華南理工大學土木與交通學院海外學者前沿講座第四十五期，我們邀請到來自美國勞倫斯伯克利國家實驗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知識，和分布式光纖傳感在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的應用案例。

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讀取信號，光纖光柵可以多點讀取數(shù)據(jù)，而分布式光纖傳感器可以在整個光纖上進行讀取。因此分布式光纖傳感器的優(yōu)勢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分類

光纖傳感器的原理是光在光纖中傳播時遇到不均勻介質(zhì)會被散射，一部分的散射光會返回發(fā)射點從而被發(fā)射點的分析儀接收。這些返回的光會發(fā)生相位偏移等變化，分析儀通過分析這些變化就可以分析出光纖所測量的應變、溫度、聲音等。常見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)控應變和溫度，瑞利散射則可監(jiān)控溫度，聲音和應變等變化。

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。其頻率變化與應變變化為線性關系，比較方便讀取。分布式光纖傳感器的光線分辨率是指，假設50公分的光纖被每隔5公分為一小段，對每一段上的光信號進行讀取，認為每段的應變?yōu)槠涠紊献兓木?。羅博士開發(fā)了一套布里淵傳感器，并向我們簡單介紹了采用布里淵傳感器的實際應用案例。

接著，羅博士向我們介紹到，密西西比河兩岸的堤壩會在蓄洪其可能會產(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)境適應系統(tǒng)使其能全年24小時工作。監(jiān)測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在兩個監(jiān)測點都出現(xiàn)了位移的累計增長，且水位的增長和位移的增長有較強的相關性，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上，可以對樁基礎的形變進行檢控。在一個對樁基礎加載至損壞的加載測試，應變片，光纖光柵都沒有捕捉到在加載到極值時的樁斷裂位置，而分布式光纖傳感器清晰的捕捉到了斷裂發(fā)生的位置。

另一個有趣的案例是舊金山著名的千禧大廈，因為該大廈一直在發(fā)生沉降和傾斜，進行修補時希望加入新的樁基礎。工程師希望新的樁基礎可以將應力集中轉(zhuǎn)移到樁的底部，從而不影響已經(jīng)存在的老樁。通過光纖傳感器可以監(jiān)測到，新的樁基礎可以把應力集中到樁基礎的底部。羅博士還使用分布式光纖傳感器來捕捉梁斷裂的信號，因為梁在斷裂時發(fā)出的信號與平時不同，可以被清晰的捕捉到。光纖傳感的測量范圍可以達到幾十公里，羅博士將分布式光纖傳感監(jiān)測水管的自重變形彎曲測試。將五條光纖貼至水管的側(cè)面的五個位置上，通過讀取這些位置上的數(shù)據(jù)，就可以測得任意一個截面的變形。將這些截面的變形累計就可以得到整個管子的形狀的變化。

圖4光纖傳感器在樁基礎、裂縫、水管變形監(jiān)測上的應用

最后，分布式光纖傳感不僅可以測靜態(tài)的變化，也可以監(jiān)測動態(tài)的變化。該傳感器也可以用來監(jiān)測海上風機受風的影響。在桿件的側(cè)面貼上四條光纖傳感器，通過對信號進行處理可以完全獲取桿件在振動中的形變和位移。羅博士還將光纖傳感器用于深圳的清華伯克利大學校區(qū)大樓，其可以每分鐘獲取300次數(shù)據(jù)，傳感器總長度甚至達到了44km。可以監(jiān)測新建的地鐵對現(xiàn)存的大樓是否有影響，土體的挖取是否會導致沉降。

圖5光纖傳感器在風力發(fā)電機和結(jié)構(gòu)監(jiān)測上的應用

本次講座，羅博士的分享告訴我們，在未來的基礎設施中配備先進傳感器將提升建筑設施“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短期和長期的高效監(jiān)測系統(tǒng)，用以實現(xiàn)當下“智能基礎設施”的重要目標，提高基礎設施的安全性和韌性。

文章來源多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL，作者解兵林 姚顯花 毛煒寧