華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第四十五期，我們邀請(qǐng)到來(lái)自美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究員的羅林青博士。本次講座中，羅博士為我們介紹了光纖傳感的基礎(chǔ)知識(shí)，和分布式光纖傳感在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的應(yīng)用案例。

首先，羅博士向我們分享了光纖傳感的基本概念和工作原理。目前的光纖傳感器分為傳統(tǒng)的光纖傳感器、光纖光柵傳感器和分布式光纖傳感器。傳統(tǒng)的傳感器一般只在光纖上某一點(diǎn)讀取信號(hào)，光纖光柵可以多點(diǎn)讀取數(shù)據(jù)，而分布式光纖傳感器可以在整個(gè)光纖上進(jìn)行讀取。因此分布式光纖傳感器的優(yōu)勢(shì)是在一定的精度下能夠覆蓋很大的范圍。

圖1 分布式光纖傳感技術(shù)分類(lèi)

光纖傳感器的原理是光在光纖中傳播時(shí)遇到不均勻介質(zhì)會(huì)被散射，一部分的散射光會(huì)返回發(fā)射點(diǎn)從而被發(fā)射點(diǎn)的分析儀接收。這些返回的光會(huì)發(fā)生相位偏移等變化，分析儀通過(guò)分析這些變化就可以分析出光纖所測(cè)量的應(yīng)變、溫度、聲音等。常見(jiàn)的散射包括拉曼散射、布里淵散射和瑞利散射。拉曼散射常被用于監(jiān)控溫度變化，布里淵散射可以監(jiān)控應(yīng)變和溫度，瑞利散射則可監(jiān)控溫度，聲音和應(yīng)變等變化。

圖2光纖傳感器工作原理

本次講座中，羅博士主要介紹的是布里淵散射分析儀。其頻率變化與應(yīng)變變化為線性關(guān)系，比較方便讀取。分布式光纖傳感器的光線分辨率是指，假設(shè)50公分的光纖被每隔5公分為一小段，對(duì)每一段上的光信號(hào)進(jìn)行讀取，認(rèn)為每段的應(yīng)變?yōu)槠涠紊献兓木怠Ａ_博士開(kāi)發(fā)了一套布里淵傳感器，并向我們簡(jiǎn)單介紹了采用布里淵傳感器的實(shí)際應(yīng)用案例。

接著，羅博士向我們介紹到，密西西比河兩岸的堤壩會(huì)在蓄洪其可能會(huì)產(chǎn)生沙涌現(xiàn)象，羅博士將分布式傳感器安裝在堤壩上，并且安裝了環(huán)境適應(yīng)系統(tǒng)使其能全年24小時(shí)工作。監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都出現(xiàn)了位移的累計(jì)增長(zhǎng)，且水位的增長(zhǎng)和位移的增長(zhǎng)有較強(qiáng)的相關(guān)性，可以懷疑為已經(jīng)出現(xiàn)了滲水現(xiàn)象。

圖3光纖傳感器監(jiān)測(cè)密西西比河堤壩滲水

此外，羅博士將分布式光纖傳感器安裝在樁基礎(chǔ)上，可以對(duì)樁基礎(chǔ)的形變進(jìn)行檢控。在一個(gè)對(duì)樁基礎(chǔ)加載至損壞的加載測(cè)試，應(yīng)變片，光纖光柵都沒(méi)有捕捉到在加載到極值時(shí)的樁斷裂位置，而分布式光纖傳感器清晰的捕捉到了斷裂發(fā)生的位置。

另一個(gè)有趣的案例是舊金山著名的千禧大廈，因?yàn)樵摯髲B一直在發(fā)生沉降和傾斜，進(jìn)行修補(bǔ)時(shí)希望加入新的樁基礎(chǔ)。工程師希望新的樁基礎(chǔ)可以將應(yīng)力集中轉(zhuǎn)移到樁的底部，從而不影響已經(jīng)存在的老樁。通過(guò)光纖傳感器可以監(jiān)測(cè)到，新的樁基礎(chǔ)可以把應(yīng)力集中到樁基礎(chǔ)的底部。羅博士還使用分布式光纖傳感器來(lái)捕捉梁斷裂的信號(hào)，因?yàn)榱涸跀嗔褧r(shí)發(fā)出的信號(hào)與平時(shí)不同，可以被清晰的捕捉到。光纖傳感的測(cè)量范圍可以達(dá)到幾十公里，羅博士將分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)水管的自重變形彎曲測(cè)試。將五條光纖貼至水管的側(cè)面的五個(gè)位置上，通過(guò)讀取這些位置上的數(shù)據(jù)，就可以測(cè)得任意一個(gè)截面的變形。將這些截面的變形累計(jì)就可以得到整個(gè)管子的形狀的變化。

圖4光纖傳感器在樁基礎(chǔ)、裂縫、水管變形監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

最后，分布式光纖傳感不僅可以測(cè)靜態(tài)的變化，也可以監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)的變化。該傳感器也可以用來(lái)監(jiān)測(cè)海上風(fēng)機(jī)受風(fēng)的影響。在桿件的側(cè)面貼上四條光纖傳感器，通過(guò)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理可以完全獲取桿件在振動(dòng)中的形變和位移。羅博士還將光纖傳感器用于深圳的清華伯克利大學(xué)校區(qū)大樓，其可以每分鐘獲取300次數(shù)據(jù)，傳感器總長(zhǎng)度甚至達(dá)到了44km。可以監(jiān)測(cè)新建的地鐵對(duì)現(xiàn)存的大樓是否有影響，土體的挖取是否會(huì)導(dǎo)致沉降。

圖5光纖傳感器在風(fēng)力發(fā)電機(jī)和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

本次講座，羅博士的分享告訴我們，在未來(lái)的基礎(chǔ)設(shè)施中配備先進(jìn)傳感器將提升建筑設(shè)施“智能化”的特征。相比于傳統(tǒng)的傳感器，分布式光纖傳感可以提供一個(gè)短期和長(zhǎng)期的高效監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)當(dāng)下“智能基礎(chǔ)設(shè)施”的重要目標(biāo)，提高基礎(chǔ)設(shè)施的安全性和韌性。

文章來(lái)源多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室VSL，作者解兵林 姚顯花 毛煒寧