基于白光干涉原理的光纤传感技术—IV．埋入式光纤传感器基础实验

苑立波

（1．哈尔滨工程大学 理学院 光子科学与技术研究中心，哈尔滨 150001；2．黑龙江省光纤传感科学与技术重点实验室，哈尔滨 150001）

0 引 言

主要研究基于迈克尔逊白光干涉仪的光纤引伸计用于混凝土构件的测试。介绍了光纤引伸计的结构及其工作原理，分别讨论了光纤引伸计的一系列实验，其中主要包括安装在混凝土试件表面或埋入混凝土内部的光纤传感器的应变测量、温度测量以及混凝土梁的裂纹尖端张开位移测量。利用特殊设计的土力学传感器，在外部载荷作用下，对土体坝段和边坡模型的变形进行了实验研究，目的是检验土力学传感器及其测量方法的有效性，为传感器的进一步实用化奠定基础。

1 白光光纤干涉引伸计

1．1 系统结构

光纤引伸计的系统构成见图1。该系统本质上是一个改进的光纤迈克尔逊干涉仪，干涉仪的传感臂和参考臂分别与一个2×2方向耦合器的两臂相连。传感臂由一根输入／输出光纤和两个反射面之间的传感光纤组成 （图1）；参考臂则由一个光纤耦合环、一个准直透镜和一个扫描反射镜组成。光纤耦合环可以产生多光程的参考信号，用来匹配传感臂中两个反射面所产生的信号。迈克尔逊干涉仪的宽谱光源为发光二极管 （LED），干涉仪的传感信号经光电探测器 （PD）采集后送给计算机，进行进一步的信号处理。调节扫描反射镜的位置，当参考信号的光程分别与传感臂两个反射镜反射信号的光程相匹配时，在探测端会接收到两个干涉信号（条纹）。这两个干涉信号所对应的扫描镜位置的差正好对应于传感器的长度。因此，可以通过扫描镜的位置获得由应变引起的传感光纤的长度变化。

该光纤引伸计系统与文献 ［1］介绍的方案不同。在文献 ［1］结构中，光纤传感器的长度受到位移台的扫描距离限制，即L0＜Xmax／n （L0为传感器长度，Xmax为位移台的最大扫描距离）。由于反射信号在长距离的空间光路中传输会产生很大的损耗，因此要想让反射镜具有很长的扫描距离是不现实的，所以文献 ［1］中介绍的传感器的长度不可能很长。而在图2所示的结构中，通过选择合适长度的光纤环，可以使光纤传感器的长度达到几m、几十m甚至更长；与此同时，扫描镜的扫描距离可以缩短为几mm。这种引入光纤耦合环的结构可以提高系统的频率响应，并降低系统的损耗。如果将光纤环放在热隔离腔中，可以减小环长L随环境温度变化所导致的测量误差。

图1 光纤引伸计的系统构成Fig．1 Instrument configuration of the fiber optic extensometer

图2 （a）光纤引伸计的测量原理和光程匹配；（b）第一个反射信号；（c）第二个反射信号Fig．2 （a）Measurement principle of the fiber optic extensometer system and path matching for；（b）the first and（c）the second reflected signals

利用光纤干涉系统可以实现对光纤传感器长度L0的高精度绝对测量，因此可以用于检测由应变或温度引起的形变。由于应变或温度的测量灵敏度取决于传感光纤的长度，所以可以通过增加传感光纤的长度来提高测量灵敏度。传感光纤越长，测量灵敏度和分辨率越高。但是系统的最高分辨率最终是受移动位移台的分辨率和中央干涉条纹的识别分辨率限制的。因此，我们在引伸计系统中采用了高分辨率的步进电机驱动位移台 （每步间隔为0．5 μm），即分辨率为±0．5μm。另外，中央条纹的重复识别要＜±1个条纹，对于1 300nm光源来说相当于0．7μm［2］。

1．2 光程分析方法

如图2（a）所示，一束光沿传感臂LS传输，到达两个反射面后发生反射，两路反射光的光程分别为2LSn与2LSn＋2L0n，其中n为光纤导模的有效折射率。参考臂中传输的光经过光纤耦合环和梯度折射率 （GRIN）准直透镜后被安装在扫描位移台上的反射镜反射，反射光沿相同的光路传输并返回到光电探测端。设不包括光纤耦合器环的参考臂长度为LR，耦合器环的长度为L。通过合理选择耦合环长L，可以得到与传感信号的光程相匹配的多参考光束：

其中i＝0，1，2…是光在光纤环中传输的圈数；X是GRIN透镜与反射镜之间的间距。如果选择合适的LR和L使它们分别略小于LS和L0，那么可以通过小范围调节反射镜的位置 （即X值），使参考信号与传感信号的光程相匹配，便会在光电检测端得到白光干涉信号。由于传感信号包括两个反射信号，因此在系统的输出端会产生两个干涉条纹。其中第一个干涉条纹对应于传感臂第一个反射面反射的信号与参考臂中不经过光纤环的反射信号 （式（1）中i＝0）的光程相匹配时的干涉。位于干涉条纹中心的中央条纹，振幅最大，对应传感信号和参考信号的光程精确匹配。设此时反射镜的位置为X＝X1，则有：

类似的，第二个干涉条纹对应于传感臂第二个反射面反射的信号与参考臂中经过光纤环的反射信号 （式 （1）中i＝1）的光程相匹配时的干涉。设此时反射镜的位置调整为X＝X2，则精确的光程匹配条件为：

将式 （2）与 式 （3）两式相减，得到：

其中，Y为参考信号分别与传感臂两个反射信号的光程相匹配时，扫描反射镜的两个位置之间的距离。可以看出，传感臂两路反射光经过相同的输入／输出光纤，即Y 与输入／输出光纤的长度无关，所以这种差动式测量方法可以消除环境变化对传输光纤的影响。这一点对于传感器的远程问询非常重要，在遥测传感系统中，可以选择任意长度的传输光纤而不会引起系统性能的下降。如果将光纤环进行隔离保护使其不受应变和温度的影响，那么光纤环的光程L可以看作常数，因此通过测量X的值就可以获得任何传感光纤的光程 （nL0）的变化。如果传感光纤的长度L0近似与耦合环长L相等，那么两个白光干涉条纹之间的距离会很小。因此，短距离扫描位移台便可满足传感系统的要求，从而可以降低系统的传输损耗。另外，与传统的长扫描距离白光干涉系统相比，短距离扫描还可以提高系统的响应速率。只要保证参考臂中的光纤环长与传感光纤的长度近似相等，那么传感系统中的传感光纤可以任意长而不需要增加扫描范围。

1．3 信号强度计算方法

在1．1节中已经介绍了利用白光干涉条纹的中央条纹来确定扫描镜位置的方法。我们知道，干涉条纹的峰值取决于从传感臂和参考臂反射回的信号强度。下面主要介绍干涉条纹的峰值强度与系统参数之间的关系。

1．3．1 传感臂的反射信号

设耦合入光纤的光强为I0，且耦合器的分光比为50／50，那么进入传感臂的光强可表示为I0αδ／2。式中αδ表示耦合器的插入损耗，定义为αδ其中δ为以dB形式表示的耦合器的插入损耗。因此探测器接收到的传感臂反射信号的光强可表示为：

式中ID（1）表示传感光纤第一个端面 （近端）的反射光强；ID（2）表示传感光纤第二个端面 （远端）的反射光强 （图3）。为了计算方便，假设两个端面的反射率相同，均为Rf。在垂直端面入射的情况下，经过抛光的理想光纤端面的反射率为：实际上，由于连接部分存在一定的损耗，探测器接收到的光强小于式 （5）所给出的光强。一般，典型的光纤连接头的损耗为0．3dB。

图3 传感光纤的透射和反射Fig．3 Transmission and reflection of light through the sensing fiber

1．3．2 参考臂的反射信号

当满足式 （2）的光程匹配条件时，参考光路的反射光强可表示为：

式中Rm为扫描镜的反射率；η（X）为GRIN透镜准直系统的损耗，可表示为［2］：

其中Γ和ζ是无量纲常数。

类似的，当满足式 （3）中的光程匹配条件时，参考光路的反射光强可表示为：

1．3．3 干涉条纹的峰值

第一组干涉条纹是由满足式 （2）条件的传感臂和参考臂的反射光互相干涉产生的。干涉条纹的峰值强度为：

第二组干涉条纹是由满足式 （3）条件的传感臂和参考臂的反射光互相干涉产生的。干涉条纹的峰值强度为：

在实际应用中，为了清晰准确地识别干涉条纹，需要保证干涉条纹的峰值强度远高于系统的本底噪声。

2 应变测量的基础实验

2．1 混凝土试件的准备

为了研究光纤引伸计对应变的响应特性，我们用不同的方法制备了多种光纤混凝土试件。其中包括在制备混凝土时直接将传感光纤埋入混凝土内部，或者将传感光纤粘贴在制备好的混凝土试件表面。混凝土试件由水泥、水、沙子和骨料按照1∶0．5∶1．767∶1．593的重量比组成。水泥为52．5级或42．5级，使用筛子获得骨料颗粒的直径＜9．5 mm。将混凝土混合物分别浇注到尺寸为100mm×100mm×300mm和150mm×150mm×150 mm的金属模具中。通常，提前一段时间制备混凝土试件，然后将制备好的试件放到养护室中养护28d。

实验中，共制备了4种混凝土试件：

1）用表面粘贴传感器的方法进行混凝土挤压测试的试件。如图4所示，用环氧树脂将长度为104．6mm的传感光纤粘贴在干净的混凝土试件表面，并在传感光纤附近粘贴一个常规引伸计，用于比较和校准。制作混凝土试件所用的水泥为52．5级。

2）用表面粘贴传感器的方法进行混凝土劈拉测试的试件。制作方法与第一种试件相同，在试件表面粘贴一根长为103．8mm的传感光纤和一个常规引伸计。制作混凝土试件所用的水泥也为52．5级。

3）用内部埋入传感器的方法进行混凝土挤压测试的试件，如图5和图6所示。共制备了4个这种类型的混凝土试件，其中前两个用的是42．5级水泥，后两个用的是52．5级水泥。埋在这4个试件内部的传感光纤长 度分别 104．32、102．51、103．64mm和106．12mm。

4）第四种是立方体结构的混凝土试件。如图7所示，通过在试件内部埋入两个互相垂直的光纤引伸计，对混凝土进行二维的挤压测试。混凝土试件的尺寸为150mm×150mm×150mm。

在制备埋入传感器的混凝土试件时，首先在模具中心安装一根细线，利用该细线将带有聚合物保护层的传感光纤固定在金属模具的中间 （如图5和图7所示），然后再将混凝土注入模具。对于上述的每种试件，光纤引伸计的尾纤都由带有3mm直径保护套的光纤光缆构成。另外，作为输入／输出光纤，需要将光纤引伸计尾纤端面做成连接头的形式，并对端面抛光以提高光的耦合效率。

2．2 应变传递过程

回顾文献 ［1］中的讨论，光纤传感器的形变与式 （28）［1］中的反射镜位移ΔX有关，因此可以通过测量ΔX来获得光纤的形变量。但是需要注意，光纤所承受的应变或形变与混凝土所承受的应变或形变并不一定相同。光纤和混凝土所承受的应变之间的关系取决于基体材料与光纤之间的结合特性，关于这方面的更详细的讨论将在后续的相应文章中给出。如果基体材料与石英光纤之间的结合理想，那么可以近似认为光纤与混凝土所承受的应变相同。然而在实际应用中，石英光纤外面通常会有一层聚合物涂敷层，该涂敷层的硬度要比石英和混凝土小得多。因此，即使基体与光纤之间是理想结合的，光纤外面的保护层仍然会对光纤引伸计的性能产生影响。显然，光纤所受的应力永远要比混凝土所受的实际应力小。

混凝土的形变与光纤的形变之间的关系可以表示为：

也可以用应变的形式表示：

式中α是常数，与光纤和基体材料之间的结合特性有关。对于不同的结合条件，通常需要对应变计进行标定以确定α的值。在下一节的讨论中，对于长约100mm的光纤引伸计，在用环氧树脂粘贴在试件表面的情况下，α值为0．758；而在埋入试件内部的情况下，α值为0．556。

2．3 表面粘贴光纤引伸计测量方法

如图4所示那样用环氧树脂将长度为104．6 mm的光纤引伸计粘贴在清洁的混凝土试件表面的中间位置。挤压与劈拉试验的主要区别在于混凝土试件的安装方式不同。实验中所用的测试仪器是Instron 8505拉伸强度试验机，见图8。挤压测试后混凝土试件的照片见图9。劈拉测试时，混凝土试件的安装示意图见图10。

图11和图12分别为挤压测试和劈拉测试的引伸计输出结果。图中，光纤引伸计的数据是用应变传递系数α＝0．758校正后的结果。可以看出，光纤引伸计的测试结果与常规引伸计的测试结果符合较好。而且无论对于挤压测试还是劈拉测试，使用相同的应变传递系数修正后，其结果都与常规引伸计的测试结果非常接近。这表明对于表面粘贴的光纤传感器，其传递系数均为0．758。对于挤压试验，当加载在混凝土上的应变＞6 000微应变时，环氧树脂粘贴的光纤引伸计就会从试件表面脱落。对于劈拉测试，直到试件受到＞8 000微应变时，光纤引伸计才脱落。

2．4 埋入式光纤引伸计测量方法

2．4．1 一维应变测量

前面提到，混凝土内部的光纤引伸计是通过位于模具两侧中心的细线固定的。对如图6所示的内部埋入式的混凝土试件进行了测试。图13所示为低强度混凝土试件 （42．5级水泥）的测试结果，图14所示为高强度混凝土试件 （52．5级水泥）的测试结果。

在内部埋入式混凝土试件的测试中，将2个相同的常规引伸计分别粘贴在混凝土试件相互平行的一对表面上，并使他们与试件内部的光纤引伸计平行。以这2个常规引伸计测试结果的平均值作为常规引伸计的测试数据。将这些数据乘以应变传递系数0．556后，可以很好地与光纤引伸计的测试结果相符合。对于试验中采用的所有4个混凝土试件，测试结果都符合很好，因而表明埋入式的光纤引伸计的传递系数为0．556。

2．4．2 二维应变测量

对于埋入式二维光纤引伸计，两段相互垂直的传感光纤的长度分别为Lx＝103．22mm和Ly＝114．48mm。按照图7所示的方法，用位于金属模具中心相互垂直的两根细线，分别将两个光纤引伸器固定在立方体模具的中心。每个引伸计的尾纤端都做成FC型的连接头，并对光纤端面研磨抛光以降低光信号的传输损耗。最后，同时沿Y轴方向（主轴）与X轴方向 （垂直轴）对立方体混凝土试件进行挤压。

图15为二维测试后受损的立方体混凝土试件的照片。在测试过程中，沿混凝土试件X方向和Y方向上加载的应变比为εy∶εx＝2∶1，应变加载的示意图见图16。图17为光纤引伸计测得的Y方向和X方向的应变。从图中可以看出，X方向与Y方向的应变比为1：1．907，这与加载条件εy∶εx＝2∶1相符合。光纤引伸计与常规引伸计测试结果的比较见图18，其中常规引伸计的数据是粘贴在试件表面的两个引伸计的测量数据的平均值。结果表明，由光纤传感器和常规引伸计测得应变具有很好的一致性。

图15 测试后受损的立方体混凝土试件照片Fig．1 5 Photograph of the failed cubic concrete specimen after test

3 温度测量

为了研究光纤引伸计的温度测量特性，我们对使用了一系列长度的传感器进行光纤白光干涉引伸计的温度特性研究，获得了传感器长度与温度灵敏度之间的关系。

实验中，将长度为L的参考光纤耦合环盘绕起来并放置在温度T0＝38．5±0．1（℃）的恒温箱中，然后将光纤引伸计盘绕后放在温变试验箱中加热。在光纤引伸计附近放置一个热电偶，用于独立监测引伸计附近的温度 （图19）。当光纤引伸计被加热或冷却时，传感臂的光程会发生变化，因此扫描反射镜的位置也随之改变。图20所示为干涉仪扫描反射镜的位移与温度变化之间的关系，其中传感光纤的长度分别为587和925mm，光源的输出波长为1 300nm。由图20可见，在38．5～80℃区间，扫描反射镜的位移与温度之间的关系呈线性分布。

图21为光纤引伸计的灵敏度与传感光纤长度之间的关系。根据文献 ［2］中式 （41）可知，传感器的灵敏度随着传感光纤长度的增加而线性增加，这与图21中的测量结果是一致的。另外，系统的测量分辨率也与传感光纤的长度密切相关。通常情况下，用标准偏差来评估传感系统的分辨率。对于长度为587mm的传感光纤 （图20），测量得到系统的灵敏度为ζL＝6．8μm／℃，而计算的标准偏差为ES＝3．09μm，因此系统的分辨率为：

如果传感光纤的长度增加至925mm，则灵敏度可以提高为ζL＝10．497μm／℃，对应的系统分辨率可以达到χ＝0．687℃，见图22。图23给出了系统分辨率与光纤引伸计长度的实验关系曲线。由图23可见，可以通过增加传感光纤的长度来提高光纤引伸计的分辨率。

4 CTOD测量

结构的裂纹是直接影响结构设计和建筑结构使用寿命的重要因素。人们提出了多种断裂力学模型试图解释混凝土结构中断裂的非线性特征［4］。一般认为混凝土断裂的非线性特性与裂纹尖端的微裂纹区 （断裂过程区）有关［5］。目前，大多数断裂分析模型采用与裂纹张开位移有关的破坏带或裂纹闭合压力带来描述断裂过程区。这些分析模型的准确性主要依赖于峰后应力位移关系的选择。其中裂纹尖端张开位移 （CTOD－Crack tip opening displacement）是决定断裂特性的一个非常重要的参数。例如，通常认为当裂纹张开位移 （COD－Crack opening displacement）超过极限值时，就会发生裂纹扩展或断裂。因此，研究者利用LVDT （linear variable displacement transducer）位移计或裂隙引伸计来测量带缺口或微裂纹的试件的裂纹张开位移。

显然，以这种方式测得的裂纹张开位移要大于实际的裂纹尖端张开位移。这是由于与CTOD相比，COD表示距离中轴较远处的位移。而且，COD的大小通常表示的是裂纹的整体张开位移，而不是针对水泥基复合材料中形成过程区的形变。基于以上原因，人们尝试利用激光散斑干涉法测量结构表面的形变来获得CTOD［6］。这些研究揭示了在裂纹尖端存在局域微裂纹，张开位移与该区域的微裂纹之间的相关特性需要进一步加以研究。所以，需要发展一种适用于埋入混凝土内部测量微裂纹的高灵敏度传感器。

这里，我们主要研究作为CTOD传感器埋入式光纤引伸计在水泥基复合材料的断裂力学研究中的应用。光纤具有尺寸小、可任意分布等优点，而且既可作为传感器又可作为信号传输的媒质。光纤的这些特性对于监测材料形变的埋入式光纤传感器来说是非常重要的。另外，用于混凝土的CTOD传感器还要满足以下要求：具有足够高的形变测量灵敏度；在兼顾传感器的复杂性、仪器化和实用性的同时具有合理的成本；在工程应用中易于安装。在设计光纤引伸计的过程中综合考虑了以上因素，并在单边切口混凝土梁的3点弯曲条件下，对光纤引伸计在CTOD测量中的灵敏度和分辨率进行了实验分析。

实验中，制作混凝土梁的水泥、沙子、骨料和水的重量比为1：2．43：2．74：0．46。其中水泥为符合ASTM C150标准的PortlandⅠ＃水泥，河沙用8＃筛子筛选，粗骨料用4＃筛子筛选。将搅拌好的混凝土浇筑到有机玻璃模具中，并将光纤引伸计 （一段抻直的带有聚合物涂敷层的单模光纤）埋在距离模具切口顶端约1mm处，见图24。测试前，将试件放在养护室中养护约28d。

3点弯曲测试是在一个闭环测试系统中进行的，在测试中通过控制裂纹的生长，使COD的生长速率为常数。利用LVDT位移计测量COD的值，同时利用光纤引伸计监测CTOD。实验中，共制作了4个相同的混凝土试件。实验装置结构图和实物图分别见图24和图25。图26为实验测试结果，图中的曲线给出了光纤应变计测得的CTOD与加载之间的关系。

由LVDT位移计和光纤引伸计测得的COD、CTOD分别与混凝土试件的加载之间的关系见图27。由图27可见，无论是COD还是CTOD，他们与时间的关系都是非线性的。另外，图28给出了CTOD与COD之间的关系，可以看出CTOD与COD之间整体关系是近似线性的，但是曲线的中间部分 （CTOD的60～120μm处）是非线性的。这说明在混凝土梁失效早期，裂纹尖端和裂纹开口处的发展是不同的。因此，认为COD和CTOD之间是线性关系的断裂模型是不完全准确的。在图27中，为了便于比较，分别给出了加载与COD和CTOD之间的关系。从图中可以看出，COD的值比CTOD大得多，这主要是由于相对CTOD，COD的测量点离中性轴更远 （约90mm）。大多数断裂模型在建模时采用的是临界COD值。在这些模型中，CTOD的值是根据线性关系从COD的测量值推导得到的。因此，我们可以利用图28所示的曲线来检验这些模型的有效性。

图26 埋入式光纤引伸计测得的CTOD与加载之间的关系Fig．2 6 CTOD vs．load measured by embedded fiber optic extensometer

5 温度与CTOD两用测量方法

前面已经讨论了光纤引伸计对应变和温度的测量能力。实际上，埋入结构内部的光纤引伸计具有双重应用。同一个传感系统，可以用于监测在建筑过程中和整个使用寿命内结构的状态。埋入的光纤引伸计，既可以用来测量新浇筑的混凝土早期的温度，还可以用来长期监测混凝土微裂纹的张开位移或应变。

利用上面的光纤传感系统测量了新浇筑混凝土的温度变化，并根据测得的温度数据可以计算得到混凝土的成熟度。在将长度为172mm的光纤引伸计埋入新浇筑混凝土内部后，对混凝土进行了24 h的温度监测。为了评估光纤引伸计的性能，我们同时在光纤引伸计附近埋入一个热电偶对温度进行独立的测量。光纤引伸计与热电偶的24h测量结果见图30。

6 土力学传感器的标定

用于标定埋入土体内部的形变传感器的试件结构见图31。它具有多层的外包层结构，目的是增加传感器与土体相互作用时的摩擦力，减小产生滑脱的可能性，使相互作用更加完全，改善传感器与土体的相容性。由于土力学传感器受外界因素影响十分显著，因此使用前需要对传感器进行标定，通过标定试验结果，得到土体形变量与土力学传感器形变量的相互对应关系。

图31 埋有土力学传感器的标定试样Fig．3 1 Soil specimen with embedded fiber optic sensor for calibration

标定试样的制备过程如下：①将黏土加水饱和，覆盖塑料薄膜，备用；②将300mm（长）×150mm（宽）×150mm（高）的有机玻璃模具中内衬塑料薄膜；③将饱和土分两次装载到模具中；④其间，将长度为500mm的土力学光纤传感器埋入距离标定试样底面高75mm的平面 （300mm×150mm）中央，即传感器的标定长度为300mm；⑤捣匀，夯实；⑥脱模后，用塑料膜包裹，静置48h备用。

6．1 标定试验装置

实验中将具有正弦外包层结构的土力学光纤传感器埋入土体内部，并施加外载荷，通过土体外部的形变量和光纤传感器形变量的对比，得到形变传递系数。实验装置见图32，标定装置由光纤应变测试系统、微机、数字示波器、外部形变测量装置等几部分组成。外部形变测量装置用于对土体外变形的测量，其测量分辨率为10μm。

6．2 实验结果

标定试验的载荷施加面为300mm×150mm，以堆加标准砝码为荷载，载荷增加量为每次1kg，外部形变测量装置用于记录土体试样的外部变形，光纤应变测量系统记录光纤土力学传感器的伸长，其测试结果见图33～图35。

图33为土体随外部载荷的形变测试曲线，图34为埋入的光纤传感器随外部载荷的形变测试曲线，图35为标定对比试验结果。根据实验结果，可得到以下结论：

1）由图33可知，在外载荷的作用下，土体的外部形变基本上是线性的；

2）由图34可知，光纤土力学传感器的形变与土体形变大体趋势一致，但是在外载荷施加到94 kg时，出现突变点，开始进入塑性区，而图33中的实验数据并未体现出来。原因是图33测量的是外部平均形变，而图34测量的是内部形变，这也显示出内部和外部测量的细微差别；

图35 土力学传感器的标定试验结果Fig．3 5 Calibration results of soil fiber optic sensor

3）由图35可知，光纤土力学传感器可以较好的反映土体的形变，其形变传递系数为0．311（1／3．212），即土体形变量为1，光纤传感器的形变量为0．311。

7 土坝模型形变的测量

在实验中设计并制作了土体坝段的模型，将经过标定的光纤土力学传感器埋入内部，研究在外部载荷的作用下大坝的形变，目的是探索大坝形变的光纤监测方法，为土石坝的健康监测奠定基础。

7．1 土坝模型

实验室中制作的土体坝段模型为等腰梯形，宽度为400mm，高度为300mm，上边宽为200mm，下边宽为800mm，腰角为45°，见图36。模型的制作材料选用与标定试样具有相同性质的黏土。在模型不同的深度共埋设3个土力学传感器。距顶面100 mm处对称埋设有2个传感器，分别编号为1＃和2＃传感器，在50mm处埋设3＃传感器。土体坝段安放在1 000mm（长）×400mm （宽）×500mm（高）的有机玻璃箱体内，箱体的中央采用钢梁加固，目的是约束模型厚度方向的形变，见图37。图38为埋入光纤传感器的模型侧面示意图。

7．2 实验结果

土坝形变试验是通过在坝段模型顶面施加载荷，来模拟土坝的受力情况，通过埋设于模型不同深度中的光纤土力学传感器来测量模型的形变。试验中，同样采用堆加标准砝码的方式，载荷的增加量每次2kg。实验结果见图39。

8 边坡模型形变的监测

实验中，还设计并制作了土体边坡的模型，对高边坡在载荷作用下的形变进行了实验研究。

8．1 高边坡模型

实验室中制作的高边坡模型的外形为直角梯形，宽度为400mm，高度为400mm，上边宽为150mm，下边宽为550mm，腰角为60°。高边坡可分为上下两个部分，分别有基座和滑坡体构成，二者之间构成滑动面，滑动面与底面的夹角为30°。模型的制作材料选用与标定试样和坝段模型具有相同性质的黏土。在边坡不同的深度分别埋设2个土力学传感器，据底面120mm处埋设1＃传感器，在220mm处埋设2＃传感器，要求传感器穿越基座与滑坡体形成的滑坡面。模型同样安放在300mm （长）×400mm （宽）×500mm （高）的有机玻璃箱体内，箱体的中央采用钢梁加固，目的是约束边坡模型宽度方向的形变，见图40。图41是边坡养护时的情形。

8．2 实验结果

边坡模型的加载面为坡顶面。试验过程中，首先使滑坡模型的底面与水平面具有一个10°的夹角，目的是在施加外载荷时，增加滑坡体与基座产生相对的滑动趋势，获得较大的滑动位移。

试验中，同样采用堆加标准砝码的方式施加载荷，增加量每次2kg。与坝段类似，同样是通过施加荷载来模拟边坡的受力情况，通过埋设于内部不同深度中的光纤土力学传感器来测量边坡的形变。试验结果见图42。

图42 埋入边坡中的光纤传感器形变测量实验结果Fig．4 2 Fiber optic sensor deformation experimental results with embedded slope

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