裂紋檢測光纖傳感器

1、光纖傳感器討論課題目：裂紋檢測光纖傳感器學(xué)號：1*姓名：馮亞博裂紋檢測光纖傳感器關(guān)鍵字：光纖光柵、裂紋檢測、損傷檢測、結(jié)構(gòu)健康摘要：如今，光纖傳感器在各行各業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。用于裂縫檢測的光纖傳感器主要有光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器。裂紋檢測更廣義的說是結(jié)構(gòu)健康檢測、損傷檢測。裂紋檢測光纖傳感器主要用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，在橋梁、建筑物、隧道、公路等的結(jié)構(gòu)健康及穩(wěn)定性方面有廣泛的應(yīng)用，也可用于檢測瀝青路面的裂縫檢測。在航空航天工業(yè)中，光纖光纖傳感器有著重要應(yīng)用，在先進(jìn)復(fù)合材料制造的航空航天器中，很容易埋入光纖傳感器，實現(xiàn)飛行器運行過程中的性能檢測。在石油采礦設(shè)施的檢測方面也有應(yīng)用?？偟?/p>

2、來說，分布式光纖傳感器在裂紋檢測中可以實現(xiàn)全方位、時空性、持久性的檢測，具有很大的應(yīng)用前景，但是目前仍處于研究探索階段，還有很多問題沒有解決。一光纖傳感器及基本理論1.光纖傳感器用于裂紋檢測的發(fā)展簡史：1989年，美國布朗大學(xué)的Mendez等人提出了把光纖傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)的檢測。之后，很多國家的大量研究人員對光纖傳感器在土木工程中的應(yīng)用做了大量研究工作。傳感器可外加于結(jié)構(gòu)表面或嵌入混凝土結(jié)構(gòu)中，從而實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的實時檢測。1993年，加拿大Calgary附近的Bdddington Trail大橋是世界上最早使用光纖傳感器進(jìn)行測量的橋梁之一，使用了貼在預(yù)應(yīng)力混凝土支撐的鋼增強桿和碳纖維復(fù)合材料

3、筋上的16個光纖光柵傳感器，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期監(jiān)測。我國于2004年2月建成了云南省第一座光纖傳感器監(jiān)測隧道。2.光纖傳感器的優(yōu)點：（1） 光纖傳感器以二氧化硅作為纖芯材料，光信號作為載體，具有抗電磁干擾、防雷擊、防水及耐高溫等特點，相比金屬傳感器具有更好的耐久性；（2） 光纖傳感器體積小、重量較輕、便于鋪設(shè)；（3） 由于光纖傳感器集傳感與傳輸于一體，還可對大型建筑物實施長距離、全方位檢測；（4） 分布式光纖傳感器除具有上述優(yōu)點外，還可以準(zhǔn)確測出光纖沿線個點的應(yīng)變、溫度、損傷等信息。3.傳統(tǒng)的裂縫檢測技術(shù)：目測法、裂縫測寬儀檢測、超聲波檢測、聲發(fā)射檢測、攝影檢測法、利用卡爾遜式或弦式測縫計檢測

4、等。 目測法是檢測者用雙眼觀察被測物體是否存在裂縫，這種方法耗時長，工作量大，受人為因素影響大，且當(dāng)被測物體出入危險環(huán)境中時，無法使用目測法。裂縫檢測儀檢測是巡視人員手持檢測儀對物體進(jìn)行測量，這種方法能達(dá)到較高精度，但需要知道裂縫位置。超聲波法是目前應(yīng)用最為廣泛的無損檢測技術(shù)，但由于超聲波檢測需要布設(shè)測點，測點不能全面覆蓋被測結(jié)構(gòu)，所以很容易發(fā)生漏檢現(xiàn)象。聲發(fā)射方法是通過分析被測物體中聲發(fā)射儀所獲得的各種參數(shù)來判斷材料內(nèi)部的損傷結(jié)構(gòu)，這種方法對正在發(fā)生的裂縫進(jìn)行定位、測寬，但不能隨已發(fā)生的裂縫進(jìn)行檢測。攝影檢測法是通過照相機、紅外攝像及放射線等對被測結(jié)構(gòu)表面裂縫狀況進(jìn)行檢測。傳感儀器檢測是利用

5、埋在混凝土內(nèi)部的儀器來檢測裂縫，主要采用卡爾遜式、弦式側(cè)縫儀，這種方法可對混凝土變形及裂縫進(jìn)行長期檢測，但屬于點式檢測，容易發(fā)生漏測。 缺點：屬于點式測量或人工測量，不能全面反應(yīng)結(jié)構(gòu)物的裂縫信息，容易發(fā)生漏測；需要人工現(xiàn)場實測，耗時耗力，無法實現(xiàn)實時在線分布式測量。優(yōu)點：測量結(jié)果能夠達(dá)到較好的精度。4.分布式裂縫檢測技術(shù)原理：目前針對裂縫檢測的分布式傳感技術(shù)主要分為基于Bragg光纖的分布式傳感技術(shù)、基于OTDR（光時域反射技術(shù)）的分布式傳感技術(shù)和基于PPP-BOTDA（布里淵光時域分析）的分布式傳感技術(shù)。這些技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注和研究，但仍處于試驗階段還不成熟。（1）基于Bragg光纖的

6、分布式傳感技術(shù)：通過波分、時分復(fù)用技術(shù)，將一條光纖內(nèi)的多個不同波長的傳感器的信號傳輸至解調(diào)機制。當(dāng)一束中心波長為b的光譜光，被光柵反射回一單色光，相當(dāng)于一個寬帶的反射鏡。反射光中心波長由下時確定:-Bragg波長-纖芯的有效折射率-光柵間隔或調(diào)制周期環(huán)境溫度、應(yīng)力的變化會引起光纖光柵的周期和纖芯折射率，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得相應(yīng)的溫度和應(yīng)變信息。光纖光柵可以在一根光纖中寫入多個光柵，從而實現(xiàn)分布式傳感，并且光纖光柵傳感器的信息載體是波長，因此，不受光源光強振動、光纖連接及耦合損耗以及光偏振態(tài)等因素的影響，抗干擾能力強。（2） 基于OTDR的分布式傳感技術(shù)：利用OTD

7、A探測沿光纖長度上的光損耗變化來獲取裂縫的空間位置變化。如右圖為原理圖。將光纖設(shè)于混凝土結(jié)構(gòu)上，當(dāng)混凝土未發(fā)生裂縫時，光纖衰減曲線沿長度方向為線性變化?；炷涟l(fā)生裂縫后，裂縫處光纖會發(fā)生局部彎曲，引起局部損耗增大，局部損耗造成光纖衰減曲線發(fā)生突降，裂縫寬度可由損耗大小來確實，裂縫位置可由雷達(dá)原理加以定位。（3）基于PPP-BOTDA的分布式傳感技術(shù)：原理如右圖。在光纖兩端分別將一束脈沖光與連續(xù)光注入傳感器，當(dāng)脈沖光與探測光的頻差與光纖中的某區(qū)域的布里淵頻移相等時，在該區(qū)域就會發(fā)生布里淵放大效應(yīng)，兩束光相互之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移并達(dá)到最大。連續(xù)調(diào)諧脈沖光和探測光的頻差并實時比較和檢測出連續(xù)光最大光強所

8、對應(yīng)的頻率差，就可確定光纖各段的頻移。光線中的布里淵頻移與光纖所處的溫度和承受的軸向應(yīng)變呈線性關(guān)系，由下式給出： 式中布里淵頻移變化量布里淵溫度系數(shù) 溫度變化量布里淵頻移應(yīng)變系數(shù) 應(yīng)變變化量為獲取被測光纖沿線的溫度和應(yīng)變分布情況，必須對沿光纖分布的珀布里淵散射光信號頻率進(jìn)行空間定位，因此在布里淵光纖傳感中引入光時域反射計（OTDR）技術(shù)進(jìn)行定位，如下式： 散射點至脈沖光輸入端距離 真空中光速OTDR發(fā)出脈沖光與接收到的后向布里淵散射光時間差光纖折射率 布里淵散射：光在光纖傳播過程中，因材料的不均勻性導(dǎo)致的電致伸縮效應(yīng)使產(chǎn)生的聲波在光纖中傳播時與光波相互作用相互激發(fā)的光散射過程。FBG分布式傳感

9、技術(shù)屬于準(zhǔn)分布式傳感技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫度、應(yīng)變和裂縫的檢測，但當(dāng)檢測裂縫時容易造成漏檢，且造價高；基于OTDA的分布式光纖傳感技術(shù)不能檢測應(yīng)變和溫度，在不知道裂縫位置的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)全分布式裂縫檢測，由于動態(tài)范圍的影響，裂縫檢測數(shù)量較少；基于PPP-BOTDA的分布式傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)應(yīng)變，溫度及裂縫高精度全分布式檢測，由于動態(tài)范圍大，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模、多裂縫土木結(jié)構(gòu)的裂縫檢測。2 光纖傳感器的布設(shè) 將分布式光纖應(yīng)用于實際工程前，需考慮傳感光纖的存貨問題，如不對裸光纖進(jìn)行合理的封裝和保護則難以獲得理想的檢測數(shù)據(jù)。主要有表面粘貼和埋入混凝土內(nèi)部兩類方式。1.表面粘接一些試驗中的做法如下：在混凝土表面

10、布設(shè)緊包光纖，粘貼時注意光纖的松弛狀態(tài)，先用502膠沿光纖所在位置初步固定，然后在光纖表面涂覆J39膠，同時用透明腳步蓋在膠層表面，則可以保證涂膠厚度一致，充分發(fā)揮膠的應(yīng)變傳遞效應(yīng)。光纖彎折處曲率半徑不能太小，交叉處上面的光纖必須保持松弛狀態(tài)。實物圖如下：然而，結(jié)構(gòu)在碳化、凍融破壞、氯離子侵蝕、鋼筋銹蝕等作用下，往往出現(xiàn)表面混凝土脫落等現(xiàn)象，傳感光纖也容易受到外界環(huán)境如機械車輛、設(shè)備安裝的損壞。將傳感光纖埋入鋼筋混凝土梁內(nèi)部，不僅可以獲得更加詳細(xì)的結(jié)構(gòu)應(yīng)變場，更是保證了結(jié)構(gòu)應(yīng)變檢測長期穩(wěn)定性。 2. 埋入內(nèi)部 （1） 采用環(huán)氧樹脂將光纖粘結(jié)在鋼筋表面然后澆筑混凝土。先將光纖微微拉直，使用禹王5

11、02膠水每個0.5m局部定位固定，再刷涂含有環(huán)氧樹脂和固化劑的混合膠（質(zhì)量比100:34.5），24小時固化劑固化后再在鋼筋上纏繞浸潤過J39AB膠的布條，使鋼筋上所有光纖都處于布條的保護之中，防止混凝土澆筑振搗過程中破壞光纖。然后澆筑混凝土。（2）將光纖埋入玻璃纖維筋或?qū)鞲泄饫w加工成復(fù)合筋埋入鋼筋混凝土梁內(nèi)部。加拿大的 Kalamkarov等人提出將光纖在加工過程中埋入FRP筋內(nèi)部，并對這種含有光纖傳感器的 FRP 筋進(jìn)行了傳感特性、疲勞特性、抗腐蝕特性等的初步研究；瑞士的 Smartech 公司基于加強型熱塑性合成帶和塑料棒封裝光纖分別研制開發(fā)出 SMARTape 和 SMARTcord

12、 傳感光纖，并應(yīng)用于混凝土裂縫、溫度監(jiān)測以及油氣泄露監(jiān)測等領(lǐng)域，但是其成本較高，很難大規(guī)模推廣應(yīng)用；Bastianini 也基于 FRP 材料采用編織工藝研制 FRP 帶，對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期應(yīng)變監(jiān)測；歐進(jìn)萍和周智等人采用 GFRP、CFRP 及低模量的新型聚丙烯基 FRP 封裝光纖，該封裝光纖在實際工程應(yīng)用中很好的保護了光纖。以上研究取得了良好的成果和工程推廣價值。FRP筋是有多股連續(xù)纖維（如玻璃纖維，碳纖維等）通過基地材料（如聚酰胺樹脂，聚乙烯樹脂，環(huán)氧樹脂等）進(jìn)行膠合后，經(jīng)特制的模具擠壓并拉拔成型的。具有質(zhì)量輕、抗拉能力強、耐腐蝕性強、材料結(jié)合力強、透磁波性能強等優(yōu)點。如右圖為FRP封裝的

13、光纖。 （3）氣吹-灌漿技術(shù)：通過結(jié)構(gòu)內(nèi)部預(yù)埋微管，結(jié)構(gòu)主體施工完成后利用氣吹-灌漿技術(shù)機械化敷設(shè)傳感光纖，可保證傳感光纖不收外界環(huán)境破壞。該技術(shù)適合長距離光纖的鋪設(shè)，一次性氣吹-灌漿距離可達(dá)500m以上。氣吹敷設(shè)傳感光纖是利用機械推進(jìn)器吧帶保護層的光纖推進(jìn)微管，同時空氣壓縮機把強大的氣流通過密封倉送入微管中。當(dāng)壓縮空氣進(jìn)入微管以后，光纖能借助空氣動力懸浮在管內(nèi)，并隨空氣渦流作用向前飄行，因此，光纖在微管中是被空氣流推動前進(jìn)的而不是被拉進(jìn)微管，需要用到氣吹機和空氣壓縮機。試驗中，若微管連接采用氣動接頭時，經(jīng)特殊設(shè)計的3mm緊套光纖能順利通過氣吹機，一次性氣吹長度達(dá)到300m，且平均速度達(dá)30k

14、m/h，可滿足現(xiàn)場施工要求。真空灌漿固定傳感器是利用高壓灌漿機和真空泵將特殊配合比的水泥凈漿灌入微管，水泥漿硬化后固定傳感光纖。一直處于工作狀態(tài)的真空泵使微管內(nèi)空氣、水分及灌槳料中氣泡被消除，同時在微管兩端正負(fù)壓力差作用下，提高了漿體的飽滿度和密實度。整個灌漿過程連續(xù)、迅速，縮短了敷設(shè)光纖傳感器的施工時間。為不影響測試長度，為盡量保證傳感光纖的完整性。通過在灌漿口、出漿口設(shè)置三通接頭，其中兩個通道用于構(gòu)架光纖線路，另一個通道用于灌漿或者出漿，該設(shè)置可保證光纖線路的一致性，其結(jié)構(gòu)如右圖。這種接頭可保證300m的灌漿長度，整個灌漿過程5分鐘完成。微管采用內(nèi)徑12mm、外徑16mm的1216型鋁塑復(fù)

15、合管，塑料層可阻止有害離子進(jìn)入，保證傳感光纖耐久性，而鋁層可提供一定的硬度，抵抗?jié)仓C械力。實驗過程中，將鋁塑復(fù)合管每隔10m和5m截斷，各管之間通過1m左右鋁塑復(fù)合管對接。該技術(shù)由浙江大學(xué)結(jié)構(gòu)研究所于2005年提出，并將其成功應(yīng)用于海底管道的健康監(jiān)測中?；贐OTDA的組合橋梁面板裂紋檢測技術(shù)的研究（BOTDA：基于布里淵時域放大技術(shù)的分布式光纖傳感器）圖 1圖 2圖 3圖 4三應(yīng)用實例1.基于BOTDA 的組合梁橋面板裂縫監(jiān)測技術(shù)（BOTDA：基于布里淵放大的光纖傳感器）組合橋面具有輕質(zhì)、施工方便的特點，是一個具有廣闊應(yīng)用前景的前面體系，然而橋面的耐久性是一個難以解決的問題，橋面在交通負(fù)荷

16、和溫度的影響下很容易產(chǎn)生裂縫，因此對橋面裂縫的檢測具有重要的意義。選擇基于基于布里淵時域放大的分布式光纖傳感器對橋面板裂縫檢測具有可行性和適用性。實驗階段一：如圖用2米長的混凝土試件，光纖在試件內(nèi)分布如圖所示。加載負(fù)荷，第一次加7KN，此后每升4KN對各類傳感器進(jìn)行讀數(shù)，實時記錄各級負(fù)荷下的裂紋進(jìn)程，根據(jù)裂紋先后順序進(jìn)行編號，直至負(fù)載破壞。如圖為不同空間分辨率時的布里淵頻率空間分布曲線，5cm的空間分辨率測得的布里淵頻率曲線明顯的看出裂紋處布里淵頻率發(fā)生突變，可以對裂紋的空間外置進(jìn)行較為準(zhǔn)確的定位，其他分辨率上測得的曲線不明顯，所以，采用5cm的空間分辨率通過對光纖的分布式測量，可以發(fā)現(xiàn)裂縫處

17、光纖應(yīng)變的突變，也可以對裂縫位置進(jìn)行定位，在后續(xù)的試驗中采用5cm分辨率。如圖為應(yīng)變曲線對應(yīng)峰值處為裂紋。實驗階段二：橋面板縮尺模型裂縫檢測試驗：主要步驟有，鋼筋混凝土橋面板設(shè)計；橋面板模型加載有限元分析，可以得到橋面板上表面拉應(yīng)變主要分布在橋梁交界面，下表面拉應(yīng)變主要分布在板的中部，裂縫也應(yīng)主要出現(xiàn)在這些地方，因此分布式感測光纜重點再次布設(shè)；傳感器測點布設(shè)，左圖為上表面分布式感測光纜與應(yīng)變片位置圖；試驗加載載荷與監(jiān)測定位，實際操作中，用加熱器對光纜某一位置加熱，相應(yīng)位置出現(xiàn)溫度升高，通過光納儀測得溫度數(shù)據(jù)，在溫度-位置可看到明顯突起，即已經(jīng)實現(xiàn)了定位，加載開始后，第一級加載50kN此后每升5

18、0kN記載個傳感器度數(shù)；實驗結(jié)果及分析。 右圖為分布式傳感器測得的裂縫位置與實際位置的對比，可以發(fā)現(xiàn)裂縫處空間定位精度很高，最大誤差為5cm.橋面板模型的裂縫檢測結(jié)果表明，分布式光纖傳感器對應(yīng)變的檢測可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫的檢測。由于受光纖滑移、儀器空間分辨率以及光纖與裂縫夾角的影響，通過應(yīng)變測量值來識別裂縫寬度還具有較大的難度。實驗階段三：寧波清水浦大橋橋面板裂縫檢測：考慮橋面板可能產(chǎn)生的位置，并提高光纖傳輸回路的可靠性，將清水浦大橋橋面板裂縫檢測光纖分離為11個回路，這樣不至于一個端點導(dǎo)致整個橋面監(jiān)測系統(tǒng)失效?；芈啡缦聢D所示：監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析：對寧波清水浦大橋的橋面板裂縫監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行三次采樣，將橋

19、梁通車后的兩側(cè)測量結(jié)果分別于未通車時的測量結(jié)果取差值，獲取橋面板各處應(yīng)變值的該變量。通過數(shù)據(jù)處理和分析，基本可以判斷橋面板未發(fā)生裂縫，且通過各光纖實測結(jié)果，很好地識別出了混凝土面板容易開裂位置。 采用BOTDA技術(shù)對裂縫進(jìn)行監(jiān)測，應(yīng)變曲線峰值出現(xiàn)位置與鋼筋混凝土開裂位置具有很好的對應(yīng)性，而且能同時監(jiān)測多條裂縫?？梢詫崿F(xiàn)對0.02mm-0.6mm寬度范圍的裂縫的位置監(jiān)測，定位精度達(dá)到厘米級。試驗確定了分布式光纖的靈敏度系數(shù)，可以識別橋面容易開裂的高應(yīng)變位置。2. 光纖在瀝青路面裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用 當(dāng)前，路面工程發(fā)展迅速，瀝青路面成為現(xiàn)階段主要形式。但是，瀝青路面使用壽命低，尤其是裂縫的產(chǎn)生和不斷擴

20、展，嚴(yán)重降低了路面的整體性能。主要從路面結(jié)構(gòu)、路面材料、路面設(shè)計三個方面提出針對性措施，但效果不是很理想。一個新理念從國外引入國內(nèi)，即路面的防御性養(yǎng)護，預(yù)先對路面裂縫或即將產(chǎn)生的裂縫進(jìn)行處理。這無疑需要對瀝青路面進(jìn)行監(jiān)控和檢測。光纖傳感器質(zhì)輕、抗拉、耐惡劣環(huán)境等特點，則可以發(fā)揮其特有的優(yōu)勢。選用光纖光柵傳感器，光柵的反射光光譜的中心波長主要取決于光柵折射率的調(diào)制周期和有效折射率n。光纖的中心波長隨溫度及應(yīng)變的變化而變化，因此可由拉、應(yīng)力柵波長分布圖中的波峰確定裂縫的準(zhǔn)確位置。分布式光纖傳感器雖然具有較高的精度，但是布設(shè)繁瑣造價昂貴對于道路而言不太實用。因此選用實用、布設(shè)簡單、價格便宜的點式光纖

21、傳感器。點式光纖傳感器自身尺寸比結(jié)構(gòu)構(gòu)件小得多，如圖測量應(yīng)變的電阻應(yīng)變片一樣。光纖傳感器的無損掩埋：瀝青和水泥混凝土一樣集料粗糙，在鋪設(shè)路面時要經(jīng)過碾壓，會破壞傳感器。為此，相應(yīng)的解決方案是，在光纖上套金屬導(dǎo)管，光纖與金屬導(dǎo)管一同埋入瀝青混凝土中，經(jīng)過壓實后，將導(dǎo)管取出；在光纖表面涂有保護層，防止集料對它的損壞。瀝青混凝土最大的特性在于其高溫施工、且經(jīng)過四季溫度影響，這給傳感器的檢測與結(jié)果帶來了問題。所以，在材料方面，要求光纖具有抗高低溫性；其次，對溫度敏感性進(jìn)行室內(nèi)修正，測試不同溫度下的脈沖曲線圖，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生最小二乘進(jìn)行回歸，得到溫度對檢測結(jié)果的修正公式，應(yīng)用于實際的測量中。由于道路工

22、程師長期跟蹤的一項工程，需要光纖傳感器具有較高的壽命。重新布設(shè)傳感器相當(dāng)復(fù)雜，耗費人力和財力，形成一勞永逸的傳感器檢測系統(tǒng)是最佳的解決方案。3. 基于光纖光柵傳感技術(shù)的復(fù)合材料損傷檢測 （1）復(fù)合材料相比金屬材料，具有抗疲勞、強度質(zhì)量比更好、重量更輕、實用壽命更長的特點，廣泛應(yīng)用于制造重大工程結(jié)構(gòu)和裝備，特別是航空航天上的應(yīng)用。但復(fù)合材料在服役期間，在收到拉力、沖擊和疲勞等載荷時，極易發(fā)生損傷和破壞，若不及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的措施會引起災(zāi)難性的后果。1979年，美國航空航天局將光纖傳感器埋入復(fù)合材料內(nèi)部，對其應(yīng)變和溫度進(jìn)行檢測，這是光纖傳感器最早的應(yīng)用。 （2）布拉格光纖光柵傳感原理：滿足上式條

23、件波長的光會被光柵反射，反射率高達(dá)99%以上，但是其他波長的光在經(jīng)過光纖光柵不會有顯著衰減，實際上光柵的作用類似一個窄帶濾波器。當(dāng)光柵周圍溫度、應(yīng)變、應(yīng)力或其他待測物理量發(fā)生變化時，光柵周期或纖芯會發(fā)生變化，從而產(chǎn)生布拉格波長位移。光源發(fā)出的寬帶光經(jīng)光纖傳到被測點，光纖布拉格光柵反射回一窄帶光，經(jīng)光分路器傳送到波長鑒定器或波長解調(diào)儀，然后經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，當(dāng)窄帶光中心波長發(fā)生突變時，表明給出溫度或應(yīng)變突變，可能存在裂縫有即將產(chǎn)生裂縫。 （3）光纖光柵檢測復(fù)合材料原理：復(fù)合材料板在聲波的作用下產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)、光彈效應(yīng)及泊松效應(yīng)，復(fù)合材料在損傷前后所產(chǎn)生的這些效應(yīng)會不同。將光纖光柵分布式地貼于復(fù)合材料板

24、上，聲波傳感器有信號發(fā)生器主動發(fā)出聲波信號，作用于復(fù)合材料板。此時，產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)、光彈效應(yīng)及泊松效應(yīng)，使光纖光柵的有效折射率和光柵周期發(fā)生變化，從而改變反射波的波長，得到聲波在復(fù)合材料板上的傳播信息。通過對比損傷前后的聲波在板上傳播信號可以得到復(fù)合材料板的損傷情況 。4. 基于布里淵光纖傳感技術(shù)的隧道沖擊損傷檢測 南京大學(xué)的施斌等人曾利用 BOTDR技術(shù)把康寧900m緊套單模光纖以不同的鋪設(shè)方式粘貼在南京鼓樓隧道里，用以監(jiān)測隧道內(nèi)環(huán)境因素如溫差和振動對結(jié)構(gòu)正常使用狀態(tài)的影響。浙江大學(xué)的金偉良教授利用 BOTDR 技術(shù)對模擬隧道結(jié)構(gòu)的 6mm 長鋼管外包混凝土模型進(jìn)行了有效的監(jiān)測，驗證了長距離分

25、布式光纖應(yīng)變傳感系統(tǒng)的有效性。隨著我國軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，這一技術(shù)正在被廣泛地應(yīng)用于實踐。5. 布里淵傳感技術(shù)在抽油井套管檢測中的應(yīng)用抽油井套管的壽命是決定油氣井壽命的重要因素之一，套管一旦損壞或產(chǎn)生裂縫，將導(dǎo)致油氣串層、天然氣泄漏等問題。目前，抽油井套損檢查技術(shù)大多屬于被動檢查套損，基本上停留在檢測水平上，不能提前對套損預(yù)警，即只有發(fā)生宏觀機械變形或破損才能檢測到相關(guān)信息，主要包括井徑系列、磁測井系列、井電視成像測井系列和MITMTT組合套損檢查技術(shù)等方法。布里淵傳感監(jiān)測技術(shù)可實現(xiàn)對套管長期、實時監(jiān)測有效性。光纖傳感器在油井套管內(nèi)的布設(shè)工藝。實驗研究中如下在井嫩II段以上的非油層區(qū)域套管

26、表面布設(shè)長818m 布里淵傳感器，在井嫩 II 段以上的非油層區(qū)域套管表面布設(shè)長為 838m 的布里淵傳感器對該區(qū)域進(jìn)行全分布式應(yīng)變監(jiān)測，同時為了對比布里淵光纖傳感器應(yīng)變測試的有效性以及對最易發(fā)生套損位置進(jìn)行局部高精度監(jiān)測，在井套管上距地表面 833 米易發(fā)生套損的套管上沿周向間隔 90 度角布設(shè)了 4 個高精度的光纖光柵應(yīng)變傳感器和一個溫度補償傳感器 T-FBG，布設(shè)位置如上圖所示，其中布里淵光纖傳感器的方位與FBG3對應(yīng)。6.分布式光纖傳感器在重力壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用 （1）混凝土重力壩的裂縫是壩體安全的一大隱患,因此混凝土的裂縫監(jiān)測是混凝土重力壩健康監(jiān)測的重點。傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)存在很大的局限

27、,對壩體不能實現(xiàn)時空上的連續(xù)監(jiān)測。分布式光纖傳感器可以很好地解決這一問題。由于混凝土重力壩的體積巨大,不可能在大壩中全壩體的布置,因此如何合理的選擇光纖傳感器的布控位置成為其應(yīng)用中重點需要解決的問題另外鑒于分布式光纖傳感器裂縫監(jiān)測的機理,在使用的同時還需要為其選擇合理的網(wǎng)絡(luò)布控形式。（2）傳感器的選?。河捎贔BG主要是利用光柵的波長漂移來測量裂縫和變形的大小,因此在測量裂縫的精度上比起通過利用光的時域反射技術(shù)的分布式光纖傳感器要精確許多,也更容易實現(xiàn),但是由于光柵制作的費用和復(fù)雜性,同時由于它的復(fù)用能力,不可能在一條長的光纖上全段布置光纖布拉格光柵,這就一定程度上限制了它的空間連續(xù)性。OTDR

28、的突出之處在于對空間結(jié)構(gòu)裂縫的定位上,依靠光強度的變化,可以準(zhǔn)確的確定裂縫在結(jié)構(gòu)上的位置。由于大壩的裂縫產(chǎn)生的特點,我們希望的是能實時的掌握裂縫發(fā)生的情況,重點是確定裂縫產(chǎn)生的位置，所以O(shè)TDR分布式光纖傳感器是首選。（3）傳感器的布設(shè)：通過重力壩應(yīng)變力分析，可以得出在壩踵位置沿壩高方向約0.1到0.15倍壩高的一個區(qū)域和壩址位置沿壩高約倍壩高的一個區(qū)域內(nèi)是兩個比較危險區(qū)域。裂縫監(jiān)測時要主要針對這些區(qū)域。傳感網(wǎng)絡(luò)的要求如下：布置的網(wǎng)絡(luò)必須能覆蓋所要監(jiān)控的范圍,也即作為壩體的危險區(qū)域,必須處在光纖傳感器的包圍之中。在所監(jiān)控的區(qū)域內(nèi)如果發(fā)生裂縫,裂縫要盡量與光纖相交,但是要避免正交。雖然光纖傳感器

29、的復(fù)用能力很強,但是也不能無限制的使用,在能保證上兩條的前提下,盡量減小光纖的長度。如右圖為三種可算的樣式，綜合分析，樣式二滿足基本要求。如右圖。 （4）該技術(shù)在一些大型水利工程中得到了驗證。最典型的是三峽工程中的應(yīng)用。1997年在三峽臨時船閘進(jìn)行現(xiàn)場實驗中埋設(shè)了平面?zhèn)鞲芯W(wǎng)絡(luò)的分布式光纖傳感器，包含如右圖所示的兩組平行交叉的傳感光纖。由于三峽工程中是在施工過程中在大壩澆筑層面上鋪設(shè)的傳感器,在不同的層面上都布置了傳感網(wǎng)絡(luò),因此可以得到一個空間的立體式的傳感系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：1康師表. 基于BOTDA的組合梁橋面板裂縫監(jiān)測技術(shù)研究D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.2毛江鴻. 分布式光纖傳感技術(shù)在結(jié)構(gòu)應(yīng)

30、變及開裂監(jiān)測中的應(yīng)用研究D.浙江大學(xué),2012.3謝超超. 基于BOTDA分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測研究D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.4宋宏偉,覃麗坤,李淵,左永學(xué),魏曉峰.光纖傳感監(jiān)測技術(shù)用于瀝青路面損傷監(jiān)測的研究J.公路工程,2015,05:141-145.5周偉勇.基于分布式光纖傳感器的固井質(zhì)量評價技術(shù)研究D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.6毛江鴻,崔磊,金偉良,許晨,何勇,任旭初,楊帆.基于分布式光纖傳感的混凝土裂縫識別與監(jiān)測試驗研究J.傳感技術(shù)學(xué)報,2014,09:1298-1304.7章羽,趙崇誼,陳結(jié)祥.基于光纖光柵傳感技術(shù)的復(fù)合材料損傷檢測J.量子電子學(xué)報,2013,05:608-614.8周智,何建平,吳源華,歐進(jìn)萍.土木結(jié)構(gòu)的光纖光柵與布里淵共線測試技術(shù)J.土木工程學(xué)報,2010,03:111-118.9張睿. 光纖在瀝青路面裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用J. 黑龍江交通科技,2015,10:1-2.10宋曉青. 光纖傳感器在橋梁結(jié)構(gòu)安全監(jiān)控中的應(yīng)用J. 江西建材,2014,24:195-196.11孫九霄. 基于布拉格光柵傳感的復(fù)合材料固化及沖擊損傷監(jiān)測研究D.武漢理工大學(xué),2011.12付濤. 新型光纖傳感器及其在纖維復(fù)合材料的聲發(fā)射源定位研究D.哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.13張桂花. 表面黏貼式光纖光柵傳感原理及其實驗研