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传统的机电类传感器虽然在民用工程领域大量使用,但工作寿命短、易受干扰、传输距离短等缺点限制了它的使用范围。光纤光栅(FBG) 传感器作为一种新型光学传感器,以其优异的性能开始在传感器领域崭露头角。目前其应用的焦点正指向开发可在混凝土组件和结构中监测其结构完整性和内部应变状态的技术,例如在桥梁、水坝、隧道、高速公路、机场跑道等建筑物中,建立灵巧智能的监测系统。随着FBG制造技术的不断完善,应用成果的不断出现,FBG已成为目前最具挑战性和最有发展前途的光纤无源器件之一。
FBG传感器除具有一般光纤传感器尺寸小、重量轻、耐高温、耐腐蚀、能耗小、抗电磁干扰能力强、灵敏度高等优点外,还具有光谱特性好、可靠性高、宽频带、高数据速率、传输距离远,可借助光纤线路实现远程诊断,特别是具有波长编码绝对值测量和易于在线阵、面阵等拓扑结构中复用,可实现分布式和准分布式在线监测的优点。相比传统的电传感器,FBG传感器在传感网络应用中具有非常明显的技术优势。因此,FBG传感器在我国建筑结构健康监测系统的开发和应用中将具有十分巨大的潜力。
本文描述的是通过在地铁隧道混凝土衬砌管片上同时布设FBG传感器和传统应变片,实时连续监测构件在集中荷载作用下各关键部位应变的情况,并把两者数据进行比较,为FBG传感器在隧道管片的安全监测方面的应用提供科学依据。
1 FBG传感器的基本原理
FBG传感器结构及原理示意图如图1 所示。满足下列条件的入射光波被FBG反射:
当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时,将导致光栅周期或纤芯折射率的变化,从而产生光栅反射光信号的波长位移,通过监测物理量变化前后光栅反射光波长位移的情况,即可获知待测物理量的变化情况。
由外界应力引起的FBG轴向应变和折射率变化造成FBG中心反射波长的漂移为:
通过设置温度补偿片,使得应力和温度引起的FBG反射波长变化相互独立,当应变和温度同时发生变化时,通过获知FBG反射波长漂移量即可获得应变和温度的变化数据。
2 结构试验设计与方法
本次试验将隧道弧形管片实物用于破坏性结构试验。试验中采用一台最大加载能力为1 000kN ,配有荷载传感器及跨中位移传感器的大型管片结构力学性能液压试验机用于结构加载和测试。
试验用混凝土管片强度等级为C55 ,宽1.0 m ,内径2.75 m ,外径3.10 m ,管片与试验机的连接方式是一端固接,一端铰接,加载方式为跨中集中加载。由于结构试验形式有些类似于三点弯曲抗折试验,其应变方向主要为管片长度方向,故应变片与FBG传感器皆沿管片长度方向布置。通过对该管片结构试验的力学分析,可以知道随着荷载的不断增大,管片跨中内表面混凝土的应力将首先达到抗拉极限,导致开裂,随着裂缝向外表面不断发展最终贯穿整个截面,同时,管片跨中靠近外表面的混凝土应力和管片1P4L ( L 为管片弧长度) 截面的混凝土应力将出现明显的反弯点,即会出现拉压应力转换。本次试验既是为了测试FBG传感器的性能,也是为了测试管片关键部位的应变值,同时考虑到跨中内表面将会有裂缝出现以及加载部位的限制,因此试验中采用的FBG传感器为4 个一次性表面粘贴式FBG应变传感器,该4 个FBG 应变传感器和1 个FBG温度补偿器都布置于同一个管片上,FBG传感器布置方向与管片长度方向一致,分别粘贴在混凝土管片内表面的1P4L 和3P8L 处。同时,为了方便与应变片相互对比,在每个FBG传感器测试点相同部位都布置一个120 Ω 的电阻应变片,压力试验机和结构试验示意图如图2 所示。
3 结构试验数据分析
本次试验采用分级加载直至达到管片的极限承载力,由于试验机加载能力的限制,因此只加载至800 kN。加载过程中,由FBG调制解调仪和应变仪分别连续记录FBG波长位移和应变片应变值。通过波长转换,得出FBG传感器的应变值,并与应变片应变值比较,结果如图3 所示。
从图3a) 可以看出,FBG应变传感器和电阻应变片的测试结果基本相同。在测试开始的时候,两者测试值比较相近,随着荷载逐渐增大(200～400kN) ,两条曲线的应变值相差较大( < 40με) ,这可能是因为压力机在施加荷载的时候沿跨中轴线分布并不均匀,导致对称位置的混凝土应力有所差别,但随着荷载逐渐增大并出现应变拐点后,应变值基本趋于一致。
从图3b) 可以看出,FBG应变传感器和电阻应变片在测试开始的时候,两条曲线的应变值相差较大,应变拐点相差十几με,但由于整个测试过程中应变变化范围较小,应变差仍在允许范围之内,而随着荷载逐渐增大,应变值逐渐趋于一致。
由隧道管片结构试验结果可知,FBG应变传感器与应变片测试结果吻合良好,微应变差距基本在50με以内。
4 结论
(1) FBG应变传感器十分敏感,其测试值与电阻应变片的测试结果吻合良好,应变差小于50με。
(2) 试验方法切实可行,FBG传感器可应用于隧道混凝土管片的安全性监测。
(3) 作为一种新型安全性监测技术手段, FBG传感器在地铁隧道的安全性监测方面将具有广阔的工程应用前景。