分布式光纤传感技术在裂缝检测中的应用

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1、分布式光纤传感技术在裂缝检测中的应用宝鸡建安集团股份有限公司陕丙宝鸡721013摘要：文章从布式光纤传感应用于裂缝检测的特点，裂缝的光纤传感原理，光纤传感网络的布置，模型实验结果，工程应用的难点五方面来探讨。关键词：建筑结构；裂缝检测；分布式光纤传感器土木结构工程中裂缝的存在将直接破坏混凝土的整体性，形成内部力学断面，导致应力状态恶化，因此，如何迅速、准确地检测出裂缝的发展状态极为重要；传统检测手段存在较大缺陷，而且技术难度较大，一些科学家开始致力于研究新的检测技术光纤传感技术。目前，国际上己经研宄出并应用于工程裂缝检测的光纤传感器

2、以点式检测为主。一布式光纤传感应用于裂缝检测的特点1数据采集量、速度与精度有大幅提高由于光纤自身具有传感和传输集于一身的特点，可进行空间上的连续检测，采集的数据量也分布于整个空间。只要裂缝与埋入的光纤光路相交，即可被感知。同时，光纤具有实时检测的特点，当裂缝产生时，它能实时检测到，从而对结构中的隐患作出预警。并且，由于在确定的土木工程中，其缝宽和光路信号衰减成唯一关系，当光路的衰减量检测到后，其缝宽及其位置也可确定，在精度上也有了较好的保证。2对雷电、各种电磁及射频环境有极强的抗干扰能力在.建筑工程中，对于一些有较强电磁场的场合，如

3、水电站大圳，光纤传感器由于有极强的抗干扰能力，在此领域異有特殊的优越性。并且光纤传感器不需要屏闭，接地和雷电保护，也降低了系统&pluSmn;建和运行维护成木。3对结构材料性能没有影响检测裂缝的分布式光纤传感器只有体积小、重量轻的特点。它不影响埋设点的材料性能，属于无损检测，适合野外作业需要。4采用即插即读的连接方式数据结果直接显示裂缝位置与宽度，方便检测人员对系统的使用。二裂缝的光纤传感原理沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿与光纤传播方向成1800的方向散射（后向散射光），返回光源，这就是瑞利散射原理，将一光脉冲信号

4、输入光纤，检测返冋的散射光强，就可以确定光纤辐射系数或衰减的空间变化。由于瑞利散射属本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。三光纤传感网络的布置要实现对结构的全面监测，光纤的布置应全方位形成网络，采集的信息才能反映结构的整体情况，为使结构开裂时光纤能产生明显的局部弯曲，应设法使光纤与裂缝面相交成一角度θ,如图:裂缝幵裂吋，光纤受到的侧向剪切或拉伸作用使其微弯增大，引起后向散射光剧烈衰减。这样，由弹性场（混凝土）的力学效砬裂缝直接生成光纤微弯，并调制光学信号，引起微弯损耗，直接构成

5、裂缝一微弯一损耗单值对应的传感系统。图1裂缝生成微弯四模型实验结果光纤--混凝土复合体的共冋作用表现为力学--光学效应，其微弯损耗值尚难以精确计算，故传感效果的量化需依赖实验，为测试光学信号衰减与裂缝宽度之间的关系，特制作了1组混凝土模型，进行裂缝传感实验，实验装置见图图2实验装置混凝土配比及相关参数为：水灰比为0.36,水泥（525*普通硅酸盐水泥2.36）72Kg,石子（粒径5-20mm）115.1kg,水17.7kg,）外加剂（HEA）4.92KG塌落度为16.5cm,;模型尺寸为10cmxl0cmx50cm（设诱导缝）。为保

6、证光纤埋设位置及其与诱导缝夹角的准确性，试件采用人工捣实，养护1周后，浇注的标准试件的抗弯强度为9.5MPa，抗压强度为64.6MPa.实验采用（先进仪器仪表工程公司生产的）AI9400A。高稳定度光源，光信号检测采用AI9401A型智能光功率计，实验中采用的工作波长为1310nm由于只检测光信号衰减，在不需要确定裂缝位置时，该实验仪器比OTDR更为简便，并H冇更高的检验精度实验对corrningl0/125/250单模光纤（1*）、四芯带纤（2*）和corrningl0/125/900），二次涂覆光纤（3*）进行对比研究。根据预备

7、实验结果（为了测知光纤在不冋夹角θ的条件下对裂缝感知的敏感性，事先进行了相关实验），实验选用检测灵敏度高、检测范围也较大的3个角度，即θ=300,,450和600试件制成简支梁，采用等位移速率控制加载，加载速率为0.01mm/min,通过加压设备及吋调整所加压力，以防止试件沿诱导缝突然断裂,实验结果如图3所示，由图3可见，试件图3光信号衰减与裂缝宽度的关系开裂吋，光强度减弱；随着裂缝宽度增大，其衰减幅度逐渐增大1#与2#广光纤的动态范围相差不人，分别为2.0和2.5mm对应的最人衰减仅为3.8dB；而初始感知

8、裂缝宽度（缝宽）分别为0.15和0.2mm,对应衰减均达0.01dB,3#光纤在θ=450吋动态范围达6.0mm,对应的最大衰减为）2dB,初始感知缝宽为0.3mm,对应衰减为0.02dB由缝宽T光衰减规律及检测仪器灵敏度