分布式光纤测试系统集成及其在结构智能感知中的应用研究

侯 娜

(1. 辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166;2. 辽宁大通公路工程有限公司 沈阳市 110179)

0 引言

随着信息化、数字化技术的应用推广,公路交通行业通过新型传感技术赋能传统土木工程,融合自动化测试测量技术实现基础设施结构的智能感知,从而加快基础设施结构的数字化创新应用[1-4]。公路交通行业的土木工程结构安全监测和检测技术也持续创新迭代,其中分布式光纤传感技术由于适合长距离、大尺寸结构应变测试以及抗干扰性好、光纤材料性价比高等优点被越来越多地应用于土木工程结构测试中。目前商用的分布式光纤测试设备在测量距离和精度上已可以满足诸多工程应用场景。其作为一种通用测试设备,可以满足应变、温度物理量的通用测试,却不能直观地将传感数据映射到整体结构上。为提升其工程应用性,针对商用的分布式光纤传感测试设备开展系统集成设计与实现以及集成系统的工程应用研究。

1 分布式光纤传感技术

光纤传感与传统电子传感相比,光电绝缘性更好,具有抗电磁干扰、耐腐蚀、高灵敏度和非侵入性等优点,同时便于融入通信传输系统,利于远距离实时监测。目前在土木工程结构智能感知监测领域使用较为广泛的是布拉格光纤光栅传感器,用于桥梁、隧道、边坡等大型结构的应变、位移、振动等监测。它虽然有上述优于传统电传感器的特点,但在监测空间维度上仍属于单点监测,无法更好匹配大型结构的全域、多维度的监测需求。

近几年,随着光纤传感技术的发展应用及工程性推广,分布式光纤传感技术也越来越多地应用在土木工程领域。基于布里渊散射原理的PPP-BOTDA系统应用于大型结构的应变测试,其在测试距离、空间分辨率和应变精度方面都能较好地满足工程需要。其中商用设备NBX-6050A,工作波长在1550nm,测量距离可达50m至25km,测量频率范围9～13GHz,应变测量范围-30000～40000με,空间分辨率5～100cm,测量精度15με/0.75℃,重复性可达10με/0.5℃,适用单模光纤。同样,随着工程应用的推广,更多适用于不同测试场景的传感光缆应运而生,比如适用于混凝土表面应变和裂纹监测的纤维布复合光缆,带温度补偿的应变复合光缆,适用于混凝土内部应力、温度测试的金属钢绞线应变传感光缆,金属无缝管封装的温度传感光缆等。除了基于BOTDA技术的结构应变测量,基于Φ-OTDR原理的分布式光纤传感系统可用于安防、原油输送管道运营监测等。基于拉曼散射的分布式温度监测系统则更为广泛地应用在隧道火灾监测等分布式温度监测场所。

2 分布式光纤测试系统集成

分布式光纤测试系统集成实现在硬件上将商用的分布式光纳仪NBX-6050A与双路程控的光开关模块通过TCP/IP网络通信和自主开发的多路复用数据采集软件集成为多通道自动化测试系统,同时配套开发了离线数据处理分析软件模块,从而较直观地展示结构体多维度应变分布、温度场变化规律等。

2.1 分布式光纤多通道自动化测试系统

目前使用的分布式光纤测试设备通常是单通道的,仅能实现单个光纤环路的测试,在实际应用中如结构静力加载试验由于模型结构各部位承载能力不同,单测试环路的量程和分辨率无法满足结构各个部件的测试需求,而每次手动更换多个测试环路。效率较低,同时多次插拔容易引入灰尘增大光损,影响测试效果。将单测试通道按实际测试需求拓展通道数量(集成系统中标配为8通道),同时利用商用NBX光纳仪开放式的体系结构,自定义仪器测试流程,实现多路复用,提高设备工作效率。多通道自动测试系统可满足分布式光纤在广域结构监测方向长期无人值守工作的条件。系统硬件组成如图1所示,系统流程如图2所示。

图1 系统硬件组成图

图2 系统流程图

分布式光纤多通道自动化测试系统的软件实现,采用图形化软件开发平台LabVIEW 2018,结合可编程光开关模块提供的基于TCP/IP的应答式通信协议,调用了分布式光纳仪NBX-6050A开放的基于.NET的SDK。软件功能模块如表1所示。

表1 系统功能模块

2.2 分布式光纤传感数据的离线分析模块

商用分布式光纤测试系统在底层应用上还只是通用的分布式应变、温度测量设备,其测量结果更多地展示传感光纤直线距离的应变、温度变化,难以直观地反映出结构关键截面甚至三维空间的应变分布状态、温度场变化规律。若想更多地了解复杂结构在荷载下的多维度应变分布规律,可以结合结构模型受力特性多维度布设传感光缆,包括混凝土结构内部、表面多通道传感光缆布设。这样即可更全面地捕捉到不同截面、不同维度的结构应变变化。而这种多层多通道的光缆布设方案,也使后期数据处理变得更为复杂。为解决这一问题,本系统中配套开发了离线数据处理分析模块。

分布式光纤传感数据的离线分析功能包括:光纤传感数据按其在结构模型中实际布设位置的映射变换,数据滤波降噪,分布式传感测线在多级荷载下自定义应变曲线绘制,结构平面应变显示,结构三维应变曲线图显示,结构多级荷载下应变曲线动态回放及数据报表生成等功能。分析软件可实现动静态和空间多维度展示结构受力情况,为分布式光纤传感在结构监测方向提供良好技术支撑。

3 系统应用

3.1 型钢组合梁负弯矩区抗裂性能试验

为探究型钢组合梁负弯矩区连续桥面板开裂机理及开裂后结构性能退化机制,开展型钢组合梁负弯矩区抗裂性能试验,如图3所示。为全面掌握试验模型负弯矩区裂缝出现时间、分布区域及其拓展规律,引入分布式光纤测试技术。通过在混凝土桥面板顶面布设纤维布复合传感光缆来观察桥面板顶面混凝土开裂情况,在桥面板内部布设钢绞线应变传感光缆观察桥面板内部在加载过程中的应变变化情况。

图3 模型试验实景图

具体光缆布设方式为桥面板内部在制作过程中分别在上下两层钢筋沿纵向绑扎6条钢绞线应变传感光缆,此种光缆经过特殊封装能适应混凝土浇筑的恶劣工况,在静力加载过程中能展现混凝土内部上下层平面的应变变化情况。此次试验桥面板内部应变分布如图4所示。试验结果表明,桥面板内部上层钢筋平面混凝土应变大于下层钢筋平面混凝土应变。

图4 桥面板内部应变曲面

桥面板顶面沿纵向使用浸渍胶粘贴12条纤维布复合传感光缆,表贴后效果图见图3。此种光缆灵敏度较高,可以很好地捕捉到加载过程中的应变异常值从而全过程展现桥面板顶面裂纹产生、拓展及分布规律。此次实验桥面板顶面裂缝分布如图5所示,桥面板裂缝分布图是由表贴的12条传感光纤测量到的各级加载下的应变曲线通过峰值检测最终绘制的裂缝分布图,可对照试验模型桥面板开裂局部裂缝图。从试验结果可知,桥面板顶面裂缝主要分布在桥面板中心断面距两侧各1m范围内,且出现多条横向贯通裂纹,测试结果与现场实际裂纹基本吻合。

图5 桥面板顶面裂缝位置分布图

3.2 大面积混凝土内部温度监测应用

通过浇筑混凝土桥面足尺铺装模型,验证快干混凝土浇筑大体积桥面铺装层的可行性。引入分布式光纤传感温度测试技术,实现对快干混凝土铺装层内部温度的实时监测,从而判断快干混凝土桥面铺装层内部水化热导致的温差,为该类混凝土养护过程提供科学指导。使用既有普通型快干混凝土浇筑桥面铺装模型,模型尺寸为l×b×h=16000mm×5000mm×1000mm。该模型实验采用金属无缝管封装的温度传感光缆,分别沿桥面铺装层16m方向测试模型底层(模型与地面交界面)、中间层(模型内部中间层)和表层的温度场分布,从而掌握快干型混凝土浇筑大体积桥面铺装的水化热反应。

快干型混凝土浇筑后,内部发生水化反应释放水化热。由浇筑完成7d内(140h)的温度试验数据所知,分布式温度传感光缆能较好地反映桥面铺装模型内部温度场分布,中间层温度略高于底层温度,且温度场变化符合昼夜环境温度变化规律,如图6所示。

图6 桥面铺装模型内部混凝土温度场

4 结论

综上,分布式光纤传感技术适用于大型结构的智能感知,且具备广阔的工程应用推广前景。对商用分布式光纤传感设备的集成设计开发,由单通道测试设备改造成多通道自动化测试系统,简化测试流程,提高测试效率。配套开发的分布式光纤传感数据分析模块,直观地将传感数据映射到被测结构模型上,可展现混凝土表面裂纹开展,结构多维度应变分布以及温度场变化规律等。分布式光纤测试集成系统在应用中积累需求,通过系统功能迭代开发不断满足工程应用需求,在我国推进数字化公路建设的过程中可作为结构感知部分的有效技术手段。同时,结合数字化公路设计中通信光缆的布设,综合组网,实现方便接入,在优化光纤解调设备数量的同时满足长距离监测工程需求。