分布式传感光缆循环疲劳性能的测试方法

王嘉诚,张丹,闫继送,李博,施斌

(1.南京大学地球科学与工程学院,南京 210093;2.中国电子科技集团公司第四十一研究所,山东青岛 266555)



分布式传感光缆循环疲劳性能的测试方法

王嘉诚1,张丹1,闫继送2,李博1,施斌1

(1.南京大学地球科学与工程学院,南京 210093;2.中国电子科技集团公司第四十一研究所,山东青岛 266555)

摘要:分布式光纤监测技术已经逐渐应用于各个领域,但是针对传感光缆在经受循环应力之后其传感性能的变化情况,目前尚未开展深入的研究。针对在室内试验及各类监测工程中,模拟荷载、温度以及环境条件的变化而使光缆经受反复循环应力的情况,设计了3个试验,对分布式传感光缆的循环疲劳性能进行了标定,得到了不同工况下光缆的应变衰减曲线。试验结果表明,光缆初始应变越大,循环频率越高,光缆应变的衰减量和衰减速率越大。

关键词:分布式传感;传感光缆;循环疲劳;标定;应变

0　引 言

随着光纤通信技术的发展,在20世纪70年代,一种以光为载体,光纤为媒介,感知和传输外界信号的传感技术(光纤传感技术)应运而生并迅速发展。分布式光纤传感技术是近几年发展较为迅速的技术之一,主要包括OTDR(光时域反射)[1]、BOTDA(布里渊光时域分析)[2]、BOTDR(布里渊光时域反射)[3]和BOFDA(布里渊光频率分析)[4]技术等。在众多领域,如隧道工程[5]、结构工程[6]以及边坡及基坑工程[7]等,都得到了成功的应用。

在室内试验及现场监测等条件下,传感光缆受到各种因素的影响,长期处于一种受力循环波动或不断变化的状态,光缆的变形状态也随之发生循环变化。目前,国内外对循环荷载作用下传感光缆性能的研究还不深入,光缆性能是否随之发生了改变,以及改变的程度还未见报道。因此,开展传感光缆循环疲劳效应的研究对于分布式光纤传感技术的应用和发展具有重要的意义。

本文针对这一问题,研制了分布式传感光缆循环疲劳测试装置,提出了循环疲劳测试方法,并以工程监测及室内试验中常用的2 mm聚氨酯护套传感光缆为例,分析研究了其处于受力循环状态下的应变衰减规律,获知了该光缆的循环疲劳性能。

1　试验设备

分布式传感光缆疲劳性测试装置由导轨平台、直线电机平台、直线电机、光栅尺及读数头、力传感器、三爪卡盘、电控箱、电缆以及机械、电气附件等组成。直线电机平台置于导轨平台上,可沿导轨进行自由地直线运动。直线电机在直线电机平台的一定范围内沿直线自由移动,其最大活动范围为405 mm,即进行光缆拉伸试验时的拉伸范围。三爪卡盘,一个固定于导轨的一端,另一个固定于直线电机一侧,用于夹持传感光缆。光栅尺固定于导轨平台的侧面,并设置有两个可活动的读数头装置,分别与直线电机平台和直线电机相连并固定,用于测量直线电机平台和直线电机的相对坐标位置,可通过计算机终端显示和控制;在直线电机的驱动器处配备力传感器装置,实时测量光缆的拉力,也可在计算机终端显示和控制。分布式传感光缆疲劳性能测试装置如图1所示。

图1　分布式传感光缆疲劳性能测试装置

在进行光缆的疲劳性能测试时,首先固定直线电机平台的位置,调整直线电机的初始位置,然后利用三爪卡盘将光缆咬合固定。直线电机开始工作后可以由传感系统实时反馈其运动的位移、速度和加速度,以及光缆拉力等参数,并通过计算机软件改变这些参数或通过文件自定义运动轨迹等方式进行多种模式的测试工作,以满足不同要求下光缆疲劳性能的测试工作。传感光缆应变数据采集装置为BOTDA仪,型号为NBX-6050A。

2　传感光缆循环疲劳测试方法

本文以2 mm聚氨酯护套应变传感光缆为例,分别针对监测工程中常见的工况设计了3个试验方案,测试不同情况下传感光缆的性能变化,即针对各类工程中光缆应变变化速率不同的情况,设计了不同循环频率对光缆传感性能影响的试验;针对光缆拉、压周期变化以及监测过程中光缆可能会处于松弛状态的情况,设计了不同静置时间对光缆传感性能影响的试验;针对安装时需要对光缆进行预拉伸的情况,设计了不同初始应变对光缆传感性能影响的试验。

在试验过程中,光缆测试段总长约为1 m,使光缆做反复循环振动,振幅为1 mm,即光缆的应变变化范围约为±1 000με,之后在保持光缆拉伸位移相同的情况下测量光缆的应变量。由于测试段两端应力相对较集中,因此每次取测试段中部0.7 m的应变数值作为有效数据,并以其平均值作为测试段应变量。在试验过程中,记录温度的变化并对采集到的应变数据进行温度补偿。

为了检验试验过程中三爪卡盘没有出现松动,在三爪卡盘的外侧加装百分表,并将百分表测量杆与光缆固定,如图2所示。如果在试验过程中百分表读数保持不变,则说明三爪卡盘与被测试光缆咬合良好,传感光缆测试段应变的衰减不是由于三爪卡盘松动造成的。

图2　三爪卡盘咬合状态检测方法

3　数据分析

3.1传感光缆应变衰减曲线分析

取一段未经拉伸的光缆,穿过三爪卡盘后咬合固定,通过控制直线电机将其拉伸一定位移,并以此作为直线电机的初始状态。采用BOTDA仪测量拉伸段的应变量,并以此值作为试验初值,而后以初始状态位移为最大位移,通过光缆疲劳性能测试装置对其进行振动频率为3 Hz的周期拉伸。振动一定次数后,使直线电机回到初始状态,采用BOTDA仪测量拉伸段的应变量,之后重复上述过程,得到图3所示的光缆应变衰减曲线。可以发现,光缆应变的衰减过程大体上分为3个阶段:I阶段为快衰减阶段,是应变衰减的初期,应变值衰减迅速且近乎线性;II阶段为慢衰减阶段,是应变衰减的中期,应变值衰减速度明显减慢;III阶段为稳定阶段,是应变衰减的后期,应变值逐渐趋于稳定。

图3　振动频率为3 Hz时的光缆应变衰减曲线

从图中还可看出,获得的衰减曲线近似于指数型。采用式(1)对所测应变点进行整体拟合分析,得到图4所示的应变衰减拟合曲线。相应的拟合参数见表1。

式中,y为光缆应变;A1、A2为常数;x为光缆进行周期拉伸的次数;t1、t2分别为快衰减阶段和慢衰减阶段循环周数(×103);y0为稳定阶段应变值。

表1　光缆应变衰减曲线的拟合参数

图4　光缆应变衰减拟合曲线

3.2振动频率对光缆应变的影响

为了研究振动频率对应变衰减的影响,在上一节3 Hz试验的基础上,又分别进行了振动频率为6 和9 Hz的测试。对这3组数据进行标准化,即各自取初始应变为1,以不同循环周次的应变值与初始值的比值作为纵坐标,得到图5所示的不同振动频率下光缆应变衰减曲线。采用公式(1)分别对所得的3组标准化后的数据进行整体拟合,并对拟合后的方程分别取导,令x=0,得到0点处的衰减速率, 即A1/t1+A2/t2;取1-y0,即标准化后的衰减量,所得参数如表2所示。

图5　不同振动频率下的光缆应变衰减曲线

由图5和表2可知,振动频率不会改变应变衰减曲线的整体变化趋势,3组试验都是在振动了10 000次左右结束了快衰减阶段。但是,随着振动频率的增大,还同时出现了两个比较明显的变化特征:(1)I阶段应变衰减速率增大;(2)达到最终稳定状态时,应变的衰减量增大。

表2　不同振动频率下光缆应变衰减曲线的拟合参数

3.3静置恢复时间对光缆应变的影响

为了研究静置恢复时间对光缆应变的影响,在进行初次振动后,进行了5次静置,静置时保持光缆为自由状态,即无应变,静置的时间依次为1.5、140、1.5、24和1.5 h,每次静置后再进行一定周次的循环振动,得到图6所示的应变衰减曲线。

图6　静置后的应变衰减曲线

由于光缆不同结构之间的细微错动,以及材料的塑性变形,无论对于长时间静置(140 h)还是短时间静置(1.5 h),与初始振动相比,光缆应变的衰减速率都更快,而且都无法回到初始应变;长时间静置和短时间静置的最终稳定应变非常接近,且都小于初始振动拉伸应变衰减曲线的稳定应变。对比静置140 h和24 h的结果可以看出,静置时间越长,其应变衰减曲线的初始应变值越接近初次振动拉伸应变曲线的初始值;而短时间静置,其应变衰减曲线初始应变值更接近于初次振动拉伸应变曲线的稳定应变值。这种现象可能是由于静置时间比较短,光缆的弹性变形并没有完全恢复。无论是经过初始振动拉伸之后第1次短时间静置,还是经过长时间静置、拉伸之后又经过短时间静置,其衰减曲线的变化趋势、衰减速率及最终稳定应变都近乎相同。

3.4初始应变对光缆性能的影响

为了探寻不同应变条件下光缆周期振动对其应变衰减的影响,分别在应变为1 000、4 000、6 000、8 000和10 000με的条件下对光缆进行周期振动拉伸测试,得到光缆的应变衰减曲线,标准化后的结果如图7所示,采用公式(1)对所得标准化后的数据进行拟合,所得参数如表3所示。

表3　不同初始应变下光缆应变衰减曲线的拟合参数

图7　不同应变环境下的光缆应变衰减曲线

可见,在低应变状态下,光缆未出现明显的应变衰减。当光缆应变≥4 000με时,应变衰减曲线的整体趋势基本相同。但是,随着应变的增大,应变衰减曲线出现了与频率增大时类似的现象,即快衰减阶段应变衰减速率随光缆应变的增大而增大;同时,达到最终稳定状态时的应变较低,即应变的衰减量随拉伸应变的增大而增大。由此可以认为:在高应变、高频率的环境下,传感光缆应变衰减得更为迅速,而且衰减量更大。取应变衰减量与初始应变的比值,即将标准化后的衰减量百分化,将此值记为衰减百分比,得到衰减百分比与初始拉伸应变的关系,如图8所示。可以看出,随着初始应变的增大,衰减百分比近似呈线性增大。

图8　衰减百分比与初始应变的关系

4　结束语

目前还没有一套较为完善的对循环荷载作用下光缆传感性能进行评价的方法,针对这一问题,本文研发了传感光缆循环疲劳测试设备,以2 mm聚氨酯护套传感光缆为测试对象,提出了3种循环疲劳测试方法,分析了传感光缆的应变衰减规律。结果表明,本文所提测试方法是行之有效的。光缆应变的衰减过程呈指数型,且其衰减过程可以分为快衰减阶段、慢衰减阶段和稳定阶段。此外,在影响光缆应变衰减的因素中,光缆初始应变越大,循环频率越高,光缆应变的衰减量和衰减速率就越大。

致谢:感谢苏州南智传感科技有限公司为本文试验研究提供传感光缆;感谢苏州璟丰机电有限公司在本文作者研制分布式传感光缆疲劳性能测试装置过程中提供的帮助;感谢本科生薛利强同学在试验过程中提供的协助。

参考文献:

[1] Barnoski M K,Jensen S M.Fiber waveguides-novel technique for investigating attenuation characteristics [J].Applied Optics,1976,15(9):2112-2115.

[2] Horiguchi T,Tateda M .BOTDA-Nondestructive measurement of single-mode optical fiber attenuation characteristics using brillouin interaction-theory[J]. Journal of Lightwave Technology,1989,7(8): 1170-1176.

[3] Horiguchi T,Shimizu K,Kurashima T,et al.Development of a distributed sensing technique using brillouin-scattering[J].Journal of Lightwave Technology,1995,13(7):1296-1302.

[4] Bernini R,Minardo A,Zeni L.Distributed sensing at centimeter-scale spatial resolution by BOFDA:measurements and signal processing[J].IEEE Photonics Journal,2012,4(1):48-56.

[5] 张丹,施斌,徐洪钟.基于BOTDR的隧道应变监测研究[J].工程地质学报,2004,(04):422-426.

[6] 张丹,施斌,吴智深,等.BOTDR分布式光纤传感器及其在结构健康监测中的应用[J].土木工程学报, 2003,(11):83-87.

[7] 孙义杰,张丹,童恒金,等.分布式光纤监测技术在三峡库区马家沟滑坡中的应用[J].中国地质灾害与防治学报,2013,(04):97-102.

光纤光缆技术与应用

Testing Methods for Cyclic Fatigue of Distributed Sensing Cables

WANG Jia-cheng1,ZHANG Dan1,YAN Ji-song2,Li Bo1,Shi Bin1

(1.School of Earth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing 210093,China;

2.The 41stInstitute of China Electronics Technology Group Corporation,Qingdao 266555,China)

Abstract:The distributed optical fiber monitoring technology has been gradually applied in various fields,but at the present, the performance variations of sensing cables when subject to cyclic stress have not yet been investigated in depth.In line with the repeated cyclic stress that the cables undergo indoor tests and in various monitoring projects,simulated load,temperature and the environmental condition changes,three tests are designed and the cyclic fatigue performances of the distributed sensing cables are calibrated,obtaining the stress attenuation curves of the cables in different conditions.The experimental results indicate that the higher the initial stress of the cables,the higher cyclic frequency and the greater the attenuation amount and rate of the cable stress.

Key words:distributed sensing;sensing cable;cyclic fatigue;calibration;stress

中图分类号:TN818

文献标志码:A

文章编号:1005-8788(2016)01-0015-04

收稿日期:2015-07-31

基金项目:国家自然科学基金资助项目(41272315,41572271);国家“九七三”计划资助项目(2011CB710605)

作者简介:王嘉诚(1990-),男,天津人。硕士研究生,主要从事岩土工程监测等方面的研究。

通信作者:张丹,副教授。E-mail:zhangdan@nju.edu.cn

doi:10.13756/j.gtxyj.2016.01.005