光频域反射仪

分类: 博客Blogs 发布日期: 2025-09-15

光频域反射仪 (OFDR) 基于 瑞利背向散射进行工作,典型的 OFDR 光纤传感器 的基本配置 如图所示 如图 12 所示。来自扫频波长激光源的连续波 (CW) 光,其频率随时间线性变化,经 3 dB 耦合器分成两束:一束进入传感光纤,另一束进入参考光纤 [22,81] 由于杂质和不均匀性的存在,在光纤中传播的光束将沿光纤长度方向持续产生瑞利背向散射。瑞利背向散射光在耦合器处与参考光束混合,并由光子探测器检测。检测到的反射光是拍频的函数
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f b = γ τ = γ 2 n z c

在哪里 n是光纤 折射率z 是距光纤入射端的距离, c 是真空中的光速, γ 表示频率扫描率,定义为 γ=Δf/ 其中Δf 扫描跨度, ts 扫描时间。从公式(10) 可以看出 ,通过检测到的拍频可以轻松定位光纤沿线任意一点的背向散射光的位置。

传感光纤中的瑞利背向散射受应变、温度等外界参数的影响,均会引起瑞利背向散射光谱的偏移,表示为 [82]


Δλλ=TΔT+εΔε



在哪里 λ 信号波长,Δλ 是背向散射光谱偏移, CT Cε 分别为温度和应变系数,Δ T 是温度变化,Δ ε是应变变化。因此,可以通过 测量传感光纤沿线不同位置的瑞利背向散射光谱频率偏移来检测应变和/或温度分布


OFDR光纤腐蚀传感器

OFDR光纤传感器是 钢筋 腐蚀监测的理想选择,因为它与其他光纤传感器相比具有更高的监测范围和空间分辨率。OFDR光纤传感器的腐蚀监测基于测量腐蚀引起的体积膨胀或混凝土表面开裂。Magne等人。[42] 在钢筋上切割出一个凹槽,然后周期性地将一根OFDR光纤用环氧树脂粘合在凹槽内,用于钢筋的腐蚀监测。如图 a所示,OFDR光纤在钢筋凹槽内的这种周期性布置旨在同时 监测未粘结部分的腐蚀和粘结部分的应力。钢筋腐蚀会导致体积膨胀,从而对未粘结光纤施加压力,这种压力可以被光学仪器捕捉到。 13a


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与直接测量钢筋腐蚀引起的体积膨胀不同,可以通过测量腐蚀后钢筋的应力或应变集中来间接监测腐蚀引起的 结构损坏。 Davis 等人使用 氰基丙烯酸酯粘合剂沿钢筋长度安装了尼龙和 聚酰亚胺涂层纤维,以监测腐蚀对混凝土和钢筋之间粘结的影响,如b 所示。该 FOS 系统还能够通过识别应变峰值来定位混凝土中视觉上隐藏的 点蚀位置。然而,如果事先不知道点蚀位置,就很难隔离点蚀的影响,正如作者指出的那样,使用 OFDR 光纤来监测和定位腐蚀引起的砂浆表面开裂的萌生和扩展,方法是将 OFDR 光纤用环氧树脂直接包裹和固定在增强砂浆圆柱体的表面上,如图所示 [35,83] 13b所示。该 FOS 系统还可以通过识别应变峰值来定位混凝土中视觉上隐藏的点蚀位置。然而,正如作者[35] 。最近,Tang 等人 [45,84]如图 13c 所示。讨论了光纤绕包间距对灵敏度、监测范围和使用寿命的影响。


OFDR光纤腐蚀传感器的性能

Magne 等[42] 提出的周期性粘结在钢筋表面的 OFDR 腐蚀传感器( 如图 13a 所示 如图 13b 所示)的空间分辨率为 20 mm。 a取决于未粘结光纤段的紧密度和光纤与钢筋的距离。根据传感器设计的配置和腐蚀监测原理,可以推断出腐蚀监测的空间分辨率实际上是未粘结光纤段的长度。监测范围取决于OFDR仪器的解调能力和对光纤施加压力的腐蚀产物的性质。使用寿命取决于钢筋的腐蚀速率和环氧胶粘剂的长期性能。关于完全嵌入或沿钢筋长度连接的OFDR分布式光纤腐蚀传感器,如Davis等人所研究的,如图所示[35]。腐蚀监测灵敏度主要取决于钢筋通过环氧层到光纤的应变传递率,并受环氧树脂的力学性能以及钢筋与环氧树脂界面、环氧树脂与光纤界面两个界面的界面粘结强度的影响监测范围  取决于光学仪器能够解调的最大应变。使用寿命取决于钢筋的腐蚀速率,并受环氧胶粘剂的长期性能的影响。

Tang 等人研究的 OFDR 光纤腐蚀传感器。 [45,84]实际上是一种裂缝传感器,更具体地说是一种用于监测腐蚀引起的混凝土开裂的光纤传感器。讨论了灵敏度、空间分辨率、监测范围和使用寿命。灵敏度取决于纤维缠绕间距、环氧树脂的厚度和力学性能、环氧树脂与砂浆之间的界面性能以及纤维涂层的性能。空间分辨率是纤维缠绕间距,受砂浆试件的直径限制。使用寿命取决于环氧树脂的质量和耐久性、仪器的容量、钢筋的直径和腐蚀速率、纤维缠绕间距以及砂浆保护层的厚度和性能[45]


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