一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器的制作方法

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器。

背景技术：

裂缝是判断混凝土结构健康状况的重要指标，裂缝的存在将直接破坏结构的整体性，还可能引起结构内部钢筋锈蚀，威胁结构的安全运行。因此，及时、准确地监测到裂缝的发生，实时监控裂缝的发展状况极为重要。而在实际工程中，不同建筑物及不同工作环境使其对裂缝监测具有不同要求，对于一些混凝土结构，出现微小裂缝时就应当引起足够重视，及时采取相应工程措施，这就要求传感器具有较高的灵敏度，及时监测到裂缝的发生；而对于另一些混凝土结构而言，微小裂缝对结构安全运行影响不大，但需对裂缝开合度进行持续监测，防止裂缝发展到具有危险性的开度，这需要传感器在保证一定灵敏度的条件下还应具有较大的量程。因此，研究可适应不同工程实际的裂缝传感器很有必要。而传统的电测传感器普遍存在耐久性较差、易受电磁干扰、安装难度大、量程及灵敏度单一等缺点，难以满足不同工程实际的监测要求。近几年来，光纤传感器以其质量轻、电绝缘、抗电磁干扰和耐腐蚀等优点，受到了国内外学者的广泛关注^[1-9]。

光纤传感器按光波在光纤中被调制的不同方式可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型和波长调制型等几种类型^[10]。其中基于光纤弯曲损耗原理的光纤裂缝传感器属于强度调制型光纤传感器，光纤弯曲损耗是光纤的弯曲半径小于光纤的临界弯曲半径引起的附加损耗。近年来，随着研究的不断深入，基于光纤弯曲损耗原理的光纤传感器在结构裂缝及位移监测方面已取得了大量研究成果。在早些年，有学者在考虑了各种弯曲半径、光纤圈数、额外弯曲角度和波长的情况下，提出了一种简单的光纤传感器弯曲损耗计算公式，且与实验数据吻合较好，并给出了光纤弯曲损耗灵敏度的简化公式^[11]。李川等^[12]提出了一种分布式光纤双向应变-位移传感器，采用otdr通过测量粘贴于光纤形变片上的光纤弯曲损耗来获取测量点的应变量或位移量，传感器位移监测量程为3mm。近几年，罗志会等^[13]通过将光纤螺旋缠绕在刻槽橡胶棒上的方式，提出了一种大量程分布式光纤传感器，采用otdr定位位移发生位置和分析位移大小，传感器最大量程为17mm，但传感器精度及存活率受埋设工艺影响较大。包腾飞等^[14]通过将无保护层的光纤缠绕打结形成弯曲设计了一种新型大量程裂缝光纤传感器，该传感器基于光纤弯曲损耗原理，可对混凝土结构裂缝进行持续性监测，但存在灵敏度较差的问题，对微小裂缝的发生监测效果较差。程琳等^[15]提出了一种齿轮传动型光纤位移传感器，使得光纤弯曲损耗与位移之间呈良好线性关系，但灵敏度受光纤缠绕轴直径限制较大。李明昊等^[16]基于光纤弯曲损耗原理，提出了一种u型缠绕式光纤位移传感器，该传感器理论量程可达120mm，但在实际使用中由于光纤始终处于拉伸状态，在较大位移时光纤易被拉断。

基于以上光纤裂缝传感器在实际应用中的不足，本发明基于光纤弯曲损耗原理，提出了一种灵敏度和量程可控的光纤传感器，通过有机玻璃板模拟裂缝实验确定了传感器的技术指标，并通过实验对传感器性能进行了测试，评价了传感器的工作性能。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，解决了现有技术中存在的光纤传感器灵敏度较差、对微小裂缝的发生监测效果较差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，其特征在于，包括管口相对依次设置的第一毛细钢管和第二毛细钢管，第一毛细钢管和第二毛细钢管内依次穿过两端对折后的裸光纤，裸光纤的光纤弯曲段位于第一毛细钢管外部，裸光纤的两个端部位于第二毛细钢管的外部，其中，位于第二毛细钢管内部的裸光纤与第二毛细钢管内壁固定为一体。

本发明的特点还在于，

第一毛细钢管和第二毛细钢管管壁上均设置有基座，基座上开有螺孔，第一毛细钢管和第二毛细钢管通过基座上的螺孔与螺钉配合被固定在测量位置处。

第一毛细钢管和第二毛细钢管管内径均为1.5～3mm。

光纤弯曲段的决定因素为弯曲直径，弯曲直径范围为5mm～26mm。

位于第二毛细钢管内部的裸光纤与第二毛细钢管内壁通过环氧树脂胶粘结固定。

本发明的有益效果是，用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，第一毛细钢管和第二毛细钢管分别固定于裂缝两侧，当裂缝发生时，第一毛细钢管和第二毛细钢管将会随裂缝两侧混凝土向两侧移动，由于第二毛细钢管内裸光纤固定，裂缝开展会拉动第一毛细钢管中的裸光纤，从而引起光纤弯曲段弯曲尺寸变小；裂缝发生后，若在外部荷载作用下发生闭合，两段毛细钢管将会相互靠近，由于光纤的机械特性，光纤弯曲段弯曲尺寸将会逐渐恢复。光纤弯曲段的尺寸变化会引起该处光损耗值的变化，使用光功率计或光时域反射仪可以监测到这个变化过程，从而实现对裂缝的监测。

附图说明

图1是本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器的结构示意图；

图2是为了验证本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器搭建的实验系统结构图；

图3是本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器中光损值与弯曲段直径关系图；

图4是本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器中光损值与裂缝宽度关系图；

图5是本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器在实际应用中的安装图。

图中，1.光纤弯曲段，2.螺孔，3.基座，4.第一毛细钢管，5.第二毛细钢管，6.裸光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，结构如图1所示，包括管口相对依次设置的第一毛细钢管4和第二毛细钢管5，第一毛细钢管4和第二毛细钢管5内依次穿过两端对折后的裸光纤6，裸光纤6的光纤弯曲段1位于第一毛细钢管4外部，裸光纤6的两个端部位于第二毛细钢管5的外部，其中，位于第二毛细钢管5内部的裸光纤6与第二毛细钢管5内壁固定为一体。

第一毛细钢管4和第二毛细钢管5管壁上均设置有基座3，基座3上开有螺孔2，第一毛细钢管4和第二毛细钢管5通过基座3上的螺孔2与螺钉配合被固定在测量位置处。

第一毛细钢管4和第二毛细钢管5管内径均为1.5～3mm。

光纤弯曲段1的决定因素为弯曲直径，弯曲直径范围为5mm～26mm。

位于第二毛细钢管5内部的裸光纤6与第二毛细钢管5内壁通过环氧树脂胶粘结固定。

本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，设计及工作原理如下：

裸光纤6位于第二毛细钢管5的外部的两个端部连接监测设备，用环氧树脂胶将该段裸光纤6封装在第二毛细钢管5中，使该段光纤与毛细钢管保持同步移动，确保两者不会产生相对滑动。第一毛细钢管4和第二毛细钢管5分别固定于裂缝两侧，当裂缝发生时，第一毛细钢管4和第二毛细钢管5将会随裂缝两侧混凝土向两侧移动，由于第二毛细钢管5内裸光纤6固定，裂缝开展会拉动第一毛细钢管4中的裸光纤6，从而引起光纤弯曲段1弯曲尺寸变小；裂缝发生后，若在外部荷载作用下发生闭合，两段毛细钢管将会相互靠近，由于光纤的机械特性，光纤弯曲段1弯曲尺寸将会逐渐恢复。光纤弯曲段1的尺寸变化会引起该处光损耗值的变化，使用光功率计或光时域反射仪可以监测到这个变化过程，从而实现对裂缝的监测。主要传感原理为：在传感器中预先设置弯曲段光纤，即预先给定一个光纤损耗值，通过改变弯曲段光纤尺寸大小使光功率发生变化，再建立裂缝宽度与光损耗关系，从而实现对结构裂缝的监测。

本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器中，弯曲损耗与裂缝宽度的理论关系如下：

当光纤弯曲后，就会发生沿光纤弯曲半径方向的能量辐射，原有光波导中的传导模将变为辐射模，从而引起弯曲损耗。当弯曲曲率半径远大于光纤直径的弯曲所产生损耗，就称为宏弯曲损耗。本发明设计的光纤传感器基于光纤弯曲损耗原理，利用裂缝宽度方向上的拉伸所引起的弯曲段光纤曲率半径变化，通过光功率计检测光纤曲率半径减小引起的弯曲损耗，建立裂缝宽度与光纤弯曲损耗之间的关系，从而实现对裂缝的识别和定量测量：

对于阶跃单模光纤，单位长度上的弯曲损耗可以表示为：

ac＝acr^-1/2exp(-ur)(1)

式中，r为光纤宏弯曲半径，ac和u是与光纤种类以及光源工作状态相关的量，具体为：

式中：λ为工作波长，λc为截止波长，δ＝(n1－n2)/n2为光纤芯与包层相对折射率差，n1为纤芯折射率，n2为包层折射率，η和δ是与光纤类型、光源工作波长有关的常数。

由上述光纤弯曲损耗原理可知，固定半径的弯曲段光纤会产生固定的损耗，损耗大小与弯曲半径r有关，而弯曲段光纤半径r与裂缝宽度δl同样为一一对应关系。根据传感器结构可以得出弯曲段光纤半径与裂缝宽度的关系为：

式中，a为弯曲段光纤初始半径，α为光纤与毛细钢管的夹角，当弯曲段光纤初始直径确定时，α为定值。

将上式带入式(1)可得到传感器弯曲损耗与裂缝宽度的关系为：

其中，δls为裂缝宽度为δl时对应的光损耗值，b为与传感器弯曲段尺寸有关的常数。

本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，实验验证如下：

由上述光纤弯曲损耗特性可知，当弯曲段尺寸较大时，光纤弯曲损耗非常微小，光功率变化难以被仪器监测到，因此为保证传感器具有较高的初始灵敏度，本发明首先通过实验研究了不同弯曲段尺寸下光纤弯曲损耗的变化规律，测得了最敏感直径区间，确定了弯曲段光纤临界损耗尺寸，为裂缝模拟实验提供弯曲段光纤初始尺寸的设置依据。然后通过实验验证了传感器的可行性。实验材料与设备主要包括：工作波长为1550nm光源、光功率计、裂缝传感器、微位移调节平台、有机玻璃板等。将有机玻璃板和微位移调节平台固定在实验台上，采用环氧树脂胶将两段毛细管分别粘贴在有机玻璃板和微位移调节平台上，光纤一端连接光功率计，另一端连接激光光源，记录光功率计初始读数。通过调节微位移调节平台模拟裂缝和控制裂缝的扩展和闭合，并记录相应的光功率计的数值和裂缝宽度值。实验装置如图2所示。实验中，裂缝宽度从0mm开始逐渐增加，设置裂缝宽度最小给进量0.5mm。

光损耗值与弯曲段光纤直径对应关系的实验结果见图3：

由图3可以看出，初始时，弯曲段光纤直径较大，为30mm，光功率损耗曲线为一段水平直线，可知此时光纤弯曲损耗较小可以忽略；当弯曲段直径达到26mm时，光损耗曲线为一段上升曲线，曲线斜率随半径的减小而增加，可知此时弯曲段光纤开始产生弯曲损耗，并随着弯曲段光纤直径的不断减小光损耗持续增大，但此阶段光损耗曲线上升较为平缓，损耗不明显；当弯曲段直径达到12mm时，光损耗曲线上升明显，呈近似线性分布，可知此阶段光损耗对光纤弯曲直径变化非常敏感，因此选取此阶段的弯曲段尺寸制作传感器可大大提高传感器的灵敏度；当弯曲段光纤直径达到5mm时，由于毛细管管径限制，弯曲段光纤直径不再减小。因此，对于波长为1550nm的光，光功率计可以感知的弯曲段光纤直径范围为5mm-26mm，最敏感区间为5mm-12mm，该敏感区间的存在为灵活控制传感器的灵敏度和量程提供了有力依据。

由于过小的弯曲段初始直径会导致传感器量程减小，因此，为了保证传感器具有较高的初始灵敏性和较大的量程，在有机板玻璃板模拟裂缝监测实验中，弯曲段光纤初始直径设置为12mm，实验结果见图4：

由图4可以看出，光功率衰减对裂缝宽度的改变十分敏感，光损耗值随着裂缝宽度的增加呈指数型增长，说明传感器对结构裂缝具有良好的监测能力。实验结果中模拟裂缝扩展与闭合实验曲线基本重合，可知传感器不仅能监测到结构裂缝的开展过程，还可监测到由于荷载改变导致的结构裂缝闭合过程。图4中实验数据与理论拟合吻合度很高，得出当弯曲段光纤初始直径为12mm时的半经验拟合公式为：

加载：

卸载：

平均式：

取式(6)和式(7)的平均式(8)作为传感器的计算公式。

本次实验通过有机玻璃板模拟裂缝验证了传感器监测裂缝的可行性和有效性，传感器对0.5mm级裂缝感知效果良好，实验中最大模拟裂缝宽度为20mm，对应的弯曲段光纤直径为5mm。在实际应用中可根据工程实际对灵敏度及量程的不同要求，控制光纤弯曲段尺寸，在满足不同裂缝监测需求的同时保证传感器的安全，建议弯曲段光纤最小直径不小于5mm。

传感器性能测试：

在实际工程中，结构裂缝往往随着外部荷载呈周期性变化，因此要求传感器具有良好的稳定性和重复性。由传感器结构可知，弯曲段光纤在使用时长期保持弯曲状态可能会产生塑性变形，影响传感器灵敏度，破坏传感器的长期稳定性。基于此，本发明进行了一系列裂缝扩展和闭合实验，通过较长时间内的裂缝加载和卸载实验，对传感器性能进行了测试。

实验装置见图5，采用两混凝土块模拟混凝土结构裂缝的开展与闭合，为实现对裂缝开度的精确控制，将微位移调节平台固定于一混凝土块上部，再将传感器中的两根毛细钢管粘贴于微位移调节平台和另一混凝土块表面。实验中设定传感器弯曲段初始直径12mm，裂缝最小给进量5mm，进行10次裂缝加载和卸载实验，采用光功率计读取每一裂缝开度对应的光功率值，读数时间间隔30min。实验结果见表1：

表1光损值与裂缝宽度关系表

分析实验结果可知，实验结果与验证实验结果基本一致，裂缝加载和卸载时同一裂缝开度对应的光功率值基本保持不变，最大值与最小值差值不超过0.05db。光损耗值之间的最大标准差仅为0.0218db，表明传感器具有良好的长期稳定性和重复性。

本发明一种用于混凝土结构裂缝监测的光纤传感器，实验验证了传感器的可行性，实验结果表明，传感器可以很好地感知裂缝的发生并记录其扩展和闭合过程，对结构裂缝监测具有良好的重复性、灵敏性和稳定性，当弯曲段初始直径为12mm时，量程可达20mm。针对不同的工程实际，通过设置不同直径的弯曲段光纤可灵活改变传感器的量程和灵敏度。与现有的光纤传感器相比，该传感器具有结构简单、体积小、低成本和安装方便等特点，更适用于混凝土结构裂缝监测。