分布式光纤传感技术在结构裂缝检测中的应用

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1、分布式光纤传感技术在结构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文章从分布式光纤传感应用于裂缝检测的特点，光纤裂缝传感的原理，模型实验研究成果，国内外研究动态，该项技术的发展前景五方面来探讨。关键词：分布式光纤传感器；混凝土结构；检测；光纤传感网络在混凝土结构中，裂缝的出现难以避免。如果对其发展状态不加重视,裂缝的发展很可能破坏结构的整体性，直接危害结构的稳定。对混凝土结构的裂缝进行评估，传统方法主要靠埋设仪器来实现。这种手段虽然有效，但属点式监测，从全面收集建筑物的安危和实况重要信息这方面而言，尚有相当的局限性。尤

2、其是时空上涵盖全结构的局限性一一即收集信息在时间、空间上的不连续，这会导至险情或重要先兆信息的漏监。正因裂缝检测的技术难度较高，传统手段乂存在不可避免的缺陷，检测技术的改新换代己不可避免。在各国竞相发展的安全检测高新技术中，光纤传感由于能实现空间立体监测和连续性监测，从而对结构中的隐患作出预警，在大型土木工程的安全监测中己得到了越来越多的重视,而其中的尖端领域和研究开发热点则是分布式光纤传感技术。一分布式光纤传感应用于裂缝检测的特点分布式光纤传感技术是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光

3、纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，为建筑和研究领域提供了同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化信息的手段。相较传统测量仪器，分布式光纤传感技术具有精度高、稳定性强，使用范围宽等特点，具体表现在以下几点：1数据釆集量、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，苏缝宽和光路信号衰

4、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，如水电站大现，光纤恃感器由于有极强的抗干扰能力，在此领域具冇特殊的优越性。并II光纤传感器不需要屏闭，接地和雷电保护，也降低了系统土建和运行维护成本。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具有体积小、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。

5、5具有智能化的发展趋式光纤检测信息损耗量小，可以远程遥测。如果能和计算机网络连接，就能实现自检测、自诊断的智能化检测。二光纤裂缝传感的原理当光沿光纤传播吋，由于拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射的存在，在纤芯内各点都会产生光的损耗，一部分光沿光纤俾播方向成180°的方向散射(后向散射光)，沿光纤返冋光源。光谱中央的峰为频谱没有变化的瑞利散射,其余的峰为非弹性的布里渊散射和拉曼散射。光吋域反射仪(OTDR)可以通过自身检测仪将瑞利散射的波形提取出来。这样，把光脉冲信号输入光纤，然后检测返冋的散射光强的变化，就能确定光纤散射系数或衰减与

6、空间的关系。应用于裂缝检测的分布式光纤传感技术正是基于此原理，利用OTDR探测沿光纤长度上过人的局部损耗，从输出信总中获取所测参量的空间位置及人小。由于瑞利散射属本征损耗，所以可以作为应变场渐断面检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值、连续的检测信号。三模型实验研究成果光纤〜混凝土复合体的共同作用表现为力学一光学效应，艽微弯损耗值尚难以精确计算，故传感效果的量化需依赖试验。为准确的模拟混凝土开裂的实际情况，特制做了一组混凝土模型进行裂缝传感实验。模型尺寸为10×l0×25cm,上设诱导缝。材料采用525#普通硅

7、酸盐水泥，水灰比为0.39,细度模数为2.36的黄沙。养护一周后，一同浇注的标准试件抗弯强度为9.5Mpa，抗压强度为64.6Mpa。为试验各种光纤的裂缝传感性能，特选用3种光纤进行对比研究。图11号光纤衰减与缝宽关系曲线图图22号光纤与缝宽关系曲线图图33号光纤衰减与缝宽关系曲线图其中,250Lm光纤简称为1号;4芯带纤简称为2号;900Lm二次涂覆光纤简称为3号。根据预备试验的结果（为测知光纤不同夹角对裂缝感知的敏感性，事先用有机玻璃做了一些相关试验），试验选用检测灵敏度高而检测范围也较大的120°、135°、150

8、°。试验吋，用液压加载设备缓慢加载，劈刀对诱导缝产生强人的劈裂作用导致其开裂，模型两侧较硬的加压块由于反作用力同吋挤压模型，从而控制裂缝缓慢增加以配合光学检验。试验结果见图1、2、3。由图可知,1号