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混凝土结构的分布式光纤形状传感
分类： 博客Blogs 发布日期： 2025-09-18
近几十年来，由于全球建筑量快速增长、基础设施老化以及结构使用寿命延长，土木工程结构健康监测 (CSHM) 变得越来越重要。分布式光纤传感 (DFOS) 可以持续评估已安装传感光纤上的应变和温度分布，并广泛应用于混凝土结构测试，以检测和量化裂缝等局部缺陷。然而，与曲率和弯曲行为的关系大多被忽略。本文全面研究了用于混凝土结构分布式光纤形状传感的不同方法。在混凝土梁和实物尺寸隧道衬砌管片的载荷试验中，测试了不同的 DFOS 传感器和安装技术，其中使用全分布式传感单元和光纤布拉格光栅检测器对安装进行检测。结果指出不同传感系统的能力之间存在显著差异，但表明如果根据 CSHM 应用进行适当设计，DFOS 可以实现高度可靠的混凝土结构形状传感。
1. 动机
全球范围内，基础设施老化和建筑量快速增长给土木工程结构带来了严峻挑战。因此，合理的设计和施工对于确保施工安全和可靠运行至关重要。在此背景下，结构健康监测 (SHM) 成为分析结构完整性和预测维护工作未来行为的有效方法。传感器的合理选择和放置是开发经济高效且最终成功的 SHM 方法的关键因素之一。传统方法种类繁多，包括光电传感器、机电传感器、声发射、光纤、遥感、成像技术以及振动测量 [ 1 ]。
近年来，分布式光纤传感 (DFOS) 取得了显著发展，可用于监测大型民用基础设施，例如桥梁 [ 2 , 3 , 4 , 5 ]、高层建筑 [ 6 ]、加筋土结构 [ 7 ]、管道 [ 8 , 9 ] 或隧道 [ 10 , 11 , 12 , 13 ]。该技术能够以高精度和高空间分辨率在数公里范围内进行分布式、连续的应变和温度测量，传感光纤可直接嵌入结构内部。除了检测裂缝或泄漏等损坏和故障外，变形随时间的变化还可用于基于状态的维护。
特别是在混凝土工程中，识别和定位局部缺陷对于评估结构的完整性至关重要。与传统嵌入式传感器相比，DFOS 具有优势，因为可以连续评估整体结构行为，而传感点之间没有任何间隙。文献中已有大量关于使用 DFOS 沿混凝土梁结构进行裂缝检测和定位的实验室研究。这些研究讨论了不同的传感器安装技术，例如使用各种传感光纤 [ 14 ] 和粘合剂 [ 15 ] 沿梁表面粘合、在混凝土内部安装电缆 [ 16 ] 或沿钢筋粘合在凹槽中 [ 17 ]。由此产生的 DFOS 应变曲线可用于校准已开发的应变传递模型 [ 18 , 19 ]，推导出沿结构的有效裂缝宽度 [ 20 , 21 ] 或为 SHM 应用建立警报级别 [ 22 ]。
2.土木工程中的分布式光纤传感
分布式和准分布式光纤传感器因其能够从结构内部提供高分辨率测量，在结构和岩土工程应用中越来越受欢迎。然而，为了确保测量结果的质量，必须对光纤解调单元、传感电缆或光纤光栅传感器以及安装技术进行适当的调整。
2.1. 传感原理
光纤传感器在过去几十年中已在多个科学领域得到应用。在土木工程应用中，常用的传感器类型可分为：(i) 全分布式传感器；(ii) 准分布式 FBG 传感器 [ 27 ]；以及 (iii) 点状干涉传感器（参见 SOFO 传感器 [ 28 ]）。由于本文重点关注分布式应用，后两者将不再赘述。
全分布式光纤传感系统利用光信号在传感光纤中前向传播时的自然散射（图 1a）。这些强度损失中有一小部分是背向散射效应，其光谱特性携带有关几何、物理或化学量的信息。背向散射光谱可分为线性（瑞利）散射和非线性（布里渊和拉曼）散射，见图1b。拉曼系统仅对温度敏感，而瑞利和布里渊仪器对应变和温度变化都敏感 [ 29 ]。然而，它们在空间分辨率、重复性和测量持续时间方面的能力存在显著差异，如表 1所列。必须强调的是，这些指示的规格是通用值，会根据制造商、DFOS 电缆和传感参数而变化。
基于光频域反射仪 (OFDR) 技术的瑞利散射可以实现具有高空间分辨率和测量精度的单端测量，但这些测量受到传感范围的限制。布里渊传感单元能够进行长距离测量，但这会导致空间限制，并且通常会导致测量时间延长几分钟。这种传感技术必须进一步分为使用环路设置（布里渊光时间/频域分析仪）或单端配置（布里渊光时间/频域反射仪）的系统，这从本质上限制了测量的可重复性。因此，选择合适的 DFOS 技术始终涉及传感范围、空间分辨率和应变传感精度之间的权衡，必须根据实际土木工程应用的要求进行适当调整。
2.2. DFOS 电缆
在民用基础设施沿线或内部进行传感，对传感器来说通常意味着恶劣的环境。因此，对敏感元件进行适当的保护，并将应力从结构可靠地传递到传感器，对于实现成功的监测方法至关重要。光纤通常具有传感优势，因为它们重量轻、柔韧，并且易于连接到结构上。然而，玻璃材料本身易碎，可能更容易受到潜在损坏，因此必须根据土木工程应用情况，使用额外的保护层来保护传感光纤。
商业供应商提供各种具有不同设置的 DFOS 电缆，专为不同领域的特定应用而设计。图 2 a–d 展示了 Solifos AG（瑞士）生产的一系列应变传感电缆，这些电缆专为结构和岩土工程传感而开发。这些电缆通过金属管、聚酰胺护套甚至特殊钢铠装来保护光纤，以确保传感器在安装和监测过程中的完整性。所有电缆层都互锁，以便将机械应变可靠地传输到敏感的玻璃纤维芯。电缆的外护套可以构造成保证与周围材料（例如灌浆或混凝土）牢固结合。有关电缆设计的更多信息可从相应的数据表中收集，例如参见 [ 40,41 ]。带有保护层的 DFOS 电缆可能不够灵活，无法用于表面应用，尤其是在电缆布线紧密的情况下。紧缓冲光纤（图 2e）通常用于电信行业（例如，参见 [ 42 ]），可以克服这一限制，但由于其易碎性，在恶劣环境中的应用受到限制。
图 2. 分布式光纤传感电缆，用于混凝土结构应用
外部温度变化不仅会导致结构的热变化，还会改变光纤应变读数。因此，在实际应用中，应在应变电缆旁安装一根不受机械应变影响的传感光纤，该光纤可以嵌入在同一电缆内[ 43 ]，也可以松散地安装在另一根电缆内[ 44 ]，以补偿温度效应并评估被监测结构的实际应力行为。
新建民用基础设施的设计使用寿命通常长达 150 年 [ 45 ]。因此，混凝土结构内部或沿混凝土结构安装的分布式光纤传感器的使用寿命至关重要，因为安装后的更换需要付出巨大的努力，甚至无法实现。然而，由于缺乏长期稳定性方面的知识和标准缺失，对 DFOS 电缆的任何耐久性评估都具有挑战性。对光纤本身的研究表明，故障概率始终与施加的拉应力以及弯曲半径有关。短于 1 km 的安装长度设计为在 25 年内承受高达 800 MPa（约等于 1% 的应变）的拉应力时，成功率约为 99% [ 46 ]。在机械应变较低的情况下，这个时间范围可能会显著延长，这就是为什么康宁公司（美国马萨诸塞州萨默维尔）强调光纤没有“理论寿命”的原因 [ 47 ]。
2.3. 传感器安装技术
除了选择 DFOS 的物理组件外，传感器沿监测对象的连接方式也至关重要，以确保应变从结构传递到传感电缆。土木工程结构内部的应力行为通常取决于材料特性、荷载条件等因素。因此，不仅要将传感器放置在合适的位置，还要根据项目需求采用合适的安装技术。
对于混凝土结构，可以在结构内部以及沿表面应用。然而，监测结果（将在第 4 节和第 5 节中进一步讨论）会根据安装位置和使用的 DFOS 电缆类型而有很大差异。钢筋混凝土物体可以将传感器直接应用于结构内部，其中可以使用适当的粘合剂（图3a ）将裸光纤或微型电缆类型（参见图 2d、e）粘在钢筋表面或凹槽内，以评估钢筋应变行为。可以使用电缆扎带将更坚固的传感电缆（参见图 2a -c）连接到钢筋上（图3b），以捕获混凝土容量。加固本身还具有在铸造过程中更好地保护电缆的优势，特别是在混凝土泵送压力高的情况下。
图 3. 传感器安装技术：（a）沿钢筋应用。（b）安装在混凝土内部。（c）沿表面应用。
DFOS 表面在土木工程中的应用尤其有利于后续的仪器仪表和监测。柔性光纤（例如紧套传感光纤）可以单独引导沿表面运行，从而覆盖表面裂缝等明显区域。如图3c所示，可以使用粘合砂浆将光纤直接粘合在表面上，这也能保护光纤免受机械冲击，并在实际环境中提供更高的稳健性。
传感器安装技术不仅影响监测能力，还可能受到现场实际情况的限制。传感器的安装必须与施工过程本身相适应，并且可能因安装时间不足或通道障碍而受到限制。因此，与施工承包商进行适当的协调对于成功安装传感器至关重要。
3. 分布式光纤形状传感方法
土木工程中的混凝土结构通常会受到局部不均匀性的影响，例如夹杂物或裂缝，这些都是由施工过程本身或在操作过程中的负载造成的。因此，混凝土内部的应变传感器位置以及相应的标距长度对于数据解释至关重要，参见图4。长标距应变传感器能够捕捉结构的整体行为，但只能识别局部缺陷。沿结构的 FBG 传感器或标距较小的点传感器可以提供选定位置的局部应变行为，但缺点是可能忽略敏感元件之间的事件。DFOS 系统的分布式传感功能基本上可以实现全面、无间隙的应变行为采集和局部缺陷的定位。然而，应变传感结果很大程度上取决于传感器的位置、电缆类型或询问单元等特性.
图 4. 沿混凝土结构的形状感知（基于 [ 23 ] 中的工作）。
光纤传感器基本上沿着安装的传感器的纵轴传递应变（和温度）值。如果将两条或多条传感线以相同的几何形状按照常见的布置方式放置在结构内部（参见图4），则可以利用应变值推导出沿物体的曲率特性，该特性是由于与传感方向正交的潜在弯曲而产生的。
版权声明: 本文为博主原创文章
原文链接: https://www.mdpi.com/1424-8220/21/18/6098
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