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裂纹检测光纤传感器讲解

光纤传感器讨论课

题目：

裂纹检测光纤传感器

学号：

1*********

姓名：

冯亚博

裂纹检测光纤传感器

关键字：

光纤光栅、裂纹检测、损伤检测、结构健康

摘要：

如今，光纤传感器在各行各业的应用非常广泛。

用于裂缝检测的光纤传感器主要有光纤光栅传感器和分布式光纤传感器。

裂纹检测更广义的说是结构健康检测、损伤检测。

裂纹检测光纤传感器主要用于钢筋混凝土结构的稳定性，在桥梁、建筑物、隧道、公路等的结构健康及稳定性方面有广泛的应用，也可用于检测沥青路面的裂缝检测。

在航空航天工业中，光纤光纤传感器有着重要应用，在先进复合材料制造的航空航天器中，很容易埋入光纤传感器，实现飞行器运行过程中的性能检测。

在石油采矿设施的检测方面也有应用。

总的来说，分布式光纤传感器在裂纹检测中可以实现全方位、时空性、持久性的检测，具有很大的应用前景，但是目前仍处于研究探索阶段，还有很多问题没有解决。

一．光纤传感器及基本理论

1.光纤传感器用于裂纹检测的发展简史：

1989年，美国布朗大学的Mendez等人提出了把光纤传感器用于混凝土结构的检测。

之后，很多国家的大量研究人员对光纤传感器在土木工程中的应用做了大量研究工作。

传感器可外加于结构表面或嵌入混凝土结构中，从而实现对结构的实时检测。

1993年，加拿大Calgary附近的BdddingtonTrail大桥是世界上最早使用光纤传感器进行测量的桥梁之一，使用了贴在预应力混凝土支撑的钢增强杆和碳纤维复合材料筋上的16个光纤光栅传感器，对桥梁结构进行长期监测。

我国于2004年2月建成了云南省第一座光纤传感器监测隧道。

2.光纤传感器的优点：

（1）光纤传感器以二氧化硅作为纤芯材料，光信号作为载体，具有抗电磁干扰、防雷击、防水及耐高温等特点，相比金属传感器具有更好的耐久性；

（2）光纤传感器体积小、重量较轻、便于铺设；

（3）由于光纤传感器集传感与传输于一体，还可对大型建筑物实施长距离、全方位检测；

（4）分布式光纤传感器除具有上述优点外，还可以准确测出光纤沿线个点的应变、温度、损伤等信息。

3.传统的裂缝检测技术：

目测法、裂缝测宽仪检测、超声波检测、声发射检测、摄影检测法、利用卡尔逊式或弦式测缝计检测等。

目测法是检测者用双眼观察被测物体是否存在裂缝，这种方法耗时长，工作量大，受人为因素影响大，且当被测物体出入危险环境中时，无法使用目测法。

裂缝检测仪检测是巡视人员手持检测仪对物体进行测量，这种方法能达到较高精度，但需要知道裂缝位置。

超声波法是目前应用最为广泛的无损检测技术，但由于超声波检测需要布设测点，测点不能全面覆盖被测结构，所以很容易发生漏检现象。

声发射方法是通过分析被测物体中声发射仪所获得的各种参数来判断材料内部的损伤结构，这种方法对正在发生的裂缝进行定位、测宽，但不能随已发生的裂缝进行检测。

摄影检测法是通过照相机、红外摄像及放射线等对被测结构表面裂缝状况进行检测。

传感仪器检测是利用埋在混凝土内部的仪器来检测裂缝，主要采用卡尔逊式、弦式侧缝仪，这种方法可对混凝土变形及裂缝进行长期检测，但属于点式检测，容易发生漏测。

缺点：

属于点式测量或人工测量，不能全面反应结构物的裂缝信息，容易发生漏测；需要人工现场实测，耗时耗力，无法实现实时在线分布式测量。

优点：

测量结果能够达到较好的精度。

4.分布式裂缝检测技术原理：

目前针对裂缝检测的分布式传感技术主要分为基于Bragg光纤的分布式传感技术、基于OTDR（光时域反射技术）的分布式传感技术和基于PPP-BOTDA（布里渊光时域分析）的分布式传感技术。

这些技术已经得到了广泛的关注和研究，但仍处于试验阶段还不成熟。

（1）基于Bragg光纤的分布式传感技术：

通过波分、时分复用技术，将一条光纤内的多个不同波长的传感器的信号传输至解调机制。

当一束中心波长为λb的光谱光，被光栅反射回一单色光，相当于一个宽带的反射镜。

反射光中心波长由下时确定:

---------Bragg波长

--------纤芯的有效折射率

--------光栅间隔或调制周期

环境温度、应力的变化会引起光纤光栅的周期和纤芯折射率，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得相应的温度和应变信息。

光纤光栅可以在一根光纤中写入多个光栅，从而实现分布式传感，并且光纤光栅传感器的信息载体是波长，因此，不受光源光强振动、光纤连接及耦合损耗以及光偏振态等因素的影响，抗干扰能力强。

（2）基于OTDR的分布式传感技术：

利用OTDA探测沿光纤长度上的光损耗变化来获取裂缝的空间位置变化。

如右图为原理图。

将光纤设于混凝土结构上，当混凝土未发生裂缝时，光纤衰减曲线沿长度方向为线性变化。

混凝土发生裂缝后，裂缝处光纤会发生局部弯曲，引起局部损耗增大，局部损耗造成光纤衰减曲线发生突降，裂缝宽度可由损耗大小来确实，裂缝位置可由雷达原理加以定位。

（3）基于PPP-BOTDA的分布式传感技术：

原理如右图。

在光纤两端分别将一束脉冲光与连续光注入传感器，当脉冲光与探测光的频差与光纤中的某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会发生布里渊放大效应，两束光相互之间发生能量转移并达到最大。

连续调谐脉冲光和探测光的频差并实时比较和检测出连续光最大光强所对应的频率差，就可确定光纤各段的频移。

光线中的布里渊频移与光纤所处的温度和承受的轴向应变呈线性关系，由下式给出：

式中

——布里渊频移变化量

——布里渊温度系数

温度变化量

——布里渊频移应变系数

——应变变化量

为获取被测光纤沿线的温度和应变分布情况，必须对沿光纤分布的珀布里渊散射光信号频率进行空间定位，因此在布里渊光纤传感中引入光时域反射计（OTDR）技术进行定位，如下式：

——散射点至脉冲光输入端距离

——真空中光速

——OTDR发出脉冲光与接收到的后向布里渊散射光时间差

——光纤折射率

布里渊散射：

光在光纤传播过程中，因材料的不均匀性导致的电致伸缩效应使产生的声波在光纤中传播时与光波相互作用相互激发的光散射过程。

FBG分布式传感技术属于准分布式传感技术，能够实现对温度、应变和裂缝的检测，但当检测裂缝时容易造成漏检，且造价高；基于OTDA的分布式光纤传感技术不能检测应变和温度，在不知道裂缝位置的情况下能够实现全分布式裂缝检测，由于动态范围的影响，裂缝检测数量较少；基于PPP-BOTDA的分布式传感技术能够实现应变，温度及裂缝高精度全分布式检测，由于动态范围大，能够实现大规模、多裂缝土木结构的裂缝检测。

二．光纤传感器的布设

将分布式光纤应用于实际工程前，需考虑传感光纤的存货问题，如不对裸光纤进行合理的封装和保护则难以获得理想的检测数据。

主要有表面粘贴和埋入混凝土内部两类方式。

1.表面粘接

一些试验中的做法如下：

在混凝土表面布设紧包光纤，粘贴时注意光纤的松弛状态，先用502胶沿光纤所在位置初步固定，然后在光纤表面涂覆J39胶，同时用透明脚步盖在胶层表面，则可以保证涂胶厚度一致，充分发挥胶的应变传递效应。

光纤弯折处曲率半径不能太小，交叉处上面的光纤必须保持松弛状态。

实物图如下：

然而，结构在碳化、冻融破坏、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀等作用下，往往出现表面混凝土脱落等现象，传感光纤也容易受到外界环境如机械车辆、设备安装的损坏。

将传感光纤埋入钢筋混凝土梁内部，不仅可以获得更加详细的结构应变场，更是保证了结构应变检测长期稳定性。

2.埋入内部

（1）采用环氧树脂将光纤粘结在钢筋表面然后浇筑混凝土。

先将光纤微微拉直，使用禹王502胶水每个0.5m局部定位固定，再刷涂含有环氧树脂和固化剂的混合胶（质量比100:

34.5），24小时固化剂固化后再在钢筋上缠绕浸润过J39AB胶的布条，使钢筋上所有光纤都处于布条的保护之中，防止混凝土浇筑振捣过程中破坏光纤。

然后浇筑混凝土。

（2）将光纤埋入玻璃纤维筋或将传感光纤加工成复合筋埋入钢筋混凝土梁内部。

加拿大的Kalamkarov等人提出将光纤在加工过程中埋入FRP筋内部，并对这种含有光纤传感器的FRP筋进行了传感特性、疲劳特性、抗腐蚀特性等的初步研究；瑞士的Smartech公司基于加强型热塑性合成带和塑料棒封装光纤分别研制开发出SMARTape和SMARTcord传感光纤，并应用于混凝土裂缝、温度监测以及油气泄露监测等领域，但是其成本较高，很难大规模推广应用；Bastianini也基于FRP材料采用编织工艺研制FRP带，对桥梁结构进行长期应变监测；欧进萍和周智等人采用GFRP、CFRP及低模量的新型聚丙烯基FRP封装光纤，该封装光纤在实际工程应用中很好的保护了光纤。

以上研究取得了良好的成果和工程推广价值。

FRP筋是有多股连续纤维（如玻璃纤维，碳纤维等）通过基地材料（如聚酰胺树脂，聚乙烯树脂，环氧树脂等）进行胶合后，经特制的模具挤压并拉拔成型的。

具有质量轻、抗拉能力强、耐腐蚀性强、材料结合力强、透磁波性能强等优点。

如右图为FRP封装的光纤。

（3）气吹-灌浆技术：

通过结构内部预埋微管，结构主体施工完成后利用气吹-灌浆技术机械化敷设传感光纤，可保证传感光纤不收外界环境破坏。

该技术适合长距离光纤的铺设，一次性气吹-灌浆距离可达500m以上。

气吹敷设传感光纤是利用机械推进器吧带保护层的光纤推进微管，同时空气压缩机把强大的气流通过密封仓送入微管中。

当压缩空气进入微管以后，光纤能借助空气动力悬浮在管内，并随空气涡流作用向前飘行，因此，光纤在微管中是被空气流推动前进的而不是被拉

进微管，需要用到气吹机和空气压缩机。

试验中，若微管连接采用气动接头时，经特殊设计的3mm紧套光纤能顺利通过气吹机，一次性气吹长度达到300m，且平均速度达30km/h，可满足现场施工要求。

真空灌浆固定传感器是利用高压灌浆机和真空泵将特殊配合比的水泥净浆灌入微管，水泥浆硬化后固定传感光纤。

一直处于工作状态的真空泵使微管内空气、水分及灌桨料中气泡被消除，同时在微管两端正负压力差作用下，提高了浆体的饱满度和密实度。

整个灌浆过程连续、迅速，缩短了敷设光纤传感器的施工时间。

为不影响测试长度，为尽量保证传感

光纤的完整性。

通过在灌浆口、出浆口设置三通接头，其中两个通道用于构架光纤线路，另一个通道用于灌浆或者出浆，该设置可保证光纤线路的一致性，其结构如右图。

这种接头可保证300m的灌浆长度，整个灌浆过程5分钟完成。

微管采用内径12mm、外径16mm的1216型铝塑复合管，塑料层可阻止有害离子进入，保证传感光纤耐久性，而铝层可提供一定的硬度，抵抗浇筑机械力。

实验过程中，将铝塑复合管每隔10m和5m截断，各管之间通过1m左右铝塑复合管对接。

该技术由浙江大学结构研究所于2005年提出，并将其成功应用于海底管道的健康监测中。

基于BOTDA的组合桥梁面板裂纹检测技术的研究

（BOTDA：

基于布里渊时域放大技术的分布式光纤传感器）

图1

图2

图3

图4

三．应用实例

1.基于BOTDA的组合梁桥面板裂缝监测技术

（BOTDA：

基于布里渊放大的光纤传感器）

组合桥面具有轻质、施工方便的特点，是一个具有广阔应用前景的前面体系，然而桥面的耐久性是一个难以解决的问题，桥面在交通负荷和温度的影响下很容易产生裂缝，因此对桥面裂缝的检测具有重要的意义。

选择基于基于布里渊时域放大的分布式光纤传感器对桥面板裂缝检测具有可行性和适用性。

实验阶段一：

如图用2米长的混凝土试件，光纤在试件内分布如图所示。

加载负荷，第一次加7KN，此后每升4KN对各类传感器进行读数，实时记录各级负荷下的裂纹进程，根据裂纹先后顺序进行编号，直至负载破坏。

如图为不同空间分辨率时的布里渊频率空间分布曲线，5cm的空间分辨率测得的布里渊频率曲线明显的看出裂纹处布里渊频率发生突变，可以对裂纹的空间外置进行较为准确的定位，其他分辨率上测得的曲线不明显，所以，采用5cm的空间分辨率通过对光纤的分布式测量，可以发现裂缝处光纤应变的突变，也可以对裂缝位置进行定位，在后续的试验中采用5cm分辨率。

如图为应变曲线对应峰值处为裂纹。

实验阶段二：

桥面板缩尺模型裂缝检测试验：

主要步骤有，钢筋混凝土桥面板设计；桥面板模型加载有限元分析，可以得到桥面板上表面拉应变主要分布在桥梁交界面，下表面拉应变主要分布在板的中部，裂缝也应主要出现在这些地方，因此分布式感测光缆重点再次布设；传感器测点布设，左图为上表面分布式感测光缆与应变片位置图；试验加载载荷与监测定位，实际操作中，用加热器对光缆某一位置加热，相应位置出现温度升高，通过光纳仪测得温度数据，在温度-位置可看到明显突起，即已经实现了定位，加载开始后，第一级加载50kN此后每升50kN记载个传感器度数；实验结果及分析。

右图为分布式传感器测得的裂缝位置与实际位置的对比，可以发现裂缝处空间定位精度很高，最大误差为5cm.桥面板模型的裂缝检测结果表明，分布式光纤传感器对应变的检测可以实现结构裂缝的检测。

由于受光纤滑移、仪器空间分辨率以及光纤与裂缝夹角的影响，通过应变测量值来识别裂缝宽度还具有较大的难度。

实验阶段三：

宁波清水浦大桥桥面板裂缝检测：

考虑桥面板可能产生的位置，并提高光纤传输回路的可靠性，将清水浦大桥桥面板裂缝检测光纤分离为11个回路，这样不至于一个端点导致整个桥面监测系统失效。

回路如下图所示：

监测数据的分析：

对宁波清水浦大桥的桥面板裂缝监测系统进行三次采样，将桥梁通车后的两侧测量结果分别于未通车时的测量结果取差值，获取桥面板各处应变值的该变量。

通过数据处理和分析，基本可以判断桥面板未发生裂缝，且通过各光纤实测结果，很好地识别出了混凝土面板容易开裂位置。

采用BOTDA技术对裂缝进行监测，应变曲线峰值出现位置与钢筋混凝土开裂位置具有很好的对应性，而且能同时监测多条裂缝。

可以实现对0.02mm-0.6mm宽度范围的裂缝的位置监测，定位精度达到厘米级。

试验确定了分布式光纤的灵敏度系数，可以识别桥面容易开裂的高应变位置。

2.光纤在沥青路面裂缝监测中的应用

当前，路面工程发展迅速，沥青路面成为现阶段主要形式。

但是，沥青路面使用寿命低，尤其是裂缝的产生和不断扩展，严重降低了路面的整体性能。

主要从路面结构、路面材料、路面设计三个方面提出针对性措施，但效果不是很理想。

一个新理念从国外引入国内，即路面的防御性养护，预先对路面裂缝或即将产生的裂缝进行处理。

这无疑需要对沥青路面进行监控和检测。

光纤传感器质轻、抗拉、耐恶劣环境等特点，则可以发挥其特有的优势。

选用光纤光栅传感器，光栅的反射光光谱的中心波长

主要取决于光栅折射率的调制周期

和有效折射率n。

光纤的中心波长随温度及应变的变化而变化，因此可由拉、应力栅波长分布图中的波峰确定裂缝的准确位置。

分布式光纤传感器虽然具有较高的精度，但是布设繁琐造价昂贵对于道路而言不太实用。

因此选用实用、布设简单、价格便宜的点式光纤传感器。

点式光纤传感器自身尺寸比结构构件小得多，如图测量应变的电阻应变片一样。

光纤传感器的无损掩埋：

沥青和水泥混凝土一样集料粗糙，在铺设路面时要经过碾压，会破坏传感器。

为此，相应的解决方案是，在光纤上套金属导管，光纤与金属导管一同埋入沥青混凝土中，经过压实后，将导管取出；在光纤表面涂有保护层，防止集料对它的损坏。

沥青混凝土最大的特性在于其高温施工、且经过四季温度影响，这给传感器的检测与结果带来了问题。

所以，在材料方面，要求光纤具有抗高低温性；其次，对温度敏感性进行室内修正，测试不同温度下的脉冲曲线图，根据实验数据产生最小二乘进行回归，得到温度对检测结果的修正公式，应用于实际的测量中。

由于道路工程师长期跟踪的一项工程，需要光纤传感器具有较高的寿命。

重新布设传感器相当复杂，耗费人力和财力，形成一劳永逸的传感器检测系统是最佳的解决方案。

3.基于光纤光栅传感技术的复合材料损伤检测

（1）复合材料相比金属材料，具有抗疲劳、强度质量比更好、重量更轻、实用寿命更长的特点，广泛应用于制造重大工程结构和装备，特别是航空航天上的应用。

但复合材料在服役期间，在收到拉力、冲击和疲劳等载荷时，极易发生损伤和破坏，若不及时发现并采取相应的措施会引起灾难性的后果。

1979年，美国航空航天局将光纤传感器埋入复合材料内部，对其应变和温度进行检测，这是光纤传感器最早的应用。

（2）布拉格光纤光栅传感原理：

满足上式条件波长的光会被光栅反射，反射率高达99%以上，但是其他波长的光在经过光纤光栅不会有显著衰减，实际上光栅的作用类似一个窄带滤波器。

当光栅周围温度、应变、应力或其他待测物理量发生变化时，光栅周期或纤芯会发生变化，从而产生布拉格波长位移。

光源发出的宽带光经光纤传到被测点，光纤布拉格光栅反射回一窄带光，经光分路器传送到波长鉴定器或波长解调仪，然后经过光电转换，当窄带光中心波长发生突变时，表明给出温度或应变突变，可能存在裂缝有即将产生裂缝。

（3）光纤光栅检测复合材料原理：

复合材料板在声波的作用下产生应变效应、光弹效应及泊松效应，复合材料在损伤前后所产生的这些效应会不同。

将光纤光栅分布式地贴于复合材料板上，声波传感器有信号发生器主动发出声波信号，作用于复合材料板。

此时，产生应变效应、光弹效应及泊松效应，使光纤光栅的有效折射率和光栅周期发生变化，从而改变反射波的波长，得到声波在复合材料板上的传播信息。

通过对比损伤前后的声波在板上传播信号可以得到复合材料板的损伤情况。

4.基于布里渊光纤传感技术的隧道冲击损伤检测

南京大学的施斌等人曾利用BOTDR技术把康宁900m紧套单模光纤以不同的铺设方式粘贴在南京鼓楼隧道里，用以监测隧道内环境因素如温差和振动对结构正常使用状态的影响。

浙江大学的金伟良教授利用BOTDR技术对模拟隧道结构的6mm长钢管外包混凝土模型进行了有效的监测，验证了长距离分布式光纤应变传感系统的有效性。

随着我国轨道交通建设的飞速发展，这一技术正在被广泛地应用于实践。

5.布里渊传感技术在抽油井套管检测中的应用

抽油井套管的寿命是决定油气井寿命的重要因素之一，套管一旦损坏或产生裂缝，将导致油气串层、天然气泄漏等问题。

目前，抽油井套损检查技术大多属于被动检查套损，基本上停留在检测水平上，不能提前对套损预警，即只有发生宏观机械变形或破损才能检测到相关信息，主要包括井径系列、磁测井系列、井电视成像测井系列和MIT－MTT组合套损检查技术等方法。

布里渊传感监测技术可实现对套管长期、实时监测有效性。

光纤传感器在油井套管内的布设工艺。

实验研究中如下在井嫩II段以上的非油层区域套管表面布设长818m布里渊传感器，在井嫩II段以上的非油层区域套管表面布设长为838m的布里渊传感器对该区域进行全分布式应变监测，同时为了对比布里渊光纤传感器应变测试的有效性以及对最易发生套损位置进行局部高精度监测，在井套管上距地表面833米易发生套损的套管上沿周向间隔90度角布设了4个高精度的光纤光栅应变传感器和一个温度补偿传感器T-FBG，布设位置如上图所示，其中布里渊光纤传感器的方位与FBG3对应。

6.分布式光纤传感器在重力坝安全监测中的应用

（1）混凝土重力坝的裂缝是坝体安全的一大隐患,因此混凝土的裂缝监测是混凝土重力坝健康监测的重点。

传统的监测系统存在很大的局限,对坝体不能实现时空上的连续监测。

分布式光纤传感器可以很好地解决这一问题。

由于混凝土重力坝的体积巨大,不可能在大坝中全坝体的布置,因此如何合理的选择光纤传感器的布控位置成为其应用中重点需要解决的问题另外鉴于分布式光纤传感器裂缝监测的机理,在使用的同时还需要为其选择合理的网络布控形式。

（2）传感器的选取：

由于FBG主要是利用光栅的波长漂移来测量裂缝和变形的大小,因此在测量裂缝的精度上比起通过利用光的时域反射技术的分布式光纤传感器要精确许多,也更容易实现,但是由于光栅制作的费用和复杂性,同时由于它的复用能力,不可能在一条长的光纤上全段布置光纤布拉格光栅,这就一定程度上限制了它的空间连续性。

OTDR的突出之处在于对空间结构裂缝的定位上,依靠光强度的变化,可以准确的确定裂缝在结构上的位置。

由于大坝的裂缝产生的特点,我们希望的是能实时的掌握裂缝发生的情况,重点是确定裂缝产生的位置，所以OTDR分布式光纤传感器是首选。

（3）传感器的布设：

通过重力坝应变力分析，可以得出在坝踵位置沿坝高方向约0.1到0.15倍坝高的一个区域和坝址位置沿坝高约倍坝高的一个区域内是两个比较危险区域。

裂缝监测时要主要针对这些区域。

传感网络的要求如下：

布置的网络必须能覆盖所要监控的范围,也即作为坝体的危险区域,必须处在光纤传感器的包围之中。

在所监控的区域内如果发生裂缝,裂缝要尽量与光纤相交,但是要避免正交。

虽然光纤传感器的复用能力很强,但是也不能无限制的使用,在能保证上两条的前提下,尽量减小光纤的长度。

如右图为三种可算的样式，综合分析，样式二满足基本要求。

如右图。

（4）该技术在一些大型水利工程中得到了验证。

最典型的是三峡工程中的应用。

1997年在三峡临时船闸进行现场实验中埋设了平面传感网络的分布式光纤传感器，包含如右图所示的两组平行交叉的传感光纤。

由于三峡工程中是在施工过程中在大坝浇筑层面上铺设的传感器,在不同的层面上都布置了传感网络,因此可以得到一个空间的立体式的传感系统。

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