分布式光纤传感技术应变测量试验研究

何 宁， 王 平， 丁 勇，， 钱亚俊， 彭 智

（1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.中国第一冶金建设有限责任公司，湖北 武汉 430081；3.南京理工大学，江苏 南京 210094）

0 引 言

光纤传感器自20世纪70年代问世以来，得到了广泛的关注，特别是近些年，光纤传感器的工程应用发展迅速。基于布里渊散射的监测技术与常规的监测技术原理不同，它具有分布式、长距离、实时性、精度高和耐久性长等特点，能做到对工程设施的每一个部位进行监测与监控，相比传统监测技术分布式光纤传感技术具有以下特点：（1）光纤集传感器和传输介质为一身，安装方便，易于构成自动化监测系统，性价比高；（2）可以进行光纤沿线任意点空间连续测量，测量距离长、范围大、信息量大，特别适合用于水库大坝、堤岸、隧洞等大型水工建筑物安全隐患监测，大大降低传统点式方法检测的漏检率；（3）光纤传感器的结构简单、体积小，对安装埋设部位的物理性能影响很小；（4）测量灵敏度高，抗电磁干扰、抗雷击，可靠性高。光纤传感技术的研究和应用在国外一些发达国家已经取得丰硕成果，近几年，美国、加拿大、瑞士、英国、日本等国家科研机构和高新技术公司开发的基于布里渊散射效应的分布式光纤测量系统，开发完成了各自分布式光纤测量系统，其产品主要技术参数比较如表1所示。

表1 5种代表性分布式光纤测量系统主要技术参数比较

1 BOTDR分布式光纤传感原理[1-2]

光在光纤中传播会发生散射，主要有瑞利散射光、拉曼散射光和布里渊散射光3种。瑞利散射由入射光与微观粒子的弹性碰撞产生，散射光的频率与入射光的频率相同，在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（BOTDR）结构来实现被测量的空间定位；拉曼散射由光子和光声子的非弹性碰撞产生，波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光，斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度有一定的函数关系，一般利用拉曼散射来实现温度监测；布里渊散射由光子与声子的非弹性碰撞产生，散射光的频率发生变化，变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关。与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量。研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境温度和承受的应变在一定条件下呈线性关系，由下式表示

式中：ΔVB——布里渊频移变化量；

ΔT——温度变化量；

Δε——应变变化量；

CVT——布里渊频移温度系数；

CVε——布里渊频移应变系数；

ΔPB——布里渊功率变化量；

CPT——布里渊功率温度系数；

CPε——布里渊功率应变系数。

2 分布式光纤传感技术应变测量试验研究模型

为了研究分布式光纤传感技术应变测量的特性，采用瑞士产DiTest分布式光纤测量系统开展分布式光纤传感技术应变测量的试验研究。试验模型为标准型钢纯弯件，为受集中荷载作用的两端铰支结构，如图1所示。

图1 应变测量试验研究模型示意图（单位：mm）

在试验模型表面布置10条应变光纤，分别布置在型钢两侧的翼缘和腹板上，其中一侧布置4条应变光纤，采用带6 mm铠装护套的多膜应变光纤，在光纤布置位置两侧焊接6mm直径钢筋，内部灌环氧树脂将应变光纤牢固胶接在打毛好的型钢表面；另外一侧布置6条应变光纤，采用普通多膜应变光纤，光纤直径1mm，用强力胶粘接在打毛好的型钢表面；同时在整根型钢上选择7个断面分别在应变光纤对应位置各布置一套应变片和百分表。试验模型中应变光纤和应变片布置如图2所示。

图2 应变测量试验研究模型中观测设备布置示意图

试验前采用光纤熔接技术对模型中10条应变光纤熔接连接上光纤法兰并通过法兰将全部10条光纤连接成一根整条光纤，两端熔接连接上专用测量光纤接头后分别接入DiTest分布式光纤测量系统的“From”和“To”两个端口。试验对型钢纯弯件加集中荷载P，最大加载为50 t，分10级进行加载，每级荷载递增5t，每加一级荷载后稳定3min后进行测量。其中采用DiTest分布式光纤测量系统对应变光纤测量3次，应变光纤的测量空间分辨率设置为0.1 m，接入DiTest分布式光纤测量系统的光纤总长度为2 100m。考虑试验中有效应变光纤范围，只对有效位置80m以内光纤进行应变测量，每级加载后对应变光纤测量3次历时约20min，7个断面应变片和百分表测量一次，测量完成后继续加下一级荷载。此次试验过程在室内完成，试验全过程温度变化较小，因此不考虑测量过程的温度修正。

3 分布式光纤传感技术应变测量试验研究成果分析

试验全过程10级加载测得全部10条应变光纤的应变观测结果如图3所示。

图3 试验模型中10条应变光纤的应变观测结果

图3所示试验中10级荷载下测得型钢上布置的10条应变光纤的应变观测结果表明分布式光纤传感技术在试验中取得了较好的观测成果。图3所示观测结果显示测得两种应变光纤的应变变化规律和量值基本一致，表明分布式应变传感光纤对多膜光纤没有特别要求，可以带铠装护套的多膜光纤或者其他型式的多膜光纤作为分布式应变传感光纤，应变传感光纤的选择仅需根据实际工程安装保护需要确定。布置在型钢上翼缘和腹板上部的应变光纤在集中荷载作用下为压应变，布置在型钢下翼缘和腹板下部的应变光纤在集中荷载作用下为拉应变，无论拉应变还是压应变都是沿型钢长度方向呈线性变化，在其长度方向的中部值最大，向两端线性递减，到两端铰支座位置递减为零。由于距中性轴距离大，布置在翼缘上应变传感光纤测得应变绝对值均大于布置在其临近腹板位置应变传感光纤对应点位的测值，布置在型腹板中部（型钢纯弯件的中性轴上）的应变光纤在集中荷载作用下测得其应变在“0”上下波动。上述观测结果表明，分布式应变传感光纤测得的试验型钢在集中荷载作用下的应变分布规律同其理论计算结果规律完全符合。图3所示试验观测结果显示随着集中荷载P的加载，测得型钢上布置的9条应变光纤的应变测值随集中的荷载的增加基本是线性递增，表明分布式应变光纤传感技术能够迅速及时地对结构物的应变变化进行准确跟踪测量。同时试验中应变光纤传感技术的观测结果表明采用DiTest分布式光纤测量系统能够以0.1m的空间分辨率对应变光纤进行测量，其空间最小分辨率为0.1m。

表2 型钢中心位置翼缘处应变理论计算值一览表

图4 集中荷载作用下型钢翼缘位置应变实测值和理论计算值对比图

表3 集中荷载作用下型钢翼缘位置应变实测值和理论计算值误差一览表

将型钢当纯弯构件考虑时，其上下翼缘位置的应变值大小相等，方向相反，而且在型钢沿长度方向以其中点为对称轴对称分布。因此布置在上下左右翼缘的4条应变传感光纤测值在不考虑其正负情况时，理论上为8条测值一致的应变沿型钢长度分布曲线，计算实测应变值时，将上述8条应变传感光纤的测值去掉符号位进行平均，得到在集中荷载分别为5，25，50t时型钢翼缘位置的应变传感光纤的实测值同型钢的应变理论计算值对比如图4所示，实测值和理论计算值的误差情况如表3所示。

图4所示实测结果和理论计算值对比显示分布式应变光纤传感技术具有较高的应变测量精度，P=5，25，50 t 3个不同集中荷载作用型钢翼缘应变沿型钢长度方向分布的应变实测曲线和理论计算曲线的数值和变化规律吻合较好。表3所示按分布式光纤的空间分辨率0.1 m为间隔得到的实测结果和理论计算值的误差范围 Δε＝-6～22 με，该误差为试验研究中系统综合误差，该分布式光纤应变传感技术的应变测量误差水平能够满足工程监测需要。

根据试验研究中集中荷载P=25t时对应变光纤的前后两次测值计算得到其测量误差沿光纤长度的分布曲线如图5所示。

图5所示两次测值误差显示P=25t时应变光纤的两次测值误差范围 Δε＝-35～35 με，5～70 m 长度范围光纤，以0.1 m为测量空间分辨率，测点数量650处，除14处测点的两次测值误差在±30 με外，其他测点两次测值误差均在±30 με以内。其中两次测值误差范围在±20～±30 με的测点数量为117处，占总测点数量的18%；两次测值误差范围在±10～±20με的测点数量为223处，占总测点数量的34.3%；两次测值误差范围在0～±10 με的测点数量为296处，占总测点数量的45.5%。对此次试验中其他9次加载时的应变光纤3次测量结果的两两误差计算分析也显示其测量误差情况同图5所示情况相近，说明采用分布式应变光纤传感技术的应变测量精度达到DiTest分布式光纤测量系统的指标要求的±30 με，近50%的测点应变测量精度在±10με以内，该应变测量误差水平能够满足绝大部分工程监测需要。

图5 P=25t应变光纤两次测值误差沿光纤长度的分布

图5所示P=25t时应变光纤的两次测值误差成果显示该荷载下两次测值比较，误差为负值所占比例相对较大，即后一次测值比前一次测值小的机率相对较大。分析其原因认为是由于加荷稳压过程中千斤顶油压稳定性不好，导致后一次测量过程中集中荷载P有所降低，使得后一次测值普遍较前一次测值小，其他9次集中荷载下也存在类似情况，在集中荷载P越大时越明显。

根据试验研究中集中荷载分别为P=25 t和P=50t时，5＃和7＃应变片测值及其邻近位置应变光纤测值绘制得到其应变沿型钢长度的对比曲线如图6所示。

图6所示P＝25 t和P=50 t时，由型钢7个断面上5＃和7＃应变片的测量结果得到应变沿型钢长度的分布和对应位置应变光纤测得应变沿型钢长度分布规律及数值基本一致，也表明分布式应变光纤传感技术具有较高的应变测量精度，两者对应位置应变测量结果误差如表4所示。

图6 应变片与应变光纤测值的比较

试验结果表明分布式光纤应变传感技术完全能够适用于大坝、桥梁、桩基础结构的应变监测，目前开展过的一些分布式光纤传感技术研究也表明分布式光纤传感技术是大坝、桥梁、桩基础、基坑、边坡、隧道等工程的一种理想监测新技术[4-11]。

表4 集中荷载作用下型钢翼缘位置应变片及光纤应变测值误差一览表

4 结束语

针对分布式光纤传感技术的特点，采用合理的应变传感光纤布设工艺及保护措施，选择两种不同型式的多膜光纤对分布式光纤测量技术在应变监测中的应用可行性展开了试验研究。结果表明，分布式应变传感光纤对多膜光纤没有特别要求，可以用带铠装护套的多膜光纤或者其他型式的多膜光纤作为分布式应变传感光纤，应变传感光纤的选择仅需根据实际工程安装保护需要确定；分布式光纤测量技术能够以0.1m的空间分辨率对应变光纤进行测量，其空间最小分辨率为0.1m；分布式应变光纤传感技术具有分布式、长距离、实时性、抗干扰性强和耐久性长等特点，具有较高的应变测量精度，其应变测量精度在±30με以内，是大坝、桥梁、桩基础、基坑、边坡、隧道等工程的一种理想监测新技术。

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