分布式光纤传感技术在蜗壳模型试验中的应用

李 洁，张宏战，任 亮，李宏男，袁超林

(1.大连理工大学 建设工程学部，辽宁 大连 116024；2.沈阳建筑大学 土木工程学院，辽宁 沈阳 110168)

0 引言

近年来，光纤传感作为一种快速发展的传感检测技术，可获得温度、应变、压力等信息，成功应用于航空航天、结构健康监测等领域[1]。光纤既作为传感元件，又作为传输元件，对比传统传感器，光纤类传感器具有灵敏度高，精度高，抗电磁干扰，耐腐蚀，体积小，易安装等优点[2]。光纤类传感器包括光纤光栅传感器和分布式光纤传感器。常见的光纤光栅传感器有基片式和夹持式等，目前光纤光栅传感器发展较成熟，已广泛应用于工程试验[3]及实际工程结构健康监测中[4-5]。相对于光纤光栅传感器，分布式光纤传感器发展尚不成熟。近年来，为了准确测量一定范围内的应变分布情况，基于光频域反射技术(OFDR)的光纤连续定位应变测量传感方法得到了快速发展，这种方法利用分布式光纤传感器既实现了应变定量测量，又反映了应变空间分布信息，实现了应变定位功能[6]。

由于分布式光纤易折的物理特性，应用于实际工程的情况较少，本文将分布式光纤传感器应用于蜗壳模型试验中，监测蜗壳外包混凝土应变分布状况。蜗壳结构是一种典型压力容器，外围混凝土和钢蜗壳之间存在接触非线性问题，为数值模拟计算参数的确定造成了一定的困难，蜗壳结构模型试验作为数值计算结果合理性和正确性的验证手段，其作用不可代替[7-8]。不设钢衬的钢筋混凝土蜗壳，混凝土的开裂会对蜗壳的运行刚度及耐久性产生不利影响，故而其限裂防渗要求很严苛，蜗壳混凝土的应力、应变监测是蜗壳试验监测的一项重要内容，对监测数据进行分析，可帮助确定蜗壳裂缝设计标准，合理配置钢筋优化混凝土结构设计。以往模型试验[9]多采用传统应变片及光纤光栅传感器进行应变测量，此次试验利用分布式光纤获取数据，成功监测蜗壳混凝土在逐级加载过程中的变形及裂缝发展情况，及时定位裂缝产生的位置和时间，对蜗壳的结构性能进行评价。

1 分布式光纤传感技术

1.1 OFDR测量原理

分布式光纤传感器采用普通通信光纤，基于OFDR可实现一定范围内定量、定位的应变及温度测量。

OFDR原理如图1所示，光源发出的经线性扫描的连续光被耦合器分为两束，其中一束被注入到传感光纤，由于光纤折射率的微观不均匀性，在传播时会不断地产生瑞利散射信号，这些瑞利散射信号成为信号光经过耦合器被耦合到光电探测器中。另一束光，经反射后作为参考光通过耦合器被耦合到光电探测器中[10]。二者由于存在光程差，相遇时会产生干涉，在频域上对其解析即可获得空间及时间层面上的待测信息。

图1 OFDR原理图

(1)

参考光表达式为

Er(0,t)=Arexp[-2iβ(t)xr]

(2)

推导出最终归一化信号为

(3)

式中G(x)=[σ(x)α(x)]exp[2iβ0(x-xr)],G(x)dx以2γ|x-xr|的频率随时间波动，如果取xr=0，则波动频率与光纤中的位置x一一对应，可以通过求解g(γt)频谱上各频率点推出光纤中各点的位置。由于G(x)dx与光纤沿线的衰减成正比，光纤沿线各位置处的衰减情况可从各个频率点的功率求得。

1.2 分布式光纤传感器标定试验

为了检验分布式光纤的工作性能，将分布式光纤粘贴在钢板上进行标定试验。钢板的杨氏模量为2.06×105MPa，截面尺寸为30 mm×4 mm。粘贴前打磨钢板表面，并用酒精清洁。在钢板中心位置用502沿纵向粘贴20 cm分布式裸光纤，用来测量钢板上的应变分布。将钢板固定在万能试验机进行拉伸试验，如图2所示。以2 kN的级差从0连续加载至24 kN，每级保载200 s。理论上，每级荷载下钢板的轴向应变分布应为水平线。图3为分布式光纤钢板拉伸试验结果。由图3可知，测得的应变结果符合钢板在轴向拉力作用下的应变分布情况。

图2 标定试验

图3 分布式光纤钢板拉伸试验结果

为了评估应变测量性能，提取中间点在每级加载步骤下的应变测量值(见图4)，该线性相关系数大于0.999 4，测量结果线性良好，表明分布式光纤传感器测量稳定。

图4 分布式光纤传感器校准结果

2 试验设计

2.1 模型尺寸及传感器布置

试验原型水电站混凝土蜗壳进口最大净宽度为30.62 m，最大高度为16.26 m。蜗壳结构试验模型几何比尺为1∶20。完成养护的蜗壳模型如图5所示。测试内容主要包括混凝土应变，蜗壳外围混凝土变形及裂缝发展。

图5 蜗壳模型图

分布式光纤应变传感器主要用于测量蜗壳进口段侧墙外表面混凝土应变，布置如图6所示。

图6 分布式光纤应变传感器测点布置图

2.2 分布式光纤传感器安装

将布设分布式光纤位置附近用打磨机打磨平整，然后用砂纸沿45°方向打磨，酒精擦拭干净后，在布设位置处划线，将光纤拉紧贴近混凝土，固定两端，涂抹502胶水，保持张拉状态至胶水完全凝固。

2.3 试验方案和数据采集系统

在钢筋混凝土蜗壳浇筑养护成型后，按下列步骤进行加载试验：

1) 以0.025 MPa的荷载级差，先加载至0.1 MPa。

2) 减小级差至0.02 MPa继续加载，逐级加载至0.42 MPa。 减小级差至0.01 MPa，逐级加载至0.465 MPa。每级荷载持荷5 min，测量混凝土应变值，观察混凝土外表面及分析混凝土应变值判断混凝土是否开裂，混凝土一旦开裂将荷载级差即刻降为0.01 MPa。然后记录各级荷载下裂缝的开展范围，并测读裂缝的宽度。

3) 继续分级加载进行超载试验，荷载级差升至0.02 MPa，最终加载至0.686 MPa。每级荷载持荷5 min，测量混凝土应变值，观察混凝土外表面及分析混凝土应变值判断混凝土是否开裂，记录各级荷载下裂缝的开展范围并测读裂缝的宽度。

分布式光纤应变测量采用美国LUNA公司的ODiSI-A分布式光纤传感系统。该系统采用通信光纤作为传感器，可以监测光纤任何位置的温度和应变信息，最小空间分辨率可达1 mm，最大传感测试长度可达50 m。图7为ODiSI-A分布式光纤传感系统。

图7 ODiSI-A分布式光纤传感系统

3 试验结果与分析

由于分布式光纤应变传感器需要逐根测量，且单根测读用时较长，在持荷时间内无法完成所有传感器的测量，故选取竖向中间一条分布式光纤传感器V3进行逐级测量。图8为有效测试范围内侧墙外表面混凝土在各级水压力下的应变分布。图9为设计内水压力0.465 MPa下侧墙外表面混凝土的应变分布。

图8 各级内水压力下混凝土表面应变分布图

图9 0.465 MPa内水压力下分布式光纤V3测量截面应变图

由图8、9可知，侧墙跨中部位均表现为拉应变，随着内水压力的增大，跨中拉应变峰值逐渐突出，而在靠近蜗壳顶板和底板位置，各级荷载下侧墙外侧混凝土应变为压应变，且向顶板和底板延伸一定范围内均表现为压应变。采用分布式光纤传感器能够准确地反应侧墙外表面混凝土应变沿高度方向的分布规律。在设计内水压力0.465 MPa，测得的侧墙外表面竖向拉应变最大值为148 με，通过肉眼观测在对应位置处未发现可见裂缝，说明蜗壳在设计内水压力下工作性能良好。

为确定侧墙外表面混凝土的开裂荷载，提取了图8中应变峰值对应点(光纤长度6.090 02 m)处混凝土在各级内水压力下的应变数值，图10为该点混凝土应变与内水压力的变化关系。

图10 峰值点应变-内水压力变化曲线

由图10可知，在内水压力小于0.465 MPa时，混凝土拉应变与内水压力呈良好的线性关系，混凝土外表面未发现可见裂缝，说明在设计内水压力0.465 MPa下侧墙外表面混凝土不会开裂。试验进入超载阶段后，在内水压力小于0.56 MPa时，混凝土拉应变与内水压力仍表现为良好的线性关系，只是斜率有所下降，混凝土外表面未发现可见裂缝，说明侧墙混凝土外表面仍未开裂。当内水压力超过0.56 MPa时，混凝土应变突然增大，内水压力达到0.58 MPa时，混凝土应变增幅达533 με，曲线出现明显的拐点，说明混凝土发生开裂，侧墙外表面混凝土的开裂荷载为0.56 MPa。同级荷载下侧墙外表面未发现可见裂缝，直到内水压力达到0.62 MPa时，才在对应位置发现可见裂缝。这说明分布式光纤传感器不仅能够精确地定位裂缝的位置，还能确定混凝土开裂时间。

4 结束语

本文阐述了OFDR测量原理，对分布式光纤的工作性能进行试验，试验结果显示分布式光纤传感器传感性能稳定，适用于工程试验。将分布式光纤传感器应用于蜗壳模型试验，粘贴在混凝土表面，分布式光纤传感器测量结果实时反映出混凝土的空间应变分布信息。测量结果表明加载至0.56 MPa时，应变与内水压力曲线出现拐点，分布式光纤传感器及时捕捉到开裂时间和开裂荷载，当加载至0.62 MPa时在应变峰值点处发现第一条可见裂缝，定位出混凝土开裂位置，达到了测量目的。分布式光纤传感器反映应变空间分布，实现应变定位的能力为蜗壳混凝土外部的变形监测提供了良好的测量手段。