基于分布式光纖傳感器的水中結(jié)構(gòu)動應變測量實驗研究

楊竟南 劉 斌 廖海峰

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司1) 武漢 430056) (中國市政工程中南設計研究總院有限公司2) 武漢 430010)

0 引 言

結(jié)構(gòu)的應變通常采用電阻應變片與振弦傳感器進行測量.這些傳統(tǒng)的傳感器在防水、抗電磁干擾、耐腐蝕、抗潮濕、穩(wěn)定性和耐久性等方面,難以適應大型水中結(jié)構(gòu)，特別是海中惡劣工作環(huán)境中的結(jié)構(gòu).

光纖傳感器作為一種新型傳感器，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中開始得到廣泛的應用.光纖傳感器載體是光信號，纖芯材料為二氧化硅，該傳感器具有抗電磁干擾、防水、耐腐蝕等優(yōu)點，與傳統(tǒng)傳感器相比耐久性更高.現(xiàn)有的光纖傳感器的測量范圍已經(jīng)涵蓋溫度、應變、位移、振動等物理量.

光纖光柵傳感器(FBG)和基于布里淵光時域分析技術(Brillouin optical time domain analysis，BOTDA)的分布式光纖傳感器均可用來測量結(jié)構(gòu)的應變.FBG傳感器與電阻應變片一樣為“點式”傳感器，僅能對其埋設位置附近的結(jié)構(gòu)受力特征進行局部監(jiān)測.橋梁、大壩、河堤等大型結(jié)構(gòu)具有大跨度、大體積等特征，結(jié)構(gòu)損傷不易被發(fā)現(xiàn)且具有較強的隨機性，這種結(jié)構(gòu)損傷的隱蔽性和隨機性使得“點式”傳感器難以準確全面地反映結(jié)構(gòu)的信息.

分布式光纖傳感技術的發(fā)展應用,實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)的連續(xù)測量與監(jiān)測.分布式光纖傳感器可以準確測量出光纖沿線上任意一點的應變、溫度、振動及損傷等信息，測量范圍可達到幾十公里，非常適用于大型結(jié)構(gòu).分布式光纖傳感器的特點使得對結(jié)構(gòu)的全方位監(jiān)測成為可能，克服了“點式”監(jiān)測方式漏檢的弊端,提高了監(jiān)測的成功率[1-2].

目前，分布式光纖傳感器已被廣泛應用于結(jié)構(gòu)的應變監(jiān)測.Peled等[3]采用分布式光纖對20 m長的復合材料帶上由于機械波的傳播所引起的應變進行了測量.Masoudi等[4]研究了一種分布式動態(tài)應變傳感器，該傳感器能夠在2 km測量范圍內(nèi)測量應變的擾動.Liu等[5]通過使用基于布里淵光時域分析的分布式動應變測量技術，對長度15 m的帶模擬裂縫的鋼梁進行動應變測試，以確定裂縫的位置和寬度.

分布式光纖傳感器動應變測量研究主要集中在一般環(huán)境下結(jié)構(gòu)的測量，但實際工程中，有大量的水下結(jié)構(gòu)，會遭受包括波浪、水流、冰等動荷載的影響.研究表明結(jié)構(gòu)與流體之間的相互作用會對結(jié)構(gòu)的動力響應產(chǎn)生較大影響 ，隨著水位的升高，動水壓力效應對結(jié)構(gòu)的影響有增大的趨勢[6].Morison[7]提出小直徑結(jié)構(gòu)上波浪力的計算方法，即Morison方程.此后的研究主要集中在理論分析與有限元仿真上[8].由于問題的復雜性，在計算過程中進行了許多簡化與假設，例如Morison方程就假設結(jié)構(gòu)尺寸較小，不會對波浪運動造成明顯影響，忽略了結(jié)構(gòu)對水運動的影響.因此簡化和假設是否合理，計算的結(jié)果是否正確需要實際的測量結(jié)果進行驗證.若分布式光纖傳感器能應用于水中結(jié)構(gòu)的測量，則可以全面得知結(jié)構(gòu)的動力響應，并可將測量結(jié)果與理論分析結(jié)果進行對比，這對確保結(jié)構(gòu)安全和修正理論分析方法都具有重要意義.

為了探討光纖傳感器應用于水中結(jié)構(gòu)監(jiān)測的可行性，文獻[9]建立了實驗模型，對FBG傳感器應用于水中結(jié)構(gòu)動應變測量進行了研究，結(jié)果表明具有較好的可行性.本文在此基礎上，完善實驗模型，應用BOTDA對水中結(jié)構(gòu)模型的動應變進行分布式測量，并將其結(jié)果與FBG測量結(jié)果對比分析以探討分布式光纖傳感技術應用于水中結(jié)構(gòu)監(jiān)測的有效性.

1 測試原理

1) BOTDA 將短脈沖光和連續(xù)探測光分別從光纖兩端射入以產(chǎn)生受激布里淵散射光，溫度和應變會使得受激布里淵散射光的頻率發(fā)生改變(即產(chǎn)生頻移)，測量該頻率變化即可得到沿光纖各采樣點的應變和溫度[10].布里淵散射光的頻移跟應變和溫度都具有良好的線性關系，因此光纖中各個位置的應變和溫度都可以被精確地檢測出，具有高空間分辨率和高精度.

布里淵散射光的頻移與應變及溫度的關系為

Δf=C11Δε+C12ΔT

(1)

式中：ΔG為應變和溫度引起的布里淵散射光頻移；Δε為應變的變化量；ΔT為溫度差；C11為應變靈敏系數(shù)；C12為溫度靈敏系數(shù).

2) Bragg光柵(FBG) FBG傳感器是將光纖的一部分作為傳感區(qū)，通過加工變成光柵而使得光纖具有傳感能力.通過對布拉格波長的檢測，就可以得到被測參數(shù).布拉格波長對溫度和應變都極為敏感.布拉格波長變化與應變和溫度的關系為

ΔλB=αgΔε+αTΔT

(2)

式中：ΔλB為溫度和應變引起的波長漂移；Δε為應變的變化量；ΔT為溫度差；αg為應變靈敏系數(shù)，αT為溫度靈敏系數(shù).

2 實驗設備

BOTDA采用日本 NEUBREX公司的 NEUBRESCOPE光納儀設備，型號為NBX-6055.采樣間隔可達1 cm，最高空間分辨率可達5 cm，測量精度可達到7×10-6.進行動態(tài)模式(AT-BOTDA)測量時采樣間隔可達5 cm，最高空間分辨率可達10 cm，測量范圍可達25 km.

采用美國Micron Optics公司的SI425-500解調(diào)儀測量FBG中心波長,該設備掃描頻率為250 Hz,波長分辨率為1 pm.

3 實驗過程

模型中桿采用鋁制材料，桿的直徑D=15.8 mm、長1.3 m.桿底部固結(jié)在基座上，頂部施加1kg的質(zhì)量塊.沿桿長方向布置一根單模光纖，采用光納儀測量桿在振動過程中沿桿長方向所有采樣點的動應變.因桿在振動過程中桿底端將產(chǎn)生最大應變，故在桿的底端布置一個FBG傳感器，測量桿在振動過程中底端的動應變狀態(tài).

為探討水深對結(jié)構(gòu)動力響應的影響，將水位逐步加至1/4水位、1/2水位、3/4水位及滿水位位置，分別為0.28，0.55，0.83和1.1 m.在桿頂端施加5 cm的初始位移，釋放后使桿產(chǎn)生振動，并用光納儀和FBG解調(diào)儀同時測量結(jié)構(gòu)的動應變.

4 實驗結(jié)果

光納儀的AT-BOTDA模式可測量沿光纖長度的結(jié)構(gòu)動應變，采樣間隔為5 cm，空間分辨率為20 cm.不同水位狀態(tài)下測試結(jié)果見圖1.

圖1 不同水位分布式動應變

由圖1可知：BOTDA可以較好地反映出水中結(jié)構(gòu)振動時的分布式動應變狀態(tài).桿底端位置在振動過程中產(chǎn)生最大動應變，頂部位置附近則只產(chǎn)生較小的動應變.水深由無水狀態(tài)增大到1/4水位狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)底端的最大動應變增大，由244×10-6增大到282×10-6，變化幅度達到13.4%，結(jié)構(gòu)的阻尼增大，結(jié)構(gòu)自由振動后更快地達到了平衡狀態(tài).水深由1/4水位增大到1/2水位時，結(jié)構(gòu)底端的最大動應變明顯增大，由282×10-6增大到408×10-6，變化幅度達到44.6%，相比無水狀態(tài)變化幅度達到了67%.隨著水位增大到3/4水位時，結(jié)構(gòu)底端的最大動應變相對1/2水位狀態(tài)時有所減少，為360×10-6.水深由3/4水位狀態(tài)增大到滿水位狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)底端的最大動應變?yōu)?18×10-6，結(jié)構(gòu)的阻尼明顯增大，在自由振動幾個周期后即達到了平衡狀態(tài).盡管3/4水位和滿水位時結(jié)構(gòu)底端的最大動應變相比1/2水位時小，但仍大于無水狀態(tài)和1/4水位時的最大動應變.

為驗證分布式測量的測量結(jié)果，同時利用FBG測量不同水深時桿底端的動應變，測量結(jié)果見圖2.

圖2 不同水位FBG結(jié)果

利用FBG傳感器測量不同水深狀態(tài)下桿底端的應變，F(xiàn)BG的測量結(jié)果同樣顯示，水深由無水狀態(tài)增大到1/4水位狀態(tài)時，結(jié)構(gòu)底端的最大動應變增大，由279×10-6增大到327×10-6，變化幅度達到17.2%.水深由1/4水位增大到1/2水位時，結(jié)構(gòu)底端的最大動應變明顯增大，由327×10-6增大到477×10-6，變化幅度達到45.8%，相比無水狀態(tài)變化幅度達到了70.9%.水深由1/2水位狀態(tài)增大到3/4水位時，結(jié)構(gòu)底端的最大動應變減小到417×10-6.當水深由3/4水位增大到滿水位時結(jié)構(gòu)底端的最大動應變?yōu)?86×10-6.

對比FBG與BOTDA的測量結(jié)果可以看出，二者測量結(jié)果的趨勢一致，隨著水深的增加，結(jié)構(gòu)的動水壓力增加，結(jié)構(gòu)的動力響應也隨之增大.二者都能較好地測量出不同水深狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的動應變，也能較好地反映出阻尼對結(jié)構(gòu)的影響.同時可以看出，BOTDA測量到的不同水深下結(jié)構(gòu)的最大動應變均小于FBG的測量結(jié)果，差異率在20%以內(nèi).分析原因為BOTDA 進行動態(tài)測量時需采集所有采樣點隨時間變化的應變狀態(tài)，測量數(shù)據(jù)量巨大，而FBG僅針對單個采樣點進行測量且采樣頻率高于BOTDA.并且由于空間分辨率的原因，BOTDA對單個采樣點處的測量精度不如FBG.

5 結(jié) 束 語

通過建立實驗模型，利用BOTDA和FBG傳感器實現(xiàn)了對水中結(jié)構(gòu)動應變的分布式和點式測量，通過對不同水深狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的動應變測試，驗證了分布式光纖傳感技術應用于水中結(jié)構(gòu)監(jiān)測的可行性.

BOTDA可以較好地實現(xiàn)水中結(jié)構(gòu)動應變的分布式測量，但由于采樣頻率和空間分辨率的原因，對單個采樣點處的測量精度不如FBG.因此，對于重要水中結(jié)構(gòu)，有必要采取BOTDA與FBG測量相結(jié)合的方式.采用BOTDA進行分布式測量的同時，在關鍵位置布置FBG進行測量，全面監(jiān)測結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，保障結(jié)構(gòu)的安全.