利用OFDR技术监测结构宏观裂缝

光纤传感

1、概述

本研究采用昊衡科技的OSI 设备，在高空间分辨率下，读取了粘贴在结构表面的分布式光纤的实时应变分布，进而分析了在结构开裂时，光纤内部界面的力学行为变化，揭示了纤芯和包层界面由强粘结向脱粘转变的现象。通过光纤的界面受力分析，建立了一个新的应变传递模型，使得分布式光纤可以用于监测结构的微宏观裂缝。

2、测试过程

本文开展了两个试验，在第一个试验中，如图1所示，将分布式光纤粘贴于两块不锈钢板上，全长0.5 m，通过步进电机以1微米每秒的速度，移动单侧钢板，模拟结构单个裂缝的生成和发展，裂缝宽度从0发展到2 mm，期间采用OSI记录光纤的应变分布及变化。在第二个试验中，将分布式光纤粘贴于钢筋混凝土梁构件的纯弯区，从梁底往上，总共粘贴3段，每段长度为0.5 m，随后，梁构件在四点弯设置下进行加载，于纯弯区产生多个贯穿光纤监测区域的裂缝，加载期间采用OSI记录光纤在多裂缝下的应变分布及变化。

图1 光纤结构及模拟开裂试验设置

图2 四点弯梁试验设置

3、测试结果

第一个试验的光纤应变数据，如图3所示，COD为裂缝宽度，可以发现，小裂缝和大裂缝宽度下，光纤的应变呈现两种不同的分布形态，本质原因在于，大裂缝宽度下，光纤内部的纤芯和包层界面由强粘结向脱粘转变，如图4所示。基于此现象，通过受力分析和边界条件设定，推导了一个基于界面断裂能的应变传递模型，如图5所示，该模型描述了光纤的内部界面，随着COD增大，由硬化-软化-脱粘的发展。该模型的作用在于，通过光纤测得的应变分布，去反算结构此时的开裂宽度，从0~2mm均可。该模型的有效性，也通过其他文章的试验结果进行了验证。本文的四点弯梁试验，进一步探究了如何采用这个新的模型去得到多裂缝情况下的裂缝宽度。如图6和7所示，光纤捕捉到了梁纯弯区的5条裂缝，且基于应变叠加原理，应变传递模型准确得到了多裂缝情况下，每个裂缝的宽度，但当界面脱粘出现时，应变叠加原理失效，未来需要进一步研究如何将新模型应用于此种情况。

图3 模拟开裂试验结果

图4 界面脱粘slip示意图

图5 界面状态的变化情况

图6 四点弯梁试验结果

图7 四点弯梁分布式光纤应变分布及应变传递模型拟合情况

4、实验结论

本研究揭示了在结构开裂下，光纤内部界面的力学行为变化，并提出了一个新的应变传递模型，用于通过分布式光纤应变分布反算结构的裂缝宽度，实现了0~2 mm宽度的准确量化。还对单一裂缝和密集多裂缝两种情况进行了探究，拓宽了分布式光纤在结构健康监测领域的应用前景。未来，有望通过利用稳定的界面脱粘行为，发明新型光纤，进而推动分布式光纤在局部大应变的监测应用。理论细节和详细研究展望欢迎下载原文了解。