分布式光纖測試系統集成及其在結構智能感知中的應用研究

侯 娜

(1. 遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166;2. 遼寧大通公路工程有限公司 沈陽市 110179)

0 引言

隨著信息化、數字化技術的應用推廣,公路交通行業通過新型傳感技術賦能傳統土木工程,融合自動化測試測量技術實現基礎設施結構的智能感知,從而加快基礎設施結構的數字化創新應用[1-4]。公路交通行業的土木工程結構安全監測和檢測技術也持續創新迭代,其中分布式光纖傳感技術由于適合長距離、大尺寸結構應變測試以及抗干擾性好、光纖材料性價比高等優點被越來越多地應用于土木工程結構測試中。目前商用的分布式光纖測試設備在測量距離和精度上已可以滿足諸多工程應用場景。其作為一種通用測試設備,可以滿足應變、溫度物理量的通用測試,卻不能直觀地將傳感數據映射到整體結構上。為提升其工程應用性,針對商用的分布式光纖傳感測試設備開展系統集成設計與實現以及集成系統的工程應用研究。

1 分布式光纖傳感技術

光纖傳感與傳統電子傳感相比,光電絕緣性更好,具有抗電磁干擾、耐腐蝕、高靈敏度和非侵入性等優點,同時便于融入通信傳輸系統,利于遠距離實時監測。目前在土木工程結構智能感知監測領域使用較為廣泛的是布拉格光纖光柵傳感器,用于橋梁、隧道、邊坡等大型結構的應變、位移、振動等監測。它雖然有上述優于傳統電傳感器的特點,但在監測空間維度上仍屬于單點監測,無法更好匹配大型結構的全域、多維度的監測需求。

近幾年,隨著光纖傳感技術的發展應用及工程性推廣,分布式光纖傳感技術也越來越多地應用在土木工程領域?；诓祭餃Y散射原理的PPP-BOTDA系統應用于大型結構的應變測試,其在測試距離、空間分辨率和應變精度方面都能較好地滿足工程需要。其中商用設備NBX-6050A,工作波長在1550nm,測量距離可達50m至25km,測量頻率范圍9～13GHz,應變測量范圍-30000～40000με,空間分辨率5～100cm,測量精度15με/0.75℃,重復性可達10με/0.5℃,適用單模光纖。同樣,隨著工程應用的推廣,更多適用于不同測試場景的傳感光纜應運而生,比如適用于混凝土表面應變和裂紋監測的纖維布復合光纜,帶溫度補償的應變復合光纜,適用于混凝土內部應力、溫度測試的金屬鋼絞線應變傳感光纜,金屬無縫管封裝的溫度傳感光纜等。除了基于BOTDA技術的結構應變測量,基于Φ-OTDR原理的分布式光纖傳感系統可用于安防、原油輸送管道運營監測等?；诶⑸涞姆植际綔囟缺O測系統則更為廣泛地應用在隧道火災監測等分布式溫度監測場所。

2 分布式光纖測試系統集成

分布式光纖測試系統集成實現在硬件上將商用的分布式光納儀NBX-6050A與雙路程控的光開關模塊通過TCP/IP網絡通信和自主開發的多路復用數據采集軟件集成為多通道自動化測試系統,同時配套開發了離線數據處理分析軟件模塊,從而較直觀地展示結構體多維度應變分布、溫度場變化規律等。

2.1 分布式光纖多通道自動化測試系統

目前使用的分布式光纖測試設備通常是單通道的,僅能實現單個光纖環路的測試,在實際應用中如結構靜力加載試驗由于模型結構各部位承載能力不同,單測試環路的量程和分辨率無法滿足結構各個部件的測試需求,而每次手動更換多個測試環路。效率較低,同時多次插拔容易引入灰塵增大光損,影響測試效果。將單測試通道按實際測試需求拓展通道數量(集成系統中標配為8通道),同時利用商用NBX光納儀開放式的體系結構,自定義儀器測試流程,實現多路復用,提高設備工作效率。多通道自動測試系統可滿足分布式光纖在廣域結構監測方向長期無人值守工作的條件。系統硬件組成如圖1所示,系統流程如圖2所示。

圖1 系統硬件組成圖

圖2 系統流程圖

分布式光纖多通道自動化測試系統的軟件實現,采用圖形化軟件開發平臺LabVIEW 2018,結合可編程光開關模塊提供的基于TCP/IP的應答式通信協議,調用了分布式光納儀NBX-6050A開放的基于.NET的SDK。軟件功能模塊如表1所示。

表1 系統功能模塊

2.2 分布式光纖傳感數據的離線分析模塊

商用分布式光纖測試系統在底層應用上還只是通用的分布式應變、溫度測量設備,其測量結果更多地展示傳感光纖直線距離的應變、溫度變化,難以直觀地反映出結構關鍵截面甚至三維空間的應變分布狀態、溫度場變化規律。若想更多地了解復雜結構在荷載下的多維度應變分布規律,可以結合結構模型受力特性多維度布設傳感光纜,包括混凝土結構內部、表面多通道傳感光纜布設。這樣即可更全面地捕捉到不同截面、不同維度的結構應變變化。而這種多層多通道的光纜布設方案,也使后期數據處理變得更為復雜。為解決這一問題,本系統中配套開發了離線數據處理分析模塊。

分布式光纖傳感數據的離線分析功能包括:光纖傳感數據按其在結構模型中實際布設位置的映射變換,數據濾波降噪,分布式傳感測線在多級荷載下自定義應變曲線繪制,結構平面應變顯示,結構三維應變曲線圖顯示,結構多級荷載下應變曲線動態回放及數據報表生成等功能。分析軟件可實現動靜態和空間多維度展示結構受力情況,為分布式光纖傳感在結構監測方向提供良好技術支撐。

3 系統應用

3.1 型鋼組合梁負彎矩區抗裂性能試驗

為探究型鋼組合梁負彎矩區連續橋面板開裂機理及開裂后結構性能退化機制,開展型鋼組合梁負彎矩區抗裂性能試驗,如圖3所示。為全面掌握試驗模型負彎矩區裂縫出現時間、分布區域及其拓展規律,引入分布式光纖測試技術。通過在混凝土橋面板頂面布設纖維布復合傳感光纜來觀察橋面板頂面混凝土開裂情況,在橋面板內部布設鋼絞線應變傳感光纜觀察橋面板內部在加載過程中的應變變化情況。

圖3 模型試驗實景圖

具體光纜布設方式為橋面板內部在制作過程中分別在上下兩層鋼筋沿縱向綁扎6條鋼絞線應變傳感光纜,此種光纜經過特殊封裝能適應混凝土澆筑的惡劣工況,在靜力加載過程中能展現混凝土內部上下層平面的應變變化情況。此次試驗橋面板內部應變分布如圖4所示。試驗結果表明,橋面板內部上層鋼筋平面混凝土應變大于下層鋼筋平面混凝土應變。

圖4 橋面板內部應變曲面

橋面板頂面沿縱向使用浸漬膠粘貼12條纖維布復合傳感光纜,表貼后效果圖見圖3。此種光纜靈敏度較高,可以很好地捕捉到加載過程中的應變異常值從而全過程展現橋面板頂面裂紋產生、拓展及分布規律。此次實驗橋面板頂面裂縫分布如圖5所示,橋面板裂縫分布圖是由表貼的12條傳感光纖測量到的各級加載下的應變曲線通過峰值檢測最終繪制的裂縫分布圖,可對照試驗模型橋面板開裂局部裂縫圖。從試驗結果可知,橋面板頂面裂縫主要分布在橋面板中心斷面距兩側各1m范圍內,且出現多條橫向貫通裂紋,測試結果與現場實際裂紋基本吻合。

圖5 橋面板頂面裂縫位置分布圖

3.2 大面積混凝土內部溫度監測應用

通過澆筑混凝土橋面足尺鋪裝模型,驗證快干混凝土澆筑大體積橋面鋪裝層的可行性。引入分布式光纖傳感溫度測試技術,實現對快干混凝土鋪裝層內部溫度的實時監測,從而判斷快干混凝土橋面鋪裝層內部水化熱導致的溫差,為該類混凝土養護過程提供科學指導。使用既有普通型快干混凝土澆筑橋面鋪裝模型,模型尺寸為l×b×h=16000mm×5000mm×1000mm。該模型實驗采用金屬無縫管封裝的溫度傳感光纜,分別沿橋面鋪裝層16m方向測試模型底層(模型與地面交界面)、中間層(模型內部中間層)和表層的溫度場分布,從而掌握快干型混凝土澆筑大體積橋面鋪裝的水化熱反應。

快干型混凝土澆筑后,內部發生水化反應釋放水化熱。由澆筑完成7d內(140h)的溫度試驗數據所知,分布式溫度傳感光纜能較好地反映橋面鋪裝模型內部溫度場分布,中間層溫度略高于底層溫度,且溫度場變化符合晝夜環境溫度變化規律,如圖6所示。

圖6 橋面鋪裝模型內部混凝土溫度場

4 結論

綜上,分布式光纖傳感技術適用于大型結構的智能感知,且具備廣闊的工程應用推廣前景。對商用分布式光纖傳感設備的集成設計開發,由單通道測試設備改造成多通道自動化測試系統,簡化測試流程,提高測試效率。配套開發的分布式光纖傳感數據分析模塊,直觀地將傳感數據映射到被測結構模型上,可展現混凝土表面裂紋開展,結構多維度應變分布以及溫度場變化規律等。分布式光纖測試集成系統在應用中積累需求,通過系統功能迭代開發不斷滿足工程應用需求,在我國推進數字化公路建設的過程中可作為結構感知部分的有效技術手段。同時,結合數字化公路設計中通信光纜的布設,綜合組網,實現方便接入,在優化光纖解調設備數量的同時滿足長距離監測工程需求。