混凝土裂缝光纤传感器的试验

主要是方法及结果简介

1999年第4期水　力　发　电　学　报JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERING总第67期

混凝土裂缝光纤传感器的试验

孙东亚

(中国水利水电科学研究院　北京　100044)3　　姜德生　代珩(武汉工业大学　武汉　430070)

提　　要

光纤传感器在混凝土结构深层裂缝监测方面具有巨大的工程应用价值。本文详细介绍了

所研制开发的混凝土裂缝光纤传感器的原理和结构设计。从三点弯曲混凝土梁的加载试验结

果看,传感器能很好地感知裂缝的发生和发展,并且在一定的裂缝开度范围内不断裂,从而能

适应工程应用的要求。

关键词　光纤　混凝土梁　裂缝　灵敏度

一、光纤易受诸如温度、压力、,从而导致光纤相位、系起来,,演绎出了光纤传感器这门新技术。耐高压、耐腐蚀、阻燃防爆、频带宽、动态范围大、柔软纤细挠曲性好,,。其触角已涉及到国防、军事、航空航天、工矿、农业、能源环保、生物医学、计量测试、自动控制等诸方面。

[1,2]于1989年提出把光纤传感技术应用到土木工程。这种应用包括检测Mendez等人

钢筋混凝土结构的内部损伤如混凝土开裂、钢筋锈蚀、钢筋与混凝土的分离等;另外对结构挠曲、应变、振动等各种力学参数也可精确测量。尽管土木工程的恶劣运用环境可能会破坏光纤,但可以在光纤传感器外部增加保护层来予以克服可能的不良影响。

光纤作为传感元件检测钢筋混凝土结构损伤(如裂缝)的原理为:结构的损伤将引起埋设在损伤部位的光纤损伤、微弯或断裂,导致光纤传光能力下降,布置在光纤网络出口处的光探测器将检测出光纤输出光强变化,从而得到结构的损伤信息。本研究开发的混凝土裂缝传感器基于光纤微弯原理和与光纤在一端相连的光时域反射计(OTDR)特性,可实现裂缝发生、扩展过程及裂缝位置的监测,但由于OTDR的分辨率的限制,对裂缝的定位精度为1m。关于裂缝开度,可以对通过检测的光纤输出光强变化量的大小定性判断。对其定量分析的实现需建立在对传感器进行标准化制作及大量试验的基础之上,并结合理论分析,找出它们之间的对应关系。

3国家电力公司资助重大项目(编号:B951009)。

本文于1999年5月20日收到。

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二、混凝土裂缝光纤传感器的基本原理和结构设计

光纤内传输的光存在散射、吸收和辐射损耗。当光纤的空间状态发生变化时,会引起光纤中的模式耦合,其中有些导波模变成了辐射模,从而引起损耗即微弯损耗。图1为光纤微弯损耗原理示意图[3],在光纤直线段中以小于临界角的角度传播的光线,可因光纤的弯曲而使它们在纤芯与包层界面处的入射角加大,于是有一部分光便传输到包层中,使光纤中传输的光输出强度减小即产生微弯损耗,该损耗量可通过OTDR对光纤内瑞利(Rayleigh)散射的后散射光强度的检测予以采集,或通过采用光功率计直接测量光纤光功率输出

。

　因光纤微弯而引起的光从纤芯耦合到包层的过程

图2为以工程应用方式描述的OTDR工作原理图[4]。当光纤产生微弯效应时,该点的OTDR检测信号(光强)产生衰减,即在显示屏上形成一个台阶,该衰减量与光纤的微弯程度直接相关。另外测量信号的返回时间对应着该点的位置,因此,采用OTDR不仅可以检测待测信息,而且还可以对测量点予以定位。本试验研究所采用的OTDR对光纤断点位置的分辨率为10cm,对微弯位置的分辨率为1m

。

图2　以应用方式描述的OTDR工作原理图

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孙东亚等:混凝土裂缝光纤传感器的试验研究基于以上原理,混凝土裂缝光纤传感器设计的关键是保证混凝土裂缝的形成能使得裂缝处的光纤产生微弯,同时要求光纤能适应局部大变形不断裂的要求,以便实现分布传感,即对传感器沿程各部位裂缝均予以检测。另外为保证混凝土恶劣的应用环境不损坏光纤,需在传感器外面加保护层。综合考虑以上因素,本研究提出了两种传感器结构型式,如图3a和b所示。它们均是把普通通信光纤(芯径为6215 125Λm,被覆层直径0125mm)螺旋地紧密缠绕在直径为019mm由7股细钢丝组成的钢丝绳上,然后用环氧树脂加以保护,形成直径5mm的杆状结构。但第一种结构形式是从组成钢丝绳的7股细钢丝中抽掉一根,并在其位置缠绕一根光纤,其优点是光纤的缠绕螺距比较均匀,便于实现标准化。第二种结构形式是在不改变原钢丝绳结构的基础上,在其表面沿与钢丝绳螺旋相反的方向即与多股细钢丝正交缠绕,该种结构形式对光纤螺距不易控制,但微弯灵敏度高,这将在以后的试验中验证。

当混凝土在外荷载作用或温度影响下而产生裂缝时,拉伸和剪切变形,从而使光纤在拉伸、剪切、生微弯,引起该位置OTDR检测信号的递减,

三、果,[5,6,7],在两根梁

。试验系统

4所示。梁长100cm,截面几何尺寸为

10cm×10cm。在梁的受拉和受压区各布置二根

另<10mm的钢筋,所用水泥为425普通硅酸盐水泥。

外,为防止混凝土冻裂和缩短养护周期,在混凝土中加

入了抗冻剂和早强剂。混凝土裂缝传感器布置在梁受

拉区距梁表面2cm位置。图3　混凝土裂缝传感器试验中用机械式千斤顶加载,用百分表记录梁的结构示意图

挠度。对第一种结构形式的传感器,在光纤A端用(环氧保护层未表示出)OTDR进行光纤输出信号的测量,通过肉眼观察裂缝

的开展情况。传感段后向散射光强度衰减量与梁内拉伸和剪切应变及裂缝开展直接相关,图5a为其后向散射光强度衰减量与梁挠度的相关曲线。对第二种结构形式的传感器,在光纤A端接发光二极管,另一端B接光功率计,测量光纤的光功率输出,通过计算求出光强衰减量,图5b为光功率计测量的光强衰减量与梁挠度的相关曲线。

对第一种结构形式的传感器,如图5a,梁未加载时由OTDR测量的传感段后向散射光强度衰减量为 I=0134dB。加载期间,随着梁挠度的增加,后向散射光强度衰减量与梁挠度的相关曲线呈平缓上升。这一现象是由于传感器在拉伸和剪切应变的作用下,光纤发生微弯引起的。在梁挠度达10mm时,微裂纹出现,此时 I=0138dB。后随梁挠度的进一步增加,裂缝开始展宽,衰减量 I增加,相关曲线的斜率有突变趋势。尽管变幅不太大,但

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图4　加载试验系统示意图

该变化与裂缝发生开展呈较好的对应关系。最后在梁上观察到三条剪切裂缝,最大一条宽6mm。

对第二种结构形式的传感器,如图5b,Λ加w。载期间,随着梁挠度的增加,。这说明传感器对拉伸和剪切应变非常敏感,观察到微裂纹,此时 I=01643Λ,,光强度衰减量 I急w。

剧增加,,。这一现象说明,裂缝的形成使,。最后在梁上观察到一条5mm。

,加载过程中梁内拉伸和剪切应变将引起光纤传光能力的下降,它说明在一定程度上该类传感器可以实现结构应变状态的监测;而且裂缝的出现能导致传感器光纤传光能力的突变,从而感知裂缝的发生并记录裂缝开展过程。

三、结论

光纤做为灵敏传感部件用于监测混凝土结构的变形和深层裂缝的开展具有重大的工程应用价值,是对无损检测技术的发展和补充。试验研究表明,所研制的两种结构形式的传感器均能感知裂缝的发生并记录其扩展过程,但第二种结构形式具有更高的灵敏度。由于光纤缠绕及用于传感器保护层的环氧树脂的性能和结构的非标准化,对裂缝宽度的定量检测尚无法实现。

因为混凝土光纤裂缝传感器所采用钢丝绳直径只有019mm,环氧保护层直径也仅为5mm,而且属于脆性材料,与混凝土粘结紧密,因此对混凝土的开裂估计不会产生很大的影响。但仍需对此进行理论分析和试验论证,拟在以后的研究中,结合有限元分析方法进行。

本文提出的光纤缠绕方式和采用环氧保护层方案不仅实现了结构变形和混凝土开裂对光纤的微弯调制,而且可以使传感器能适应恶劣的施工环境,并在大变形情况下不断裂,从而增加了其应用的可靠性,满足实际工程应用的要求。

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孙东亚等:混凝土裂缝光纤传感器的试验研究图5　光强度衰减量 I与梁挠度f的相关曲线

光纤传感器的最大优点之一是实现分布传感,因此以后的研究工作重点将放在分布传感的试验上。另外,如引用人工神经网络的智能识别,将为混凝土深层裂缝的检测预报提供强有力的信息处理手段。

参考文献

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.1170,FiberOpticConcreteBuildingandStructures,SPIEProceedings,Vol

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.1978,FiberOpticSmartStructuresAndSkinV,pp.205SPIEProceedings,Vol

-216,1992.

[3]　徐予生等译,光纤传感器技术手册,电子工业出版社,1987。

[4]　Wolff,R.etal,MonitoringofPrestressedConcreteStructureswithOpticalFiber

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stSensors,Proceedingsof1EuropeanConferenceonSmartStructuresandMateri2

als,Glasgow,pp.23-29,1992.

[5]　Glrace,J.L.etal,EmbeddedFiberOpticSensorsforStructuralDamageDetec2

.2718,pp.196-200,1996.tion,SPIEProceedings,Vol

[6]　EricUdd,FiberOpticSmartStructures,ISBN0-471-55448-0○C1995,John

Wiley&Sons,Inc.

[7]　滕智明主编,钢筋混凝土基本构件,清华大学出版社,1994。

TheExperimentofFiberOpticSensor

forConcreteCrackDetection

SunDongya

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydow)

JiangDesheng　D(WuhanUniversityofT430070)

Fiberrtialusageintheinherentcrackdetectionofconcretehisdescribestwospeciallyshapedfiberopticsensordesignsthatwereintwo12meter2longreinforcedconcretebeam.Feasibilityandsensitivityofthesesensorswereconductedonthebeamsthatwereloadedtofailure.Incipienceandpropagationofconcretecracksweremonitoredbyusinganopticaltimedomainreflec2tometry(OTDR)andalightintensitymeterrespectively.

KeyWords　　Opticalfiber　Concretebeam　Crack　Sensitivity

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