分布式光纤传感技术在结构裂缝检测中的应用

1、分布式光纤传感技术在结构裂缝检测中的应用摘要：文章从分布式光纤传感应用于裂缝检测的特点，光纤裂缝传感的原理， 模型实验研究成果，国内外研究动态，该项技术的发展前景五方面来探讨。关键词：分布式光纤传感器；混凝土结构；检测；光纤传感网络在混凝土结构中，裂缝的出现难以避免。如果对其发展状态不加重视，裂缝 的发展很可能破坏结构的整体性，直接危害结构的稳定。对混凝土结构的裂缝进 行评估，传统方法主要靠埋设仪器来实现。这种手段虽然有效，但属点式监测， 从全面收集建筑物的安危和实况重要信息这方面而言，尚有相当的局限性。尤其 是时空上涵盖全结构的局限性一一即收集信息在时间、空间上的不连续，这会导 至险情或重要

2、先兆信息的漏监。正因裂缝检测的技术难度较高，传统手段又存在 不可避免的缺陷，检测技术的改新换代已不可避免。在各国竞相发展的安全检测 高新技术中，光纤传感由于能实现空间立体监测和连续性监测，从而对结构中的 隐患作出预警，在大型土木工程的安全监测中已得到了越来越多的重视，而其中 的尖端领域和研究开发热点则是分布式光纤传感技术。一分布式光纤传感应用于裂缝检测的特点分布式光纤传感技术是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被 测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的 外部物理参量进行连续的测量，为建筑和研究领域提供了同时获取被测物理参量 的空间分布状态和随时间变化信

3、息的手段。相较传统测量仪器，分布式光纤传感 技术具有精度高、稳定性强，使用范围宽等特点，具体表现在以下几点：1数据采集量、速度与精度有大幅提高由于光纤自身具有传感和传输集于一身的特点，可进行空间上的连续检测， 采集的数据量也分布于整个空间。只要裂缝与埋入的光纤光路相交，即可被感知。 同时，光纤具有实时检测的特点，当裂缝产生时，它能实时检测到，从而对结构 中的隐患作出预警。并且，由于在确定的土木工程中，其缝宽和光路信号衰减成 唯一关系，当光路的衰减量检测到后，其缝宽及其位置也可确定，在精度上也有 了较好的保证。2对雷电、各种电磁及射频环境有极强的抗干扰能力在建筑工程中，对于一些有较强电磁场的场合

4、，如水电站大坝，光纤传感器 由于有极强的抗干扰能力，在此领域具有特殊的优越性。并且光纤传感器不需要 屏闭，接地和雷电保护，也降低了系统土建和运行维护成本。3对结构材料性能没有影响检测裂缝的分布式光纤传感器具有体积小、重量轻的特点。它不影响埋设点 的材料性能，属于无损检测，适合野外作业需要。4采用即插即读的连接方式数据结果直接显示裂缝位置与宽度，方便检测人员对系统的使用。5具有智能化的发展趋式光纤检测信息损耗量小，可以远程遥测。如果能和计算机网络连接，就能实 现自检测、自诊断的智能化检测。二光纤裂缝传感的原理当光沿光纤传播时，由于拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射的存在，在纤芯内 各点都会产生光的损

5、耗,一部分光沿光纤传播方向成180的方向散射（后向散射 光）,沿光纤返回光源。光谱中央的峰为频谱没有变化的瑞利散射，其余的峰为非 弹性的布里渊散射和拉曼散射。光时域反射仪（OT DR）可以通过自身检测仪将瑞 利散射的波形提取出来。这样，把光脉冲信号输入光纤，然后检测返回的散射光强 的变化，就能确定光纤散射系数或衰减与空间的关系。应用于裂缝检测的分布式 光纤传感技术正是基于此原理，利用OTDR探测沿光纤长度上过大的局部损耗，从 输出信息中获取所测参量的空间位置及大小。由于瑞利散射属本征损耗，所以可 以作为应变场渐断面检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值、连续的检测 信号。三模型实验研究成果光

6、纤混凝土复合体的共同作用表现为力学一光学效应，其微弯损耗值尚难 以精确计算，故传感效果的量化需依赖试验。为准确的模拟混凝土开裂的实际情 况，特制做了一组混凝土模型进行裂缝传感实验。模型尺寸为1OxlOx25cm,上 设诱导缝。材料采用525#普通硅酸盐水泥，水灰比为0.39，细度模数为2. 36的 黄沙。养护一周后，一同浇注的标准试件抗弯强度为9.5Mpa，抗压强度为 64. 6Mpa。为试验各种光纤的裂缝传感性能，特选用3种光纤进行对比研究。图11号光纤衰减与缝宽关系曲线图图2 2号光纤与缝宽关系曲线图图3 3号光纤衰减与缝宽关系曲线图其中,250 Lm光纤简称为1号;4芯带纤简称为2号;9

7、00 Lm二次涂覆光纤简称 为3号。根据预备试验的结果（为测知光纤不同夹角对裂缝感知的敏感性,事先用 有机玻璃做了一些相关试验）,试验选用检测灵敏度高而检测范围也较大的120、 135、150。试验时，用液压加载设备缓慢加载，劈刀对诱导缝产生强大的劈裂作 用导致其开裂，模型两侧较硬的加压块由于反作用力同时挤压模型,从而控制裂缝 缓慢增加以配合光学检验。试验结果见图1、2、3。由图可知,1号与2号光纤动 态范围相差不大,分别为2 mm和2. 5 mm,对应最大衰减仅仅为3. 8dB;而初始缝 宽分别为0. 15 mm和0. 2 mm,对应衰减均达0. 01 dB; 3号光纤在H= 150时动态

8、范围达6 mm,对应最大衰减为2 dB,初始感知缝宽为0. 3 mm,对应衰减为0. 002 dB。由缝宽衰减规律及检测仪器灵敏度可知各种光纤的缝宽分辨率。3种光纤 检测性能对比见表1,其中，对应衰减是相对于初始缝宽而言的。表13种光纤裂缝检测性能对比表由以上分析可知,1号和2号光纤虽然动态范围较小，但却有较高的分辨率和 较小的初始感知缝宽。而3号光纤恰恰相反，分辨率较低，初始感知缝宽较小，但动 态范围却达cm级。经分析,其主要原因是1号和2号光纤保护层较薄，而3号光 纤保护层较厚的缘故，从而使其检测性能出现差异。如果能综合利用以上3种光 纤，可使斜交光纤裂缝传感系统既有较小的初始感知缝宽和较

9、高的分辨率,又有较 大的动态范围。四国内外研究动态由于利用光纤进行混凝土结构的无损检测与评估的潜在价值在最近几年才得 到重视，国内外目前对此技术应用于裂缝检测尚属于摸索阶段，见报道的相关研究 工作还不是很多。下面仅简要介绍一下其中较有意义的工作。Rossi和LeMaou介 绍了使用埋入式多模光纤（100 Lm光纤,在几个截面处把包层去掉）探测混凝土中 的裂缝。当裂缝穿过没有包层的光纤任一截面时，就会观察到光纤中光强有一跌 落。该方法已用在一汽车隧道的壳壁上，以检测不同位置裂缝的出现。Ansari使用 环形光纤测量了混凝土梁试件裂缝的宽度，其原理为环形光纤传输的光是裂缝增 长引起光传播波动的函数

10、。然而，在这项研究计算方法中的一个主要缺点是裂缝的走向必须事先预知。五该项技术的发展前景在结构的裂缝检测领域,也有学者提出了其它一些无损测试的方法，主要依据 的是x和C射线的吸收、传播和散射，以及超声波和振动等方法。但这些方法并不 总是非常可靠，只能作为定性的评估方法。而分布式光纤传感技术则提供了一种 崭新的测量手段，可以精确地评估结构内部的裂缝发展状态,对于混凝土建筑的长 期检测和结构完好性的无损评价具有重大的工程使用价值。该项技术的研究与发 展彻底改变了土木工程结构传统的检测手段,弥补了传统检测手段的不足和缺陷。随着光纤技术的进一步发展，它甚至可以全面取代原有的检测手段。然而，这 顶技术的研究尚处于起步阶段，大量的相关技术工作尚待完成,需要土木工程、光 通讯技术、微电子技术和计算机技术的更多合作。这方面的研究是一个充满挑战 的领域，具有广阔的前景、巨大的科学意义和社