基于FBG傳感技術(shù)的國防工程監(jiān)測研究

張永紅 劉 航 馬 鳴 路 偉

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007;2.中國人民解放軍69006部隊，新疆 烏魯木齊 830002; 3.中國人民解放軍73071部隊，江蘇 徐州 221400)

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基于FBG傳感技術(shù)的國防工程監(jiān)測研究

張永紅1劉 航1馬 鳴2路 偉3

(1.解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007;2.中國人民解放軍69006部隊，新疆 烏魯木齊 830002; 3.中國人民解放軍73071部隊，江蘇 徐州 221400)

針對傳統(tǒng)傳感技術(shù)在國防工程監(jiān)測中存在的問題，提出了FBG傳感監(jiān)測技術(shù)，介紹了其組成及技術(shù)原理，并闡述了該監(jiān)測技術(shù)在國防工程中的應(yīng)用，指出FBG傳感技術(shù)具有高精度、高靈敏度、抗電磁干擾等優(yōu)勢。

FBG傳感技術(shù)，國防工程，實時監(jiān)測，承載力

0 引言

國防工程是為滿足軍隊作戰(zhàn)需求而建設(shè)的防護(hù)工程。例如，各類指揮通信工程、飛機(jī)洞庫、潛(艦)艇洞庫、導(dǎo)彈發(fā)射井、后方倉庫洞庫等。為增強(qiáng)防護(hù)能力，滿足保密要求，大多數(shù)的國防工程處于邊海防或縱深要地，條件復(fù)雜的山區(qū)、河谷等，一般位于地表以下，工程地質(zhì)環(huán)境極為惡劣。

長期以來，國防工程在遏制外敵入侵、鞏固國防和保障國家安全方面發(fā)揮了重要作用，成為國家重要的威懾力量。在信息化戰(zhàn)爭條件下，隨著武器裝備的發(fā)展以及打擊手段和方式的變化，國防工程的建設(shè)面臨著諸多新的挑戰(zhàn)，例如高技術(shù)偵察監(jiān)視、高精度打擊、深鉆地攻擊等威脅，國防工程建設(shè)發(fā)展已滯后于武器裝備發(fā)展，這就需要不斷發(fā)展新的防護(hù)技術(shù)，增強(qiáng)防護(hù)效能，提高國防工程的建設(shè)水平，以適應(yīng)現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭的需要。

1 研究背景

近年來，國防工程結(jié)構(gòu)，特別是早年修建的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)老化損傷的問題，越來越成為制約國防工程發(fā)展的突出矛盾，不僅需要投入巨資進(jìn)行維護(hù)和更新，更重要的是結(jié)構(gòu)的安全性可靠性不能得到保證，甚至有些工程即使修復(fù)也可能已失去防護(hù)能力。再加上，當(dāng)前衛(wèi)星偵查技術(shù)的快速發(fā)展，國外敵對勢力的嚴(yán)密監(jiān)視，使得現(xiàn)在很難在滿足保密要求的前提下進(jìn)行大規(guī)模的國防工程建設(shè)。

即使是在正常使用狀態(tài)下，國防工程也會出現(xiàn)不同程度的損傷破壞。不難發(fā)現(xiàn)國防工程大部分是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，是由鋼筋和混凝土組成的。而鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)必然會面臨各種損傷問題。對于混凝土，其損傷主要是混凝土的開裂(鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損傷征兆最一般的現(xiàn)象是開裂，大部分損傷都可以通過對裂縫的監(jiān)測進(jìn)行識別)，而鋼筋的損傷主要是鋼筋的腐蝕。由于鋼筋大部分位于混凝土內(nèi)部，一方面鋼筋腐蝕會出現(xiàn)局部膨脹，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，造成混凝土開裂；另一方面由于混凝土出現(xiàn)裂縫后，水、空氣、CO2等的侵入會使鋼筋腐蝕，兩者相互作用，共同促進(jìn)，從而可能使結(jié)構(gòu)喪失承載能力，造成國防工程的綜合破壞。尤其是港口、潛(艦)艇洞庫等工程因處于海洋環(huán)境，被海水侵蝕引發(fā)鋼筋銹蝕，導(dǎo)致構(gòu)件開裂、腐蝕情況最為嚴(yán)重。

另外，國防工程與民用建筑工程的根本區(qū)別在于它主要應(yīng)用于軍事，是抵抗武器破壞效應(yīng)和確保人員生存能力的主要依托，武器產(chǎn)生的侵徹爆炸效應(yīng)直接或通過巖層等防護(hù)層介質(zhì)作用在工程結(jié)構(gòu)上，從而造成結(jié)構(gòu)的損傷甚至是破壞。

國防工程破壞嚴(yán)重對國家安全造成巨大威脅，國防工程的健康安全狀況關(guān)系著國家人民的安全和國家切身利益。因此，針對重大工程結(jié)構(gòu)(不僅僅包括在建工程結(jié)構(gòu)，更多的應(yīng)該是已建工程)進(jìn)行實時監(jiān)測、及時識別結(jié)構(gòu)的累積損傷，對可能出現(xiàn)的災(zāi)害損傷提前預(yù)警，提高結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性顯得尤為重要。

2 傳感監(jiān)測面臨的問題與FBG傳感技術(shù)

當(dāng)前，傳統(tǒng)傳感技術(shù)在工程監(jiān)測方面的發(fā)展主要面臨以下幾個方面的問題：

1)監(jiān)測數(shù)據(jù)的不完整。傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測由于結(jié)構(gòu)監(jiān)測傳感器大多只能布置在數(shù)量有限的位置上，造成實測數(shù)據(jù)不完整。監(jiān)測數(shù)據(jù)的不完整就無法給結(jié)構(gòu)損傷識別提供有用的信息，對結(jié)構(gòu)監(jiān)測也就失去意義。

2)監(jiān)測數(shù)據(jù)的不精確。傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測在對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的采集和處理過程中，由于電子信號的隨機(jī)誤差存在，并且由于傳感器質(zhì)量問題也會帶來一定的系統(tǒng)誤差，進(jìn)而造成信號處理或識別技術(shù)具有非常大的不精確性。

3)監(jiān)測性能的不完善。傳統(tǒng)的常規(guī)監(jiān)測技術(shù)在遠(yuǎn)距離傳輸以及抗電磁干擾等方面存在一定的缺陷，無法適應(yīng)在惡劣環(huán)境中工作，一旦敵對我防護(hù)工程實施電磁干擾，就很難做到及時快速地對外部荷載、溫度等突變做出及時響應(yīng)，也就難以滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中國防工程的建設(shè)要求。

傳感監(jiān)測的最重要性質(zhì)是可靠性。通常按照可靠性遞減的順序依次是光學(xué)式、機(jī)械式、液壓式、氣壓式、電測式。FBG傳感技術(shù)是利用光纖對環(huán)境變化的敏感性(溫度和應(yīng)變是光纖光柵直接傳感檢測的兩個最基本的物理量，其他物理量的傳感都是以光纖光柵的溫度應(yīng)變傳感為基礎(chǔ)間接衍生出來的)原理，由激光器發(fā)出光信號，在傳感區(qū)域經(jīng)調(diào)制解調(diào)后進(jìn)入耦合器，待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用，產(chǎn)生模式耦合，當(dāng)滿足Bragg條件時，光柵起到了一個反射鏡的作用，反射回一個窄帶光波(其余的光波從光柵的另一端透射出去)，通過檢測滿足Bragg條件的反射波中心波長發(fā)生的位移ΔλB來檢測作用在光纖光柵上的溫度、應(yīng)變、應(yīng)力等測點(diǎn)被測信號。

ΔλB=αεε+αTΔT。

其中，αε為FBG應(yīng)變靈敏度系數(shù)；αT為FBG溫度靈敏度系數(shù)。

FBG傳感技術(shù)除了利用光信號進(jìn)行信息傳輸，具有高靈敏度，高精度的特性外，其主要組成是石英(SiO2)，在抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕方面也有很好的性能。同時，傳感信號為波長調(diào)制，測量信號不受光源起伏、光纖彎曲損耗、連接損耗和探測器老化等因素的影響；再加上使用波分復(fù)用技術(shù)，通過FBG解調(diào)器可計算出待測結(jié)構(gòu)的各個測點(diǎn)的反射波長情況，從而得到各個測點(diǎn)的被測參數(shù)。

通過對比分析，F(xiàn)BG傳感技術(shù)的監(jiān)測效果比傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)要好很多。采用串聯(lián)N個FBG傳感器方式，可實現(xiàn)準(zhǔn)分布式監(jiān)測，而且可以埋入結(jié)構(gòu)內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位實時監(jiān)測，利用光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。采用基于FBG傳感技術(shù)的傳感系統(tǒng)可實現(xiàn)對國防工程的實時動態(tài)監(jiān)測，并作出動態(tài)響應(yīng)。

3 應(yīng)用研究

1)國防工程老化損傷的健康監(jiān)測。對于早年修建的國防工程出現(xiàn)老化損傷，必須判斷其損傷程度，計算其結(jié)構(gòu)承載能力，耐久性等各項性能指標(biāo)，進(jìn)行健康監(jiān)測。在此基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的對策，其對策關(guān)系到國防工程能否繼續(xù)具有防護(hù)功能。

例如，在近海岸某港口建造了20余年的鋼筋混凝土建筑物。經(jīng)過調(diào)查，伴隨著鋼筋腐蝕，沿著柱子的鋼筋發(fā)生開裂。在這樣的情況下，由于鋼筋銹蝕而產(chǎn)生開裂，最好能修補(bǔ)開裂部分的鋼筋混凝土。但是對于建筑物所處的環(huán)境條件(海岸邊)，經(jīng)過的年數(shù)已經(jīng)久遠(yuǎn)，因此，就需要監(jiān)測開裂修補(bǔ)處及其周圍的應(yīng)變，以確保修補(bǔ)后能繼續(xù)安全穩(wěn)定工作。

2)國防工程混凝土固化期內(nèi)部溫度變化作用下的監(jiān)測。大體積混凝土固化期內(nèi)部溫度變化是其開裂的主要原因,這種開裂主要有以下兩種類型：a.表面裂縫：水泥在水化過程中產(chǎn)生一定的水化熱，其大部分熱量是在水泥澆筑后3 d以內(nèi)放出，大體積混凝土產(chǎn)生的大量水化熱不容易散發(fā)，內(nèi)部溫度不斷上升，體積膨脹，而表面散熱較快，使截面內(nèi)外形成溫度差，產(chǎn)生拉應(yīng)力而發(fā)生裂縫；b.貫通裂縫：一旦體積膨脹之后的混凝土構(gòu)件冷卻時，會產(chǎn)生收縮變形，但外部的收縮變形受到約束，試構(gòu)件產(chǎn)生拉應(yīng)力而發(fā)生裂縫。

我國GB 50496—2009大體積混凝土施工規(guī)范中規(guī)定，對于大體積混凝土施工時內(nèi)外溫差不宜超過25 ℃或降溫速率不宜超過2 ℃/d。FBG的溫度傳感可對結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行實時監(jiān)測，獲取準(zhǔn)確溫度數(shù)據(jù)。

3)國防工程在動荷載作用下的監(jiān)測。在洞庫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于動荷載和高頻率作用下，裂縫很小并且只有在施加載荷的情況下才會出現(xiàn)，過后裂縫又閉合，在早期較難發(fā)現(xiàn)；從某時刻開始，荷載施加時發(fā)生裂縫，過后也不閉合。在這種情況下，結(jié)構(gòu)就可能已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷開裂，甚至是破壞了。因此，在這種情況下，對傳感技術(shù)的精度提出了更高的要求，采用光信號進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)腇BG傳感技術(shù)，其精度是其他傳感技術(shù)無法比擬的。

4)國防工程在火災(zāi)、爆炸等局部溫度變化作用下的監(jiān)測?；馂?zāi)、爆炸等都會在其發(fā)生區(qū)域附近瞬間產(chǎn)生高溫高壓。在高溫作用下，鋼筋混凝土材料的性能會受到不同程度的損傷，混凝土的強(qiáng)度和彈性模量隨溫度升高而降低，鋼筋雖有混凝土保護(hù)，強(qiáng)度也會降低，兩者之間的粘結(jié)錨固能力降低，結(jié)構(gòu)性能將發(fā)生重要的變化，包括抗壓、抗拉強(qiáng)度等。這些變化很難通過表面觀察做出判斷，必須依靠傳感器對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變變化的監(jiān)測，得出火災(zāi)等高溫對結(jié)構(gòu)的影響，從而作出預(yù)判，采取相應(yīng)措施。在這種高溫下，傳統(tǒng)的傳感器將失去工作能力。

5)國防工程在爆炸沖擊、地震等偶然荷載作用下的監(jiān)測。顯然，防護(hù)工程與民用建筑工程的根本區(qū)別在于它主要應(yīng)用于軍事，是抵抗武器破壞效應(yīng)和確保人員生存能力的主要依托，武器產(chǎn)生的侵徹爆炸效應(yīng)直接或通過巖層等防護(hù)層介質(zhì)作用在防護(hù)結(jié)構(gòu)上，從而造成結(jié)構(gòu)的損傷甚至是破壞。大多數(shù)國防工程位于條件復(fù)雜的山區(qū)，地質(zhì)條件惡劣，極易因地震等災(zāi)害而出現(xiàn)破壞。然而，對于國防工程，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)破壞是由爆炸、地震等產(chǎn)生的一定頻率的振動波造成的。FBG傳感技術(shù)的工作頻率不僅滿足低頻振動系統(tǒng)的工作要求，同樣適用于高頻振動系統(tǒng)。

4 結(jié)語

盡管，國防工程的設(shè)計者可以做到利用指定的、合適的、能精確到工程設(shè)計要求的人造材料進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)材料特性，按照設(shè)計規(guī)范便可做出精確的分析，設(shè)計出圖紙以及詳細(xì)的設(shè)計說明，只要設(shè)計與結(jié)構(gòu)要求相符就可以保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，但由于外部環(huán)境侵蝕，偶然荷載沖擊，混凝土自身的干縮老化等各種因素長期的耦合作用，結(jié)構(gòu)損傷是難以通過設(shè)計而避免的。國防工程結(jié)構(gòu)在服役期內(nèi)不可避免的產(chǎn)生損傷積累，造成承載力的下降，失去防護(hù)能力，在極端情況下甚至可能還會引發(fā)災(zāi)難性的事故。

因此，無論是平時正常使用還是戰(zhàn)時武器侵徹破壞，都需要在最短時間對工程整體的健康狀況作出判斷，以便尋求最佳的解決方案，而FBG在抗電磁干擾、耐腐蝕等方面的優(yōu)點(diǎn)保證了其能長期有效工作，為國防工程防護(hù)提供最準(zhǔn)確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時動態(tài)監(jiān)測，及時判斷出損傷位置、損傷類型、損傷程度等。

[1] 關(guān)寶樹.地下防護(hù)工程工程維修管理要點(diǎn)集[Z].

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Research on national defense engineering monitoring based on FBG sensing technology

Zhang Yonghong1Liu Hang1Ma Ming2Lu Wei3

(1.PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,China;2.PLA69006Team,Urumqi830002,China; 2.PLA73071Team,Xuzhou221400,China)

In light of problems of traditional sensing technology existing in national defense engineering monitoring, the paper puts forward FBG sensing monitoring technology, introduces its components and technical principles, describes the application of monitoring technology in national defense engineering, and finally points out advantages of FBG sensing technology, such as high accuracy, high flexibility, and anti-electromagnetic interference and so on.

FBG sensing technology, national defense engineering, timely monitoring, bearing capacity

1009-6825(2016)20-0041-02

2016-05-03

張永紅(1979- )，男，碩士，助理工程師

TP212

A