開(kāi)裂條件下塑料光纖的力光轉(zhuǎn)換特性

包騰飛，李澗鳴，趙津磊

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開(kāi)裂條件下塑料光纖的力光轉(zhuǎn)換特性

包騰飛1, 2, 3，李澗鳴1, 2, 3，趙津磊4

(1. 河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098； 2. 河海大學(xué)水資源高效利用與工程安全國(guó)家工程研究中心，南京 210098； 3. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098；4. 江蘇省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，揚(yáng)州 225127)

針對(duì)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)張開(kāi)型裂縫條件下塑料光纖的光學(xué)感知特性，采用光時(shí)域反射技術(shù)，分別進(jìn)行了軸向和非軸向拉伸作用下塑料光纖的力光轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)．結(jié)果表明：塑料光纖在受非軸向小角度拉伸時(shí)對(duì)裂縫感知能力相對(duì)更強(qiáng)，當(dāng)塑料光纖與裂縫呈45°斜交時(shí)，光損耗值和菲涅爾反射值的靈敏度分別達(dá)到0.87,dB/mm和0.68,dB/mm，且?jiàn)A角較小時(shí)對(duì)裂縫的感知靈敏度較高，以塑料光纖內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測(cè)指標(biāo)可監(jiān)測(cè)到的裂縫最大開(kāi)度為6,mm．可將塑料光纖光損耗量作為結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)指標(biāo)、菲涅爾反射峰作為裂縫發(fā)生位置的定位指標(biāo)，對(duì)混凝土工程的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)．

塑料光纖；光時(shí)域反射；裂縫監(jiān)測(cè)；光損耗；菲涅爾反射

混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過(guò)程中出現(xiàn)裂縫是一種普遍現(xiàn)象，裂縫發(fā)展到一定程度，會(huì)加重混凝土碳化并降低其抗?jié)B性能，進(jìn)而破壞結(jié)構(gòu)的整體性和安全性．作為評(píng)估裂縫危害性的重要手段，結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)對(duì)保障結(jié)構(gòu)安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義．然而，由于裂縫具有時(shí)空隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)，現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)裂縫的全方位、實(shí)時(shí)、長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)．

光纖傳感技術(shù)具有分布式、連續(xù)式監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的潛力，在結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)方面具有良好的應(yīng)用前景，以往研究多集中于石英光纖方面[1-3]．塑料光纖(plastic optical fiber，POF)是一種新興的光纖傳感材料，其具有斷裂韌性高、可塑性好、價(jià)格低等眾多優(yōu)點(diǎn)[4-6]．但由于POF在剛問(wèn)世時(shí)表現(xiàn)出高損耗、低帶寬的缺點(diǎn)，并未受到工程領(lǐng)域的足夠重視．隨著近幾年P(guān)OF技術(shù)的快速發(fā)展，學(xué)者們開(kāi)始注意到POF的優(yōu)勢(shì)及其潛在的工程應(yīng)用價(jià)值．Takeda等[7]、Kuang等[8-9]、Liehr等[10-12]對(duì)塑料光纖(POF)在裂縫監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用進(jìn)行了初步的探索．但上述研究多采用POF裸纖，極易發(fā)生損傷而斷裂，且僅研究了POF與張開(kāi)型裂縫開(kāi)裂方向正交的情況，POF受到軸向拉伸作用，大大限制了其在大型混凝土結(jié)構(gòu)裂縫監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用能力．由于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的開(kāi)展方向具有時(shí)空隨機(jī)性和不確定性的特點(diǎn)，POF與裂縫開(kāi)展方向不總是正交，斜交的情形更加普遍，假設(shè)裂縫呈張開(kāi)型，此時(shí)裂縫處的POF將受非軸向拉伸作用．

本文擬采用POF專(zhuān)用的光時(shí)域反射傳感系統(tǒng)(optical time domain reflectometer，OTDR)通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M開(kāi)裂情況研究POF分別在軸向和非軸向拉伸作用下的光學(xué)感知能力．

1?POF-OTDR光學(xué)探測(cè)

瑞利散射是由于光在傳輸過(guò)程中碰到小于波長(zhǎng)的微粒而向各方向散射的現(xiàn)象，為光纖中光傳輸損耗的重要來(lái)源之一．OTDR技術(shù)利用瑞利散射的原理，由入射端向光纖內(nèi)部發(fā)射脈沖光，該脈沖光在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生瑞利散射并返回入射端，通過(guò)測(cè)量光纖內(nèi)部相應(yīng)位置的瑞利散射即可獲得脈沖光在傳播中的強(qiáng)度變化．

?(1)

后向散射光返回到POF入射端的光功率為

?(2)

由式(2)可以看出，將采集到的后向散射信號(hào)進(jìn)行處理后，以瑞利散射強(qiáng)度作為縱坐標(biāo)，以光信號(hào)在POF的位置為橫坐標(biāo)可得到一條指數(shù)衰減曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)可反映POF內(nèi)部各點(diǎn)的瑞利散射情況。在外界因素影響下，當(dāng)POF內(nèi)部光強(qiáng)度降低時(shí)，瑞利散射強(qiáng)度也相應(yīng)降低，則曲線(xiàn)出現(xiàn)局部下降．

當(dāng)光經(jīng)過(guò)不同折射率的介質(zhì)界面時(shí)，會(huì)發(fā)生菲涅爾反射，光纖中的菲涅爾反射是由受斷裂面影響的折射率突變或幾何突變引起，OTDR技術(shù)可以利用菲涅爾反射對(duì)定位所關(guān)心的事件點(diǎn)．

光源入射端測(cè)得的POF內(nèi)處的菲涅爾反射功率為

?(3)

式中為功率反射系數(shù)，是由光纖斷裂面或者端面的粗糙程度決定，對(duì)于表面平整、光滑、與光纖軸線(xiàn)垂直的理想斷裂面，反射系數(shù)可以表示為

?(4)

式中0、1分別為空氣和纖芯的折射率．

當(dāng)理想斷裂面與光纖軸線(xiàn)成夾角時(shí)，反射系?數(shù)為

?(5)

式中、分別為纖芯和包層半徑．

在實(shí)際應(yīng)用中，外力作用下光纖斷裂面為非理想情況，難以從理論上準(zhǔn)確計(jì)算菲涅爾反射強(qiáng)度，通常通過(guò)試驗(yàn)的方法測(cè)定．本文選用日本三菱公司生產(chǎn)的SH2001-J型POF及OTDR-2100POF-650-4型POF光時(shí)域反射儀，相關(guān)POF參數(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)測(cè)試界面見(jiàn)文獻(xiàn)[13]．

2?拉伸作用下POF力光轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)

2.1?軸向拉伸試驗(yàn)

為了模擬POF與裂縫正交受力情況下的特性，進(jìn)行了軸向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用50,m長(zhǎng)的帶涂覆層的POF(SH2001-J)，且兩端配有FC接頭便于與OTDR連接．對(duì)光纖類(lèi)材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，需選擇合適的夾持方法，本文針對(duì)POF的結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種適合拉伸測(cè)試的夾持方式．該夾持方式為：將POF兩端埋設(shè)于環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠與碳纖維布的復(fù)合體中，待膠體固化以后，將兩端環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體夾持于測(cè)試設(shè)備的夾頭．POF兩端在環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體的保護(hù)下，可避免夾頭夾持力造成的破壞，而且POF在環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠黏結(jié)力的作用下，測(cè)試過(guò)程中不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)．POF拉伸試件及結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1?POF拉伸試件及結(jié)構(gòu)示意

POF試件結(jié)構(gòu)細(xì)小、極限抗拉強(qiáng)度較低，實(shí)驗(yàn)室已有的大噸位萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)不便對(duì)其進(jìn)行拉伸測(cè)試，鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一套拉伸測(cè)試設(shè)備，該設(shè)備由小量程拉力計(jì)和一電動(dòng)拉力測(cè)試機(jī)組合而成，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示．拉力計(jì)最大負(fù)荷為500,N，分度值0.01,N，電動(dòng)拉力測(cè)試機(jī)測(cè)試速度10～300,mm/min，行程580,mm．

圖2?POF拉伸試驗(yàn)設(shè)備實(shí)物圖

試驗(yàn)開(kāi)始前，將試件一端的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體用拉力試驗(yàn)機(jī)上夾頭夾緊，使試件自然垂下，位于上下夾頭中間．然后將上夾頭緩慢下移，在確保POF豎直無(wú)彎折的情況下使試件下端環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠-碳纖維布復(fù)合體自然落入下夾頭中間并夾緊，并將拉力試驗(yàn)機(jī)位移值和應(yīng)力值清零，然后將POF與OTDR設(shè)備連接，OTDR與數(shù)據(jù)采集電腦連接，最后操控拉力試驗(yàn)機(jī)的上夾頭勻速緩慢向上移動(dòng)，下夾頭保持固定，加載速度為10,mm/min，試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄試件拉伸段的拉伸量和對(duì)應(yīng)時(shí)刻O(píng)TDR所探測(cè)到的背向散射光及光損耗量．

2.2?非軸向拉伸試驗(yàn)

為了模擬POF與裂縫斜交下的特性，本文設(shè)計(jì)了一套模擬非軸向拉伸作用的裝置，如圖3所示．該裝置可以模擬裂縫從無(wú)到有及持續(xù)發(fā)展的過(guò)程．該裝置主要由一組有機(jī)玻璃板和一臺(tái)位移控制平臺(tái)組成．其中一塊玻璃板通過(guò)直角拐角及一組螺絲固定于位移控制平臺(tái)的基座，另一塊玻璃板則通過(guò)一組螺絲固定于位移控制平臺(tái)的移動(dòng)模塊，當(dāng)兩玻璃板發(fā)生相對(duì)移動(dòng)而分離，原本緊靠在一起的兩塊玻璃板便會(huì)產(chǎn)生縫隙，可實(shí)現(xiàn)張開(kāi)型裂縫的模擬．用環(huán)氧樹(shù)脂膠將POF粘貼于兩玻璃板上，可實(shí)現(xiàn)POF與兩玻璃板接縫呈不同夾角布置，以此控制POF與裂縫的夾角．POF粘貼前在兩玻璃板相接處放置一金屬薄片(厚度為0.1,mm)，該金屬片與兩塊玻璃板所處平面垂直，中間預(yù)留一直徑稍大于POF直徑的圓孔，該圓孔可允許POF在布設(shè)時(shí)穿過(guò)金屬薄片，且金屬薄片在放置前需要均勻涂抹一定量的凡士林，從而保證試驗(yàn)時(shí)金屬片兩側(cè)的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠體的及時(shí)分離．試驗(yàn)中，固化的環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠體會(huì)在金屬片位置分離形成一直線(xiàn)型縫隙，可嚴(yán)格控制POF與裂縫的夾角．

圖3?非軸向拉伸模擬裝置示意

將POF的一端連接OTDR設(shè)備，另一端連接一500,m的POF線(xiàn)圈(尾纖)，OTDR設(shè)備連接數(shù)據(jù)采集電腦便可開(kāi)始試驗(yàn)．試驗(yàn)中通過(guò)位移控制平臺(tái)的搖輪控制圖中上方玻璃板緩慢豎直向上移動(dòng)，裂縫模擬裝置的位移標(biāo)尺和位移傳感器可顯示位移模塊移動(dòng)的位移值．本裂縫模擬設(shè)備可控制的最小移動(dòng)距離為0.01,mm．試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄裂縫的開(kāi)度及對(duì)應(yīng)時(shí)刻O(píng)TDR所監(jiān)測(cè)到的POF內(nèi)部背向散射情況，試驗(yàn)裝置如圖4所示．

圖4?模擬試驗(yàn)裝置

3?試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1?軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)中運(yùn)用OTDR對(duì)拉伸作用下的POF進(jìn)行探測(cè)，實(shí)時(shí)記錄POF的拉伸量和相應(yīng)時(shí)刻O(píng)TDR監(jiān)測(cè)到的后向散射水平．試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行多次，在驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的一致性后，選取一典型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析．試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示．其中，圖5(a)為OTDR監(jiān)測(cè)到的后向散射水平原始曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)中一次菲涅爾反射事件所引起的曲線(xiàn)變化由菲涅爾反射值和損耗值兩部分組成．圖5(b)為試驗(yàn)中各拉伸時(shí)刻的后向散射水平與初始后向散射水平的差值曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)中縱坐標(biāo)軸0刻度以下的部分為菲涅爾反射量，縱坐標(biāo)軸0刻度以上部分為光損耗量．圖5(c)為POF拉伸處最大菲涅爾反射值和最大光損耗值隨拉伸量的變化曲線(xiàn)．

從圖5可以看出，在POF受軸向拉伸作用的初期(拉伸量小于10%,)，軸向拉伸對(duì)POF內(nèi)部光學(xué)特性幾乎沒(méi)有影響．隨著拉伸程度的逐漸增大，POF內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生大量菲涅爾反射并伴隨少量光損耗．在拉伸量達(dá)到60%,時(shí)，菲涅爾反射量由0,dB增大到7.72,dB．菲涅爾反射的主要形成原因?yàn)镻OF的幾何突變或者產(chǎn)生斷裂面．POF在拉伸作用下較易產(chǎn)生微小裂隙[14]，所以試驗(yàn)中探測(cè)到的較大菲涅爾反射是由POF在拉伸作用下產(chǎn)生的微小裂隙導(dǎo)致的．本試驗(yàn)中POF發(fā)生光損耗的主要形式包括：①由POF徑向收縮變形所引起的輻射損耗；②POF受力后折射率會(huì)發(fā)生變化，折射率變化后會(huì)引起的散射損耗. 從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，整個(gè)拉伸過(guò)程中光損耗值較小，最大值僅為0.89,dB，故在軸向拉伸作用下，POF由于受力和變形所引起的光損耗值較?。纱丝梢?jiàn)，POF對(duì)小尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較低，但對(duì)大尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較好，因此適合用于監(jiān)測(cè)大變形．

圖5?軸向拉伸作用下POF內(nèi)部光學(xué)特性測(cè)試結(jié)果

3.2?非軸向拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析

當(dāng)POF與裂縫呈45°斜交時(shí)，OTDR的探測(cè)結(jié)果如圖6所示．圖6(a)為開(kāi)裂過(guò)程中POF內(nèi)部后向散射水平，圖6(b)為開(kāi)裂過(guò)程中POF內(nèi)后向散射水平與初始后向散射水平的差值，圖6(c)為光損耗值和菲涅爾反射值隨裂縫開(kāi)度的變化情況．由圖6(a)可以看出，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后POF內(nèi)部后向散射水平從裂縫產(chǎn)生位置開(kāi)始逐漸下降．進(jìn)一步通過(guò)圖6(b)可以看出，在裂縫開(kāi)度較小的情況下，菲涅爾反射量并不明顯，隨著裂縫開(kāi)度的增大逐漸明顯．而在裂縫開(kāi)度較小時(shí)，就出現(xiàn)了較明顯的光損耗量，并且隨著裂縫開(kāi)度的增加逐漸升高．結(jié)合軸向拉伸試驗(yàn)研究結(jié)果可以看出，POF非軸向受拉與軸向受拉對(duì)其內(nèi)部光學(xué)特性的影響差別較大．可以看出，POF受非軸向拉伸的情況非常適合感知裂縫，光損耗值和菲涅爾反射值的靈敏度分別達(dá)到0.87,dB/mm和0.68,dB/mm，可見(jiàn)在該情況下光損耗量更適合作為結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，菲涅爾反射峰可作為裂縫發(fā)生位置的定位指標(biāo)．

圖6 非軸向拉伸作用下POF內(nèi)部光學(xué)特性測(cè)試結(jié)果

在POF受軸向拉伸作用時(shí)，POF始終保持平直，而在非軸向拉伸作用下，POF在開(kāi)裂處會(huì)形成一定的彎曲．因此可以推測(cè)該“彎曲”是造成兩種受力條件下不同光學(xué)反應(yīng)的原因．為了進(jìn)一步考察POF與裂縫斜交時(shí)對(duì)裂縫的感知能力，試驗(yàn)中將POF與裂縫呈不同角度(30°、45°、60°)布置并進(jìn)行多次試驗(yàn)．以POF內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測(cè)指標(biāo)．試驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄裂縫開(kāi)度值及對(duì)應(yīng)的光損耗水平，當(dāng)光損耗水平不再發(fā)生明顯變化時(shí)停止試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示．由圖可以看出，各夾角下POF內(nèi)的光損耗值均隨裂縫開(kāi)度的增大而增大．裂縫開(kāi)度在3,mm以?xún)?nèi)時(shí)，光損耗值的增長(zhǎng)速度較快，之后光損耗增長(zhǎng)速度減緩并趨于水平．以POF內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測(cè)指標(biāo)可監(jiān)測(cè)到的裂縫最大開(kāi)度為6,mm．文獻(xiàn)[15-16]表明，石英光纖對(duì)裂縫的監(jiān)測(cè)量程約為2,mm，而且在裂縫開(kāi)度靠近2,mm時(shí)光損耗量基本已經(jīng)趨于水平，對(duì)裂縫敏感的區(qū)間小于2,mm.因此，本文所使用的POF在監(jiān)測(cè)量程方面已經(jīng)大大超過(guò)石英光纖．另外，相同裂縫開(kāi)度下，POF與裂縫夾角較小時(shí)產(chǎn)生的光損耗量大于夾角較大的情況，這說(shuō)明夾角較小時(shí)POF對(duì)裂縫的感知靈敏度較高．POF與裂縫夾角較小時(shí)，裂縫處的POF會(huì)發(fā)生更明顯的彎曲變形，這進(jìn)一步證明了“彎曲”是造成POF內(nèi)部光損耗主要原因的推測(cè)．

圖7 裂縫模擬試驗(yàn)中不同角度布置下裂縫開(kāi)展時(shí)POF內(nèi)部光損耗測(cè)試結(jié)果

4?結(jié)?論

(1) 針對(duì)POF的結(jié)構(gòu)和材料特點(diǎn)，模擬POF與裂縫開(kāi)展方向正交和斜交的情況，分別設(shè)計(jì)了適合POF軸向和非軸向拉伸測(cè)試的試驗(yàn)方法．

(2) 通過(guò)軸向拉伸試驗(yàn)研究了試件拉伸段的拉伸量和對(duì)應(yīng)時(shí)刻O(píng)TDR所探測(cè)到的后向散射光及光損耗量的關(guān)系．試驗(yàn)結(jié)果表明，POF對(duì)小尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較低，但對(duì)大尺度軸向拉伸的光學(xué)感知能力較好．

(3) 通過(guò)非軸向拉伸試驗(yàn)研究了POF與裂縫呈45°斜交時(shí)拉伸過(guò)程O(píng)TDR后向散射光及光損耗量規(guī)律．結(jié)果表明，POF受非軸向拉伸時(shí)非常適合感知裂縫，光損耗值和菲涅爾反射值的靈敏度分別達(dá)到0.87,dB/mm和0.68,dB/mm，在該情況下光損耗量更適合作為結(jié)構(gòu)開(kāi)裂的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，菲涅爾反射峰可作為裂縫發(fā)生位置的定位指標(biāo)．

(4) 通過(guò)非軸向拉伸試驗(yàn)研究了POF與裂縫呈不同角度時(shí)的光損耗水平，結(jié)果顯示，POF內(nèi)光損耗水平作為裂縫監(jiān)測(cè)指標(biāo)可監(jiān)測(cè)到的裂縫最大開(kāi)度為6,mm，監(jiān)測(cè)量程方面優(yōu)于石英光纖，且?jiàn)A角較小時(shí)POF對(duì)裂縫的感知靈敏度較高，可推斷開(kāi)裂處的局部彎曲是造成POF內(nèi)部光損耗的主要原因．

［1］ Bao T F，Wang J L，Yao Y. A fiber optic sensor for detecting and monitoring cracks in concrete structures [J].：，2010，53(11)：3045-3050.

［2］ Laflamme S，Kollosche M，Connor J J，et al. Soft capacitive sensor for structural health monitoring of large-scale systems[J].，2012，19(1)：70-81.

［3］ Bao T. Distributed fiber Bragg grating sensors for monitoring cracks in concrete structures[C]//2012：，，，. Pasadena，USA，2012：1390-1399.

［4］ Zhao Jinlei，Bao Tengfei，Chen Rui. Crack monitoring capability of plastic optical fibers for concrete structures [J].y，2015(24)：70-76.

［5］ 包騰飛，趙津磊，戚丹. 塑料光纖在裂縫監(jiān)測(cè)中的性能[J]. 光子學(xué)報(bào)，2015，44(10)：82-87.

Bao Tengfei，Zhao Jinlei，Qi Dan. Properties of plastic optical fibers in crack monitoring[J].，2015，44(10)：82-87(in Chinese).

［6］ 趙津磊，包騰飛，戚?丹. 塑料光纖在裂縫監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的可行性研究[J]. 光電子·激光，2014，25(10)：1943-1948.

Zhao Jinlei，Bao Tengfei，Qi Dan. Feasibility study on application of plastic optical fiber in crack monitoring [J].·，2014，25(10)：1943-1948(in Chinese).

［7］ Takeda N，Kosaka T，Ichiyama T. Detection of transverse cracks by embedded plastic optical fiber in FRP laminates[C]//1999：. Newport Beach，USA，1999，3670：248-256.

［8］ Kuang K S C，Cantwell W J，Thomas C. Crack detection and vertical deflection monitoring in concrete beams using plastic optical fibre sensors[J].，2003，14(2)：205-216.

［9］ Kuang K S C，Quek S T，Maalej M. Assessment of an extrinsic polymer-based optical fibre sensor for structural health monitoring[J].，2004，15(10)：2133-2141.

［10］ Liehr S，Lenke P，Krebber K，et al. Distributed strain measurement with polymer optical fibers integrated into multifunctional geotextiles[C]//2008. Strasbourg，F(xiàn)rance，2008，7003：700302.

［11］ Liehr S，Lenke P，Wendt M，et al. Distributed polymer optical fiber sensors in geotextiles for monitoring of earthwork structures[C]//4(4)Zurich，Switzerland，2009：22-24.

［12］ Liehr S，Lenke P，Wendt M，et al. Polymer optical fiber sensors for distributed strain measurement and application in structural health monitoring[J].，2009，9(11)：1330-1338.

［13］ 包騰飛，趙津磊，李澗鳴.剪扭作用下塑料光纖力光轉(zhuǎn)換特性試驗(yàn)研究[J]. 光子學(xué)報(bào)，2018，47(4)：219-226.

Bao Tengfei，Zhao Jinlei，Li Jianming.Experiment of optical response characteristics of plastic optical fibers under shear and torsion loading[J].，2018，47(4)：219-226(in Chinese).

［14］ Liehr S，Wendt M，Krebber K. Distributed perfluorinated POF strain sensor using OTDR and OFDR techniques[C]//20. Edinburgh，UK，2009：75036G.

［15］ Pérez Castellanos J L，Montero D S，Vázquez C，et al. Photo thermo mechanical behaviour under quasistatic tensile conditions of a PMMA core optical fibre[J].，2016，52(1)：3-13.

［16］ Wan K T，Leung C K Y. Fiber optic sensor for the monitor ing of mixed mode cracks in structures[J].：，2007，135(2)：370-380.

(責(zé)任編輯：孫立華)

Optical Response Characteristics of Plastic Optical Fibers Under Cracking Conditions

Bao Tengfei1, 2, 3，Li Jianming1, 2, 3，Zhao Jinlei4

(1．State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University， Nanjing 210098，China；2．National Engineering Research Center of Water Resources Efficient Utilization and Engineering Safety，Hohai University，Nanjing 210098，China；3．College of Water Conservancy and Hydropower Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；4．Jiangsu Surveying and Design Institute of Water Resources Company Limited，Yangzhou 225127，China)

Experiments under axial and non-axial tensions were conducted respectively corresponding to the conditions when opening mode cracks occurred in structures to study the optical response of plastic optical fibers using optical time domain reflect technique．Results indicate that plastic optical fibers have better optical sensibility to cracks under conditions of non-axial strain and small angle．The sensitivities of optical loss and Fresnel reflection are 0.87,dB/mm and 0.68,dB/mm respectively when the angle between the plastic optical fiber and the crack is 45° and the sensitivities are higher when the angle is smaller．It is also shown that the maximum crack width the plastic optical fibers can monitor is 6,mm．Thus plastic optical fibers can be well applied to crack monitoring of concrete structures when taking optical loss as monitoring index and peak of Fresnel reflection as position index.

plastic optical fiber；optical time domain reflection；crack monitoring；optical loss；Fresnel reflection

the National Key Research and Development Program of China(No.,2016YFC0401601) ， the National Natural ScienceFoundation of China(No.,51579086，No.,51739003，No.,51479054，No.,51379068 and No.,41323001)，the Jiangsu Funds for Distinguished Youth(No.,BK20140039) and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions (No.,YS11001).

TV698.1

A

0493-2137(2018)11-1195-06

10.11784/tdxbz201711074

2017-11-21；

2018-04-20.

包騰飛（1974—），男，博士，教授.

包騰飛，baotf@hhu.edu.cn.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目(2016YFC0401601)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51579086，51739003，51479054，51379068，41323001)；江蘇省杰出青年基金資助項(xiàng)目(BK20140039)；江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目(水利工程)(YS11001).