基于OFDR的分布式光纖傳感器在混凝土長期變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

  概述

  傳統(tǒng)應(yīng)變片、便攜式應(yīng)變儀及收縮比對(duì)儀等監(jiān)測(cè)技術(shù)存在易受環(huán)境干擾、數(shù)據(jù)波動(dòng)性大、無法捕捉全場(chǎng)應(yīng)變分布等局限，難以實(shí)現(xiàn)超高強(qiáng)海砂混凝土長期蠕變與收縮的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)。為此本研究采用基于光頻域反射(OFDR)技術(shù)的分布式光纖傳感器(DOFS)，使用Sika 30環(huán)氧樹脂膠將聚酰亞胺(PI)涂層光纖粘貼于試件表面，開展長期間歇監(jiān)測(cè)，并在50%相對(duì)濕度、75%相對(duì)濕度及密封三種環(huán)境條件下，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行系統(tǒng)性能對(duì)比，驗(yàn)證其監(jiān)測(cè)有效性。

PI光纖實(shí)物圖以及結(jié)構(gòu)示意圖

  測(cè)試方案

  1.核心監(jiān)測(cè)設(shè)備與傳感器

  采用武漢昊衡科技OSI-S設(shè)備，空間分辨率1.0mm，應(yīng)變測(cè)量范圍±12000με，最大測(cè)量距離100m;傳感器選用聚酰亞胺涂層光纖，通過Sika 30環(huán)氧樹脂粘貼于試件表面，粘貼前對(duì)試件表面進(jìn)行打磨與乙醇清洗。

  傳感器布置示意圖

  2.試件與試驗(yàn)條件

  制備超高強(qiáng)海砂混凝土圓柱試件(φ75mm×150mm，用于蠕變?cè)囼?yàn))和棱柱體試件(75mm×75mm×285mm，用于收縮試驗(yàn))，經(jīng)90℃蒸汽養(yǎng)護(hù)24h;試驗(yàn)設(shè)置50%RH、75%RH及密封三種濕度環(huán)境，制定間歇測(cè)量方案：蠕變?cè)囼?yàn)加載前后各測(cè)1次，加載后1-7天日測(cè)，后續(xù)于第10、14、21等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)測(cè)量，總周期90天;收縮試驗(yàn)1-7天日測(cè)，后續(xù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)測(cè)量，總周期52天。

蠕變?cè)嚇庸饫w布設(shè)實(shí)物圖

收縮試樣光纖布設(shè)實(shí)物圖

  3.標(biāo)定與數(shù)據(jù)處理

  采用3個(gè)同類型圓柱試件進(jìn)行壓縮標(biāo)定，基于應(yīng)變片測(cè)量值建立應(yīng)變-頻偏線性關(guān)系，確定PI涂層光纖與超高強(qiáng)海砂混凝土的應(yīng)變-頻偏系數(shù)為6.847με/GHz;數(shù)據(jù)處理時(shí)剔除光纖脫粘區(qū)段數(shù)據(jù)，對(duì)全場(chǎng)應(yīng)變分布取平均值，并通過溫度補(bǔ)償試件扣除溫度應(yīng)變影響。

應(yīng)變頻率移位關(guān)系

  測(cè)試結(jié)果

  1.測(cè)量精度與空間分辨率

  OFDR分布式光纖傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)1.0mm超高空間分辨率，應(yīng)變測(cè)量重復(fù)精度達(dá)±1.0με，可精準(zhǔn)捕捉超高強(qiáng)海砂混凝土的細(xì)微時(shí)效變形，且能繪制傳統(tǒng)方法無法實(shí)現(xiàn)的連續(xù)應(yīng)變分布曲線。

不同時(shí)間全場(chǎng)應(yīng)變分布特征

  2.穩(wěn)定性與可靠性

  蠕變?cè)囼?yàn)中，OFDR測(cè)量的變異系數(shù)(CV)均值僅5.60%，較應(yīng)變片(23.22%)降低76%，較便攜式應(yīng)變儀(16.07%)降低65%;收縮試驗(yàn)中其CV穩(wěn)定在8.68%-11.60%，曲線增長趨勢(shì)平穩(wěn)，數(shù)據(jù)離散性顯著低于傳統(tǒng)方法。

分布式光纖、應(yīng)變片和便攜式應(yīng)變儀的CV值隨時(shí)間變化情況

收縮比對(duì)儀與分布式光纖在測(cè)試過程中CV值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

  3.抗環(huán)境干擾能力

  OFDR在三種濕度環(huán)境下均保持穩(wěn)定測(cè)量，75%RH條件下性能最優(yōu)，受濕度波動(dòng)影響遠(yuǎn)小于應(yīng)變片，其聚酰亞胺涂層與Sika 30環(huán)氧樹脂的組合可在1.6%-90%RH范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。

  結(jié)論

  基于光頻域反射技術(shù)的分布式光纖傳感器(采用武漢昊衡科技OSI-S系列設(shè)備)，適用于超高強(qiáng)海砂混凝土長期蠕變和收縮應(yīng)變的間歇測(cè)量，具有測(cè)量精準(zhǔn)、穩(wěn)定、可靠的特點(diǎn)，同時(shí)能夠獲取傳統(tǒng)傳感器無法實(shí)現(xiàn)的連續(xù)空間應(yīng)變分布數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的局限。

  在本試驗(yàn)條件下，采用聚酰亞胺涂層光纖，通過Sika 30環(huán)氧樹脂粘貼于超高強(qiáng)海砂混凝土表面時(shí)，經(jīng)3個(gè)圓柱試件標(biāo)定，應(yīng)變-頻偏系數(shù)均值為6.847με/GHz，標(biāo)定結(jié)果重復(fù)性好、一致性高。

  蠕變?cè)囼?yàn)中，OFDR分布式光纖傳感器的穩(wěn)定性和可靠性顯著優(yōu)于電阻應(yīng)變片和便攜式應(yīng)變儀，是超高強(qiáng)海砂混凝土長期壓縮蠕變監(jiān)測(cè)的首選測(cè)量方法。

  收縮試驗(yàn)中，OFDR分布式光纖傳感器測(cè)量曲線平穩(wěn)、一致性好，雖無法捕捉混凝土早期自生收縮應(yīng)變，但長期監(jiān)測(cè)性能優(yōu)異;建議采用“早期傳統(tǒng)方法+長期OFDR技術(shù)”的組合監(jiān)測(cè)方案，兼顧早期與長期收縮監(jiān)測(cè)需求。

  OFDR分布式光纖傳感器抗環(huán)境干擾能力強(qiáng)，在50%相對(duì)濕度、75%相對(duì)濕度及密封三種環(huán)境下均能穩(wěn)定工作，其中75%相對(duì)濕度條件下監(jiān)測(cè)性能最優(yōu)，其聚酰亞胺涂層與Sika 30環(huán)氧樹脂的組合可在1.6%-90%相對(duì)濕度范圍內(nèi)穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳遞。

  原文來自：

  標(biāo)題：《Intermittent monitoring of long-term concrete creep and shrinkage using OFDR-based distributed optical fiber sensors》

  作者：Yuchao Zhou, Jiayu Wu, Jian-Fei Chen, Chuying Cui, Haoran Wang

  期刊：Measurement 258 (2026) 119348