光纤光栅机敏混凝土的研究

摘　要：结合光纤光栅传感技术的优点，提出了一种新型光纤光栅机敏混凝土原理，并对该原理和特性进行了分析，阐明了实现光纤光栅机敏混凝土原理和系统的关键技术和方法，并通过原理性实验得以验证。光纤光栅机敏混凝土在结构的长期状态监测和损伤诊断方面具有良好的前景。

关键词　机敏混凝土　光纤光栅　智能材料

　　混凝土作为土建结构的主体材料和保护层材料，它的机敏性在土木工程领域有着巨大的需求和应用潜力。传统的机敏混凝土从它的组成来看，其传感元件大部分都是以电学量为输出量；而孔又是混凝土微结构的重要组成之一，渗透是孔的基本特性和天然的不足，水或其它腐蚀物质进入孔内，必将对混凝土的传感元件产生破坏作用， 直接影响到传感元件的准确度、灵敏度和长期的稳定性。另一方面，上述机敏混凝土从功能分析， 其传感元件能对混凝土材料的整体状态进入定性的判断，而无法对混凝土材料内部空间复杂的应力应变状态、损伤的位置、程度、大小做出判断。因此，机敏混凝土的传感组元有待更新，从而提高混凝土材料的机敏性。

      光纤光栅传感技术是先进传感技术发展的新阶段[1～3]，其最大的特点是:对环境干扰不敏感、传感精度和灵敏度高，能进行绝对数字式的测量和精确定位，为机敏混凝土的发展提供了良好的技术手段。

1 　光纤光栅机敏混凝土的原理

1. 1 　光纤光栅传感的基本原理[4 ]

      光纤Bragg 光栅传感技术是通过对在光纤内部写入的光栅反射或透射Bragg 波长光谱的检测，实现被测结构的应变和温度量值的绝对测量， 其传感原理如图1 所示。而光纤Bragg 光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期Λ 和反向耦合模的有效折射率neff，任何使这2 个参量发生改变的物理过程都将引起光栅Bragg 波长的漂移，即有：

λB = 2 neff·ΔΛ (1)

      在所有引起光栅Bragg 波长漂移的外界因素中， 最直接的为应变参量，因为无论是对光栅进行拉伸还是压缩，都势必导致光栅周期Λ 的变化，并且光纤本身所具有弹光效应使得有效折射率neff 也随外界应力状态的变化而变化，这为采用光纤Bragg 光栅制成光纤光栅应变传感器提供了最基本的物理特性。应力应变引起光栅Bragg 波长漂移可以由下式描述：

ΔλBε=λB (1 - Pe) Δε= kεΔε (2)

式中：Pe 为光纤的弹光系数； kε 为测量应变的灵敏度，由于温度变化而引起的Bragg 波长变化量。

ΔλB T = KTΔT = (α+ξ) ΔT (3)

式中：α为FBG 的线胀系数，ξ为FBG 的热光系数。

      由式(2) 可知:基于此原理的光纤Bragg 光栅应变传感器是以光的波长为最小计量单位，而目前对光纤Bragg 光栅Bragg 波长移动的探测达到了Pm 量级的高分辨率，因而具有测量灵敏度高的特点；而且只需要探测到光纤中光栅波长分布图中波峰的准确位置，与光强无关，对光强的波动不敏感，比一般的光纤传感器具有更高的抗干扰能力。由于拉、压应力都能对其产生Bragg 波长的变化，因此该传感器在结构检测中具有优异的变形匹配特性，其动态范围大(达10000με) 、线性度好。另一方面，在应变测量中，为了克服温度对测量的影响，由公式(3) 可以看出，测量系统可采用同种温度环境下的光纤Bragg 光栅温度补偿传感器进行克服。

一根光纤上准分布的多个光纤Bragg 光栅，可通过不同光纤Bragg 光栅的反射光波长(λ1， .λn)， 与待测结构沿程各测量点(1， .n) 相对应，分别感受待测结构沿线分布各点的应力应变，使其反射光的波长发生改变，改变的反射光经传输光纤从测量现场传出；通过光纤Bragg 光栅解调器探测其波长改变量的大小，并转换成电信号，由二次仪表算出待测结构的各个测点的应力应变的大小及在整个结构的分布状态。

1. 2 　光纤光栅机敏混凝土的原理

      国内外研究和工程实践表明[1～3 ]，作为一类适用于恶劣环境(高温、高压、强化学气氛等) 和强环境干扰(风、雨、霜、电等) 应用的新型高精度应变、温度传感技术，它为具有长期稳定性和精确度的机敏混凝土的开发提供了理想的集感知和传输为一体的神经网络。

      本文提出的光纤光栅机敏混凝土的基本构成是：先将线阵、面阵或体阵的光纤光栅阵列埋置于起保护作用的预制件中，再将预制件作为传感组元埋置于混凝土中，通过对混凝土内部三维应变、温度、损伤的感知，实现光纤光栅机敏混凝土所具有的长期稳定性和高精度的自诊断功能。混凝土固化后，埋入光纤光栅预制件和混凝土构件成为一个整体。当工程结构自身或者载荷引起的混凝土内应力、应变和温度的变化就能使光纤光栅产生反射的波长位移信号的输出，通过线阵、面阵或者体阵的光纤光栅恰当布置，就能反映出混凝土在埋入位置的空间力学状态、温度和损伤，而且通过一定的传感网络的设计和预制杆件的埋设，就能对整个结构的力学状态、温度状态和损伤状态进行探测。

2 　光纤光栅机敏混凝土的关键技术

      光纤光栅传感技术作为一种先进的技术，为发展光纤光栅机敏混凝土提供了良好的技术手段。本文研究表明:采用先进的光纤光栅传感技术与混凝土复合，研制新型机敏混凝土，必须解决以下关键问题。

2. 1 　光纤Bragg 光栅与混凝土结构之间的变形匹配问题

      假定光纤光栅包裹层与混凝土之间能实现完好的粘贴，影响光纤传感测量的参数便是光纤的埋没方向、荷载及其混凝土包裹后光纤区域的力学性能。现考察2个理想状态，即光纤光栅平行于荷载方向和光纤光栅垂直于荷载方向，这将分别引起光纤光栅的轴向和法向变形。有关研究表明[5 ] :当光纤平行于荷载的情况下，要实现光纤埋设区域材料的应变值的测量，光纤光栅的最小度长近似为光纤直径的20 倍。当光纤光栅埋没方向与荷载方向垂直，则有：

      由于E包裹层≈ E光纤， 故ε光纤必须大于ε混凝土。因此从光纤光栅传感的可靠性来说， 光纤光栅的长度是一个最重要的因素，为此设计光纤光栅机敏混凝土时，应注意荷载方向，解决传感器与混凝土结构变形的匹配问题，很好实现了对光纤的保护。

2. 2 　光纤光栅预制杆与混凝土的相容性

      光纤光栅传感器在混凝土结构中的应用的主要难点之一是把光纤埋入养护的混凝土中。混凝土中有70 %左右的空间被石材和其它材料充填， 它们对光纤光栅布置存在很多干扰，且在混凝土填筑振捣和铲平过程中光纤光栅将受到外力损伤。光纤光栅的这种恶劣应用环境，促使了预制光纤光栅传感杆以对光纤光栅进行适宜的保护。但这种埋置方式，将直接影响其使用效果，为此本文进行研究。

      光纤光栅的弹性模量、泊松比和线胀系数与混凝土的不一致，则会使光纤光栅所在处的混凝土产生应力集中，有关研究表明[6 ] :弹性模量的不一致是产生应力集中的最主要因素，有必要进一步分析。有关试验研究表明[6 ] :圆柱体预制杆比其它形体预制件与混凝土有较好相容性。因此， 假定埋入混凝土的光纤传感器是一个长为L，半径为R 的圆柱体，弹性模量为E0，混凝土是完全匀质的弹性体，弹性模量为EC，泊松比为μ，且为无限体，光纤光栅的应力、应变可表示为:

σ0 =σc (1 + Cs) (5)

ε0 =εc (1 + Cs) (6)

式中: Cs 为应力集中系数； Ce 为应变集中系数；ε0 为光纤光栅传感器应变；σ0 为光纤光栅传感应力；εc 为混凝土应变；σc 为混凝土应力。根据弹性力学， 则当L > π(1 - μ2c ) R 时， 推导出:

由式(5) 和式(6) 可以看出：

(1) 当E0/ Ec 值一定时， Cs 将随L/ R 值的减小而减小， Ce 将随L/ R 值的增大而减小，若光纤光栅进行应变测量，应考虑L/ R 的值大一些，一般L/ R 为10～40，光纤光栅大多能较好地测量应变。

(2) 当L/ R 值一定时， Ce 在E0/ Ec 值较小时才较小，因此，光纤光栅的弹性模量略小于混凝土的弹性模量，可获得较小的应力集中和系数。综上所述，调节预制杆的几何尺寸、弹性模量、是能够保证应力、应变的较有效传递。图3 为光纤光栅预制杆。

      为了使预制杆与混凝土结合面产生有效地粘结，增加结合面的抗剪特性，保证应力、应变向预制杆有效传递，光纤光栅预制杆表面特征同样起着重要作用，它对保证二者之间的粘结是至关重要的。为此，传感器预制杆表面制作了特定的几何形状，其优点： (1) 使预制杆表面和混凝土表面产生相互的啮合； (2) 可利用水泥的离析而在预制表面形成光滑、致密无气孔的水泥界面，保证应力、应变向预制杆的有效传递。

2. 3 　预制杆与光纤光栅的相容性

     预制杆在整个传感系统中起着中介的作用， 其技术难点在于：一方面，如上文(2) 内容所述，预制杆的弹性模量应调节到略小于混凝土的弹性模量，且预制杆应具备一定的强度；另一方面，保证光纤传感的可能性。

     在本传感系统的研究中，采用特定纤维增强的水泥砂浆以及制作工艺，研制了用于混凝土机敏结构的预制杆。如图4 所示，光纤光栅预制杆件组成的光纤光栅机敏混凝土面阵结构示意图。

3 　原理性实验

     本文针对上述关键问题，在混凝土梁上进行了原理性实验。将单个光纤光栅传感器预制杆沿着混凝土梁的底部轴向埋入，进行混凝土梁的三点弯曲试验。实验结果如图5 所示。

　　从图中可以看出，光纤光栅预制件与混凝土结构之间具有良好的相容性，能较灵敏反应混凝土结构载荷变化。当加载到30kN，混凝土开始出现裂纹，40kN 裂纹进一步扩展到梁的断裂，此时灵敏度明显增大，能实现裂纹的监测。其基本上说明了这种新型光纤光栅机敏混凝土具有较高的可行性和较好的操作性。

4 　总结与展望

      本文提出了光纤光栅机敏混凝土结构的原理和系统实现的关键技术，又比较深入地讨论了光纤光栅传感器在混凝土结构检测中的埋入技术， 并基于有关的埋入技术，在混凝土梁上进行了相关的实验，实验结果表明:本文提出的光纤光栅机敏混凝土具有较高的可行性和较好的操作性。深入开展光纤光栅机敏混凝土的研究，使其不仅能准确地反映到混凝土内部结构空间三维的温度、应变和损伤的变化，而且还能感知集传和输为一体，快速地对混凝土结构的健康状况做出判断，从而增加了其应用的可靠性，满足实际工程的要求。

参考文献

1 　Schulz W L. Progress on monitoring of adhesive joints using multiaxis fiber grating sensors. SPIE Smart Structures Conference，Newport Beach，2000

2 　Nellen M. Optical fiber Bragg grating for structural monitoring in civil engineering116th Congress of IABSE on Structural Engiennring for Meeting Urban Transportation Challenges， Williamsbuig，2000

3 　Measures R M. Fiber2optic Bragg gratings for bridge monitoring. Cement Concrete Composites，1997，9 :21～23

4 　姜德生，Chard R，Claus O1 智能材料、器件、结构与应力1武汉：武汉工业大学出版社，2000

5 　Brǒnnimann R. Application of optical fiber sensors on the power dam of luzzone. SPIE，1998，3407 :386～391

6 　赵廷超，黄尚廉，陈伟民. 光纤传感器在混凝土结构内应力检测中的应用1 压电与声光，1996，18 (6) :394～399