǎn)多、難度高[1]，結(jié)構(gòu)越來越向著高層、大空間、大跨度發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)受到更廣泛的應(yīng)用，可是人們對(duì)結(jié)構(gòu)安全要求越來越高的同時(shí)，結(jié)構(gòu)的受力復(fù)雜、施工質(zhì)量不好控制、后期維護(hù)管理和損傷檢測(cè)困難的問題也被提上日程。往往是結(jié)構(gòu)的某個(gè)關(guān)鍵部位的損傷就會(huì)造成其壽命的大大縮短，甚至使整個(gè)結(jié)構(gòu)喪失功能，這對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大的威脅。

在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法和手段雖然已經(jīng)比較成熟，但是其本身有一定的局限性，比如有測(cè)量精度不高，傳感器布線及安裝困難，使用壽命短，容易造成漏測(cè)等問題[2]，所以尋找一種方便快捷，并且高效的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)實(shí)際工程有著重要意義。

近些年，國(guó)內(nèi)光纖技術(shù)在理論和實(shí)驗(yàn)上對(duì)電力、基礎(chǔ)設(shè)施等多個(gè)領(lǐng)域的研究越來越熱[3]，光纖的材料為二氧化硅，光纖傳感器以光信號(hào)作為載體，具有耐腐蝕，抗電磁干擾，質(zhì)量輕便于安裝，靈敏度高，可靠性好以及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，并且以此為基礎(chǔ)已經(jīng)研制出多種產(chǎn)品如布拉格光纖光柵(FBG)傳感器等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程[4]。這些傳感器雖然質(zhì)量好精度高，但是如果應(yīng)用于大規(guī)模多步點(diǎn)的監(jiān)測(cè)，成本略顯過高?；贐rillouin散射原理的光線傳感器，是一種真正的分布式傳感技術(shù)，可以高效的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷探測(cè)，也適用于溫度的分布式監(jiān)測(cè)[5]，運(yùn)用廣泛，并且已經(jīng)在實(shí)際工程中得到應(yīng)用[6]。本文利用BOTDA分布式光纖傳感技術(shù)探測(cè)結(jié)構(gòu)中的裂紋損傷，并通過模型試驗(yàn)驗(yàn)證其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)中的可行性。

1 BOTDA測(cè)量原理

光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)是利用外界因素使光在光纖中傳播時(shí)引起的光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)以及波長(zhǎng)(或頻率)等特征參量的變化，從而對(duì)外界因素進(jìn)行監(jiān)測(cè)和信號(hào)傳輸?shù)募夹g(shù)[7]。高精度、長(zhǎng)距離、分布式和長(zhǎng)期性是土木工程對(duì)它的要求。

光纖中存在多種散射，其中包括布里淵散射。布里淵散射相對(duì)于泵浦光有一個(gè)移頻，即布里淵移頻。BOTDA技術(shù)采用的脈沖預(yù)泵浦技術(shù)突破了以往BOTDR技術(shù)的界限，成功地使測(cè)量空間分辨率和精度都得到了提高[8]，它使用兩束泵浦光在光纖中反方向傳播，當(dāng)二者的頻差等于布里淵移頻時(shí)，弱的泵浦光信號(hào)將被強(qiáng)的泵浦光信號(hào)放大，這一現(xiàn)象被叫做布里淵受激放大效應(yīng)。BOTDA(Brillouin optical time domain analyzer)技術(shù)就是基于此原理而提出的。

布里淵頻率的偏移量和光纖所受到的軸向應(yīng)變和溫度的變化量有關(guān)，并且研究發(fā)現(xiàn)它們之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，BOTDA利用這一關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫度和應(yīng)變?cè)诠饫w上的傳感。

布里淵散射移頻與應(yīng)變和溫度的關(guān)系如下:

式中，vB，ΔT，Δε為光纖布里淵移頻和溫度、應(yīng)變的改變量[9]。

當(dāng)光線中任意一部分發(fā)生應(yīng)變或者溫度的變化，那個(gè)位置的布里淵移頻將隨之發(fā)生變化，通過專業(yè)的標(biāo)定，解析測(cè)量結(jié)果，光纖可以直接成為傳感器進(jìn)行測(cè)量[10]。利用BOTDA光時(shí)域分析儀可以得到光纖任何一部分的布里淵移頻，并可以解析出光纖任何位置的應(yīng)變值，并且測(cè)量精度高，其空間分辨率可以達(dá)到10 cm以內(nèi)[11]。

2 損傷識(shí)別原理

損傷監(jiān)測(cè)的目的是有效監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的位置，并給予估測(cè)和預(yù)警?；谝陨螧OTDA技術(shù)與應(yīng)變反應(yīng)之間的關(guān)系給我們裂紋損傷監(jiān)測(cè)提供了依據(jù)和方法，同時(shí)運(yùn)用數(shù)模等手段獲得精確值可以確保高靈敏的BOTDA在噪音干擾下有可對(duì)比的參考值，不連續(xù)的應(yīng)變分布和完好結(jié)構(gòu)的理論分析對(duì)比可以確定出被模擬裂縫位置。

2.1 基本假設(shè)

(1)假設(shè)光纖為線彈性材料，梁在損傷前后，其變形均在光纖的彈性范圍內(nèi);

(2)光纖鋪設(shè)后，在梁的表面和梁是緊密貼合，光纖的套層和粘接劑均無松動(dòng)和滑移，并且梁表面的缺陷忽略不計(jì);

(3)裂縫導(dǎo)致的變形不連續(xù)只在裂縫附近造成局部性的影響，裂縫遠(yuǎn)端受影響忽略，光纖的片段應(yīng)變反應(yīng)只受片段上單一裂縫的影響。

2.2 識(shí)別過程

緊密貼合在梁上的光纖在彈性范圍內(nèi)和梁的變形保持一致，可以監(jiān)測(cè)到梁的應(yīng)變反應(yīng)，如圖1所示，梁的受力處在彈性變形階段，光纖檢測(cè)到的應(yīng)變反應(yīng)，在沿梁的方向上是連續(xù)的。

圖1 光纖鋪設(shè)

當(dāng)鋼梁結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)裂紋時(shí)，如圖2(a)所示，光纖從裂縫上跨過去，在裂縫處光纖不再貼附在結(jié)構(gòu)表面，在應(yīng)力發(fā)生變化時(shí)，此處光纖將監(jiān)測(cè)到不連續(xù)的應(yīng)變反應(yīng)。再通過BOTDA定位技術(shù)，我們便可以通過應(yīng)變的變化來定位裂縫出現(xiàn)的位置[12]，監(jiān)測(cè)到結(jié)構(gòu)的損傷。另一方面，為了減少梁在損傷狀態(tài)下BOTDA系統(tǒng)畸形失真對(duì)測(cè)量精度的干擾，我們?cè)趦x器不同分辨率下多次重復(fù)測(cè)量，通過平均不同分辨率下的測(cè)量結(jié)果來抑制其影響。

圖2 光纖在裂縫處的受力狀態(tài)

隨著裂紋的開展梁發(fā)生形變，如圖2(b)，裂紋尖端處的應(yīng)力集中現(xiàn)象導(dǎo)致的應(yīng)變反應(yīng)會(huì)加大，而且裂縫寬度會(huì)逐步變大，光纖將進(jìn)一步被拉伸，以其超高的準(zhǔn)確度和靈敏度將會(huì)獲取此處的不連續(xù)應(yīng)變反應(yīng)進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)比圖2(a)的結(jié)果，可有效估測(cè)裂縫的開展。BOTDA所得到的裂縫梁的應(yīng)變結(jié)果并不是精確的數(shù)值，但是通過其不同分辨率測(cè)量的平均值和完好梁的精確理論結(jié)果對(duì)比，可以完成對(duì)梁裂縫的定位，并且定性的對(duì)梁的裂縫處的損傷狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估[13]。

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)針對(duì)實(shí)際工程中的鋼結(jié)構(gòu)梁的裂紋損傷識(shí)別進(jìn)行模擬監(jiān)測(cè)，BOTDA系統(tǒng)測(cè)量需要溫度補(bǔ)償[14]，但是本實(shí)驗(yàn)?zāi)康脑谟诙ㄐ蕴綔y(cè)損傷位置，所以不考慮補(bǔ)償。設(shè)計(jì)采用10號(hào)工字型鋼，長(zhǎng)6 m，彈性模量為 2.1 ×1011Pa，泊松比為 0.3，截面如圖3。試驗(yàn)過程中對(duì)梁進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)三點(diǎn)彎和四點(diǎn)彎加載來模擬結(jié)構(gòu)的彎曲工作狀態(tài)，BOTDA光時(shí)域分析儀的測(cè)量誤差為±20微應(yīng)變，所以設(shè)計(jì)梁中點(diǎn)的起始應(yīng)變?yōu)?00微應(yīng)變(超過一個(gè)數(shù)量級(jí))，由梁的理論解析解可以求得起始加載荷載為73 kg，同理求出四點(diǎn)彎加載初始荷載，并在后續(xù)加載時(shí)將重量線性增加，設(shè)計(jì)工況如表1。對(duì)梁預(yù)制一個(gè)裂縫來模擬結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫損傷狀態(tài)，隨機(jī)位置預(yù)制兩個(gè)裂縫模擬梁在多個(gè)裂紋損傷時(shí)的工作狀態(tài)，通過這一過程實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼梁從正常工作到裂縫出現(xiàn)，然后發(fā)展到多個(gè)裂縫的損傷發(fā)展變化的全過程模擬監(jiān)測(cè)(見圖4)。

圖3 工字梁截面尺寸(單位:mm)

圖4 試驗(yàn)用工字梁

表1 荷載工況

3.2 試驗(yàn)方法和過程

3.2.1 傳感器布設(shè)

采用普通單模光纖作為分布式應(yīng)變傳感器，在梁的底部鋪設(shè)兩道，沿梁寬每隔20 cm鋪設(shè)一道如圖5。使用環(huán)氧樹脂膠沿鋼梁的縱向鋪設(shè)。為了對(duì)比分布式應(yīng)變的測(cè)試結(jié)果，同時(shí)也在梁上布設(shè)了電阻絲應(yīng)變片。應(yīng)變片采用的是1.5 cm長(zhǎng)的電阻應(yīng)變片，測(cè)點(diǎn)按照沿梁長(zhǎng)每隔60 cm沿梁均勻布設(shè)，并且在距離裂縫兩側(cè)處10 cm和20 cm處加密布測(cè)。梁的撓度采用百分比進(jìn)行測(cè)量，共有5處測(cè)點(diǎn)，沿梁長(zhǎng)均勻布置。模擬損傷和傳感器布設(shè)如圖5所示。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集

采集光纖數(shù)據(jù)的是由日本NEUBREX公司生產(chǎn)的NBX6000 BOTDA光纖應(yīng)變分析儀，BOTDA監(jiān)測(cè)范圍最長(zhǎng)可達(dá)20 km，應(yīng)變的測(cè)量范圍可以達(dá)到－30 000 με ～ 40 000 με，應(yīng)變測(cè)量精度 ± 0.0025%。本次試驗(yàn)設(shè)定三個(gè)空間采樣間隔10 cm、20 cm和50 cm以便對(duì)比，NBX6000與計(jì)算機(jī)相連，便于數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和分析。

圖5 預(yù)制裂縫和傳感器布置

應(yīng)變片的解析儀器為DSPS數(shù)據(jù)采集器，并用百分表監(jiān)測(cè)梁的撓度位移變化，用FBG監(jiān)測(cè)裂縫的開展情況，同時(shí)用ANSYS建立3D模型進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)比結(jié)果并確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

BOTDA技術(shù)在監(jiān)測(cè)過程中受到外界其他信號(hào)干擾，使得該儀器中的系統(tǒng)信噪比降低[15]，為了對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，我們將數(shù)模的加載結(jié)果同時(shí)給出，并對(duì)其精確程度進(jìn)行了驗(yàn)證。本文使用ANSYS進(jìn)行3D建模處理，無損傷梁使用的是solid95號(hào)實(shí)體單元建模，含有裂紋的梁為確保其精確，采用加密的solid95 3D單元，裂縫部分的單元因?yàn)楹衅娈愋裕圆捎闷娈悊卧?圖6)進(jìn)行剖分，裂紋尖端的單元用的是將中間節(jié)點(diǎn)由1/2處移到1/4處的solid95號(hào)奇異性單元，其他部分全部用非奇異solid95號(hào)單元。

圖6 奇異單元

在進(jìn)行3D模型誤差分析時(shí)，我們模擬工字梁在工況1的荷載下的應(yīng)變，并將結(jié)果與beam3梁?jiǎn)卧Ｐ秃屠碚撚?jì)算值進(jìn)行了對(duì)比，其結(jié)果誤差很小，顯示出模型具有足夠精度，結(jié)果見表2。

在下面結(jié)果分析中實(shí)驗(yàn)值和數(shù)模結(jié)果吻合良好，證明其 BOTDA測(cè)得的數(shù)值準(zhǔn)確性可以保證。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)眾多，為了方便結(jié)果對(duì)比和分析，只將工況2(三點(diǎn)彎)和工況5(四點(diǎn)彎)的結(jié)果列出，其他工況結(jié)論相似。

表2 模型精度對(duì)比結(jié)果

4.1 完好狀態(tài)

完好的梁試驗(yàn)結(jié)果(圖7、圖8)顯示BOTDA在不同分辨率的情況下，因?yàn)殪`敏度不同，所以數(shù)值略有差異，但是基本上是和應(yīng)變片的結(jié)果和數(shù)模結(jié)果達(dá)到了線性擬合的，誤差在合理范圍之內(nèi)，說明分布式光纖BOTDA可以準(zhǔn)確反映鋼梁的應(yīng)變值，而且做到全長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，數(shù)值良好，無漏點(diǎn)，誤差合理，分布式測(cè)量的同時(shí)，準(zhǔn)確度仍然可以保證。

圖7 完好梁應(yīng)變測(cè)量結(jié)果(工況2)

圖8 完好梁應(yīng)變測(cè)量結(jié)果(工況5)

4.2 單損傷狀態(tài)

梁上預(yù)制裂縫的位置在梁的2.4 m處，裂縫寬度2 mm，深度3 mm，從圖9、圖10可以明顯觀察到，應(yīng)變的異常突起位置也是2.4 m處，與裂縫位置一致。各個(gè)數(shù)據(jù)擬合基本一致，BOTDA的空間分辨率從10 cm到20 cm再到50 cm靈敏度逐漸降低，但都檢測(cè)到裂縫處應(yīng)變的變化?？臻g分辨率為10 cm雖然靈敏度高，但同時(shí)也容易受到干擾，必須有其他分辨率進(jìn)行對(duì)比矯正，排除誤差。

光纖監(jiān)測(cè)的裂縫處的應(yīng)變并不是裂縫口張開位移的精確值，但是它可以監(jiān)測(cè)由于裂縫張開所引起的應(yīng)變的變化。數(shù)據(jù)中裂縫位置處應(yīng)變突起，BOTDA對(duì)應(yīng)變發(fā)生位置捕捉準(zhǔn)確穩(wěn)定，有較高靈敏度，可以有效地監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)裂紋損傷的發(fā)生。

圖9 單損傷梁應(yīng)變測(cè)量結(jié)果(工況2)

圖10 單損傷梁應(yīng)變測(cè)量結(jié)果(工況5)

4.3 多損傷狀態(tài)

預(yù)制的兩個(gè)裂縫的位置為3.6 m處深度3 mm，1.2 m處深度1 mm，BOTDA可以清晰的監(jiān)測(cè)出梁上應(yīng)變?cè)?.2 m和3.6 m(方向相反)兩個(gè)位置的應(yīng)變變化，于裂縫損傷位置完全吻合(圖11、圖12)。預(yù)制裂縫的位置為隨機(jī)選擇的，所以這一結(jié)果證明，分布式的BOTDA光纖監(jiān)測(cè)技術(shù)全尺度監(jiān)測(cè)優(yōu)勢(shì)和可行性，可更好地應(yīng)用于解決不可預(yù)測(cè)的任意位置損傷的監(jiān)測(cè)。

圖11 多損傷梁應(yīng)變測(cè)量結(jié)果(工況2)

圖12 多損傷梁應(yīng)變測(cè)量結(jié)果(工況5)

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于將光纖傳感器沿梁的底部全長(zhǎng)鋪設(shè)，并監(jiān)測(cè)鋼梁在彎曲狀態(tài)下的裂縫損傷情況的結(jié)果顯示，分布式光纖傳感器可以獲取整個(gè)測(cè)量段的應(yīng)變結(jié)果，真正實(shí)現(xiàn)了全分布式測(cè)量;通過在任意位置預(yù)設(shè)裂縫損傷發(fā)現(xiàn)，在光纖傳感器附近出現(xiàn)應(yīng)變損傷產(chǎn)生變形時(shí)，BOTDA系統(tǒng)可以顯著捕捉到應(yīng)變的變化，再對(duì)比損傷位置與應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，應(yīng)變異常變化的凸起位置尖端與損傷的位置基本重合，無論是單一損傷還是多損傷，這說明分布式BOTDA光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷位置從無到有，從一到多的精確探測(cè)定位，可以完成在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)任務(wù)中對(duì)損傷的發(fā)現(xiàn)定位，并進(jìn)行預(yù)警。

以上的分析結(jié)論表明:BOTDA分布式監(jiān)測(cè)技術(shù)用于裂縫損傷發(fā)生和發(fā)展等應(yīng)變監(jiān)測(cè)是可行的，也是十分有效的。但是系統(tǒng)對(duì)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)是定性的，無法準(zhǔn)確的獲得裂縫損傷的精確寬度和深度，這在以后有待繼續(xù)研究。

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