基于分布式光纤传感器的损伤监测研究

武 扬，吴文婧，李劲松，冯 新

(大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连116024)

随着经济和科学技术的发展，施工水平的进步，现代土木工程投入大、难点多、难度高[1]，结构越来越向着高层、大空间、大跨度发展，钢结构受到更广泛的应用，可是人们对结构安全要求越来越高的同时，结构的受力复杂、施工质量不好控制、后期维护管理和损伤检测困难的问题也被提上日程。往往是结构的某个关键部位的损伤就会造成其寿命的大大缩短，甚至使整个结构丧失功能，这对人们的生命和财产安全造成极大的威胁。

在结构健康监测领域，传统的监测方法和手段虽然已经比较成熟，但是其本身有一定的局限性，比如有测量精度不高，传感器布线及安装困难，使用寿命短，容易造成漏测等问题[2]，所以寻找一种方便快捷，并且高效的监测系统对实际工程有着重要意义。

近些年，国内光纤技术在理论和实验上对电力、基础设施等多个领域的研究越来越热[3]，光纤的材料为二氧化硅，光纤传感器以光信号作为载体，具有耐腐蚀，抗电磁干扰，质量轻便于安装，灵敏度高，可靠性好以及使用寿命长等优点，并且以此为基础已经研制出多种产品如布拉格光纤光栅(FBG)传感器等已经广泛应用于实际工程[4]。这些传感器虽然质量好精度高，但是如果应用于大规模多步点的监测，成本略显过高。基于Brillouin散射原理的光线传感器，是一种真正的分布式传感技术，可以高效的实现结构的损伤探测，也适用于温度的分布式监测[5]，运用广泛，并且已经在实际工程中得到应用[6]。本文利用BOTDA分布式光纤传感技术探测结构中的裂纹损伤，并通过模型试验验证其在结构健康监测中的可行性。

1 BOTDA测量原理

光纤监测技术是利用外界因素使光在光纤中传播时引起的光强、相位、偏振态以及波长(或频率)等特征参量的变化，从而对外界因素进行监测和信号传输的技术[7]。高精度、长距离、分布式和长期性是土木工程对它的要求。

光纤中存在多种散射，其中包括布里渊散射。布里渊散射相对于泵浦光有一个移频，即布里渊移频。BOTDA技术采用的脉冲预泵浦技术突破了以往BOTDR技术的界限，成功地使测量空间分辨率和精度都得到了提高[8]，它使用两束泵浦光在光纤中反方向传播，当二者的频差等于布里渊移频时，弱的泵浦光信号将被强的泵浦光信号放大，这一现象被叫做布里渊受激放大效应。BOTDA(Brillouin optical time domain analyzer)技术就是基于此原理而提出的。

布里渊频率的偏移量和光纤所受到的轴向应变和温度的变化量有关，并且研究发现它们之间呈现良好的线性关系，BOTDA利用这一关系实现温度和应变在光纤上的传感。

布里渊散射移频与应变和温度的关系如下:

式中，vB，ΔT，Δε为光纤布里渊移频和温度、应变的改变量[9]。

当光线中任意一部分发生应变或者温度的变化，那个位置的布里渊移频将随之发生变化，通过专业的标定，解析测量结果，光纤可以直接成为传感器进行测量[10]。利用BOTDA光时域分析仪可以得到光纤任何一部分的布里渊移频，并可以解析出光纤任何位置的应变值，并且测量精度高，其空间分辨率可以达到10 cm以内[11]。

2 损伤识别原理

损伤监测的目的是有效监测结构的位置，并给予估测和预警。基于以上BOTDA技术与应变反应之间的关系给我们裂纹损伤监测提供了依据和方法，同时运用数模等手段获得精确值可以确保高灵敏的BOTDA在噪音干扰下有可对比的参考值，不连续的应变分布和完好结构的理论分析对比可以确定出被模拟裂缝位置。

2.1 基本假设

(1)假设光纤为线弹性材料，梁在损伤前后，其变形均在光纤的弹性范围内;

(2)光纤铺设后，在梁的表面和梁是紧密贴合，光纤的套层和粘接剂均无松动和滑移，并且梁表面的缺陷忽略不计;

(3)裂缝导致的变形不连续只在裂缝附近造成局部性的影响，裂缝远端受影响忽略，光纤的片段应变反应只受片段上单一裂缝的影响。

2.2 识别过程

紧密贴合在梁上的光纤在弹性范围内和梁的变形保持一致，可以监测到梁的应变反应，如图1所示，梁的受力处在弹性变形阶段，光纤检测到的应变反应，在沿梁的方向上是连续的。

图1 光纤铺设

当钢梁结构上出现裂纹时，如图2(a)所示，光纤从裂缝上跨过去，在裂缝处光纤不再贴附在结构表面，在应力发生变化时，此处光纤将监测到不连续的应变反应。再通过BOTDA定位技术，我们便可以通过应变的变化来定位裂缝出现的位置[12]，监测到结构的损伤。另一方面，为了减少梁在损伤状态下BOTDA系统畸形失真对测量精度的干扰，我们在仪器不同分辨率下多次重复测量，通过平均不同分辨率下的测量结果来抑制其影响。

图2 光纤在裂缝处的受力状态

随着裂纹的开展梁发生形变，如图2(b)，裂纹尖端处的应力集中现象导致的应变反应会加大，而且裂缝宽度会逐步变大，光纤将进一步被拉伸，以其超高的准确度和灵敏度将会获取此处的不连续应变反应进一步扩大，对比图2(a)的结果，可有效估测裂缝的开展。BOTDA所得到的裂缝梁的应变结果并不是精确的数值，但是通过其不同分辨率测量的平均值和完好梁的精确理论结果对比，可以完成对梁裂缝的定位，并且定性的对梁的裂缝处的损伤状态进行评估[13]。

3 模型试验

3.1 试验设计

本次试验针对实际工程中的钢结构梁的裂纹损伤识别进行模拟监测，BOTDA系统测量需要温度补偿[14]，但是本实验目的在于定性探测损伤位置，所以不考虑补偿。设计采用10号工字型钢，长6 m，弹性模量为 2.1 ×1011Pa，泊松比为 0.3，截面如图3。试验过程中对梁进行标准三点弯和四点弯加载来模拟结构的弯曲工作状态，BOTDA光时域分析仪的测量误差为±20微应变，所以设计梁中点的起始应变为100微应变(超过一个数量级)，由梁的理论解析解可以求得起始加载荷载为73 kg，同理求出四点弯加载初始荷载，并在后续加载时将重量线性增加，设计工况如表1。对梁预制一个裂缝来模拟结构出现裂缝损伤状态，随机位置预制两个裂缝模拟梁在多个裂纹损伤时的工作状态，通过这一过程实现对钢梁从正常工作到裂缝出现，然后发展到多个裂缝的损伤发展变化的全过程模拟监测(见图4)。

图3 工字梁截面尺寸(单位:mm)

图4 试验用工字梁

表1 荷载工况

3.2 试验方法和过程

3.2.1 传感器布设

采用普通单模光纤作为分布式应变传感器，在梁的底部铺设两道，沿梁宽每隔20 cm铺设一道如图5。使用环氧树脂胶沿钢梁的纵向铺设。为了对比分布式应变的测试结果，同时也在梁上布设了电阻丝应变片。应变片采用的是1.5 cm长的电阻应变片，测点按照沿梁长每隔60 cm沿梁均匀布设，并且在距离裂缝两侧处10 cm和20 cm处加密布测。梁的挠度采用百分比进行测量，共有5处测点，沿梁长均匀布置。模拟损伤和传感器布设如图5所示。

3.2.2 数据采集

采集光纤数据的是由日本NEUBREX公司生产的NBX6000 BOTDA光纤应变分析仪，BOTDA监测范围最长可达20 km，应变的测量范围可以达到－30 000 με ～ 40 000 με，应变测量精度 ± 0.0025%。本次试验设定三个空间采样间隔10 cm、20 cm和50 cm以便对比，NBX6000与计算机相连，便于数据的自动采集和分析。

图5 预制裂缝和传感器布置

应变片的解析仪器为DSPS数据采集器，并用百分表监测梁的挠度位移变化，用FBG监测裂缝的开展情况，同时用ANSYS建立3D模型进行数值模拟，对比结果并确保试验数据的准确可靠。

4 试验结果分析

BOTDA技术在监测过程中受到外界其他信号干扰，使得该仪器中的系统信噪比降低[15]，为了对比试验结果的准确度，我们将数模的加载结果同时给出，并对其精确程度进行了验证。本文使用ANSYS进行3D建模处理，无损伤梁使用的是solid95号实体单元建模，含有裂纹的梁为确保其精确，采用加密的solid95 3D单元，裂缝部分的单元因为含有奇异性，所以采用奇异单元(图6)进行剖分，裂纹尖端的单元用的是将中间节点由1/2处移到1/4处的solid95号奇异性单元，其他部分全部用非奇异solid95号单元。

图6 奇异单元

在进行3D模型误差分析时，我们模拟工字梁在工况1的荷载下的应变，并将结果与beam3梁单元模型和理论计算值进行了对比，其结果误差很小，显示出模型具有足够精度，结果见表2。

在下面结果分析中实验值和数模结果吻合良好，证明其 BOTDA测得的数值准确性可以保证。因为实验结果数据众多，为了方便结果对比和分析，只将工况2(三点弯)和工况5(四点弯)的结果列出，其他工况结论相似。

表2 模型精度对比结果

4.1 完好状态

完好的梁试验结果(图7、图8)显示BOTDA在不同分辨率的情况下，因为灵敏度不同，所以数值略有差异，但是基本上是和应变片的结果和数模结果达到了线性拟合的，误差在合理范围之内，说明分布式光纤BOTDA可以准确反映钢梁的应变值，而且做到全长监测，数值良好，无漏点，误差合理，分布式测量的同时，准确度仍然可以保证。

图7 完好梁应变测量结果(工况2)

图8 完好梁应变测量结果(工况5)

4.2 单损伤状态

梁上预制裂缝的位置在梁的2.4 m处，裂缝宽度2 mm，深度3 mm，从图9、图10可以明显观察到，应变的异常突起位置也是2.4 m处，与裂缝位置一致。各个数据拟合基本一致，BOTDA的空间分辨率从10 cm到20 cm再到50 cm灵敏度逐渐降低，但都检测到裂缝处应变的变化。空间分辨率为10 cm虽然灵敏度高，但同时也容易受到干扰，必须有其他分辨率进行对比矫正，排除误差。

光纤监测的裂缝处的应变并不是裂缝口张开位移的精确值，但是它可以监测由于裂缝张开所引起的应变的变化。数据中裂缝位置处应变突起，BOTDA对应变发生位置捕捉准确稳定，有较高灵敏度，可以有效地监测结构裂纹损伤的发生。

图9 单损伤梁应变测量结果(工况2)

图10 单损伤梁应变测量结果(工况5)

4.3 多损伤状态

预制的两个裂缝的位置为3.6 m处深度3 mm，1.2 m处深度1 mm，BOTDA可以清晰的监测出梁上应变在1.2 m和3.6 m(方向相反)两个位置的应变变化，于裂缝损伤位置完全吻合(图11、图12)。预制裂缝的位置为随机选择的，所以这一结果证明，分布式的BOTDA光纤监测技术全尺度监测优势和可行性，可更好地应用于解决不可预测的任意位置损伤的监测。

图11 多损伤梁应变测量结果(工况2)

图12 多损伤梁应变测量结果(工况5)

5 结语

对于将光纤传感器沿梁的底部全长铺设，并监测钢梁在弯曲状态下的裂缝损伤情况的结果显示，分布式光纤传感器可以获取整个测量段的应变结果，真正实现了全分布式测量;通过在任意位置预设裂缝损伤发现，在光纤传感器附近出现应变损伤产生变形时，BOTDA系统可以显著捕捉到应变的变化，再对比损伤位置与应变的测量结果发现，应变异常变化的凸起位置尖端与损伤的位置基本重合，无论是单一损伤还是多损伤，这说明分布式BOTDA光纤监测系统可以实现对损伤位置从无到有，从一到多的精确探测定位，可以完成在结构健康监测任务中对损伤的发现定位，并进行预警。

以上的分析结论表明:BOTDA分布式监测技术用于裂缝损伤发生和发展等应变监测是可行的，也是十分有效的。但是系统对结构的监测是定性的，无法准确的获得裂缝损伤的精确宽度和深度，这在以后有待继续研究。

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