浅谈分布式光纤传感在结构健康监测的应用案例

华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第四十五期，我们邀请到来自美国劳伦斯伯克利国家实验室的研究员的罗林青博士。本次讲座中，罗博士为我们介绍了光纤传感的基础知识，和分布式光纤传感在结构健康监测的应用案例。

首先，罗博士向我们分享了光纤传感的基本概念和工作原理。目前的光纤传感器分为传统的光纤传感器、光纤光栅传感器和分布式光纤传感器。传统的传感器一般只在光纤上某一点读取信号，光纤光栅可以多点读取数据，而分布式光纤传感器可以在整个光纤上进行读取。因此分布式光纤传感器的优势是在一定的精度下能够覆盖很大的范围。

图1 分布式光纤传感技术分类

光纤传感器的原理是光在光纤中传播时遇到不均匀介质会被散射，一部分的散射光会返回发射点从而被发射点的分析仪接收。这些返回的光会发生相位偏移等变化，分析仪通过分析这些变化就可以分析出光纤所测量的应变、温度、声音等。常见的散射包括拉曼散射、布里渊散射和瑞利散射。拉曼散射常被用于监控温度变化，布里渊散射可以监控应变和温度，瑞利散射则可监控温度，声音和应变等变化。

图2光纤传感器工作原理

本次讲座中，罗博士主要介绍的是布里渊散射分析仪。其频率变化与应变变化为线性关系，比较方便读取。分布式光纤传感器的光线分辨率是指，假设50公分的光纤被每隔5公分为一小段，对每一段上的光信号进行读取，认为每段的应变为其段上变化的均值。罗博士开发了一套布里渊传感器，并向我们简单介绍了采用布里渊传感器的实际应用案例。

接着，罗博士向我们介绍到，密西西比河两岸的堤坝会在蓄洪其可能会产生沙涌现象，罗博士将分布式传感器安装在堤坝上，并且安装了环境适应系统使其能全年24小时工作。监测结果发现，在两个监测点都出现了位移的累计增长，且水位的增长和位移的增长有较强的相关性，可以怀疑为已经出现了渗水现象。

图3光纤传感器监测密西西比河堤坝渗水

此外，罗博士将分布式光纤传感器安装在桩基础上，可以对桩基础的形变进行检控。在一个对桩基础加载至损坏的加载测试，应变片，光纤光栅都没有捕捉到在加载到极值时的桩断裂位置，而分布式光纤传感器清晰的捕捉到了断裂发生的位置。

另一个有趣的案例是旧金山著名的千禧大厦，因为该大厦一直在发生沉降和倾斜，进行修补时希望加入新的桩基础。工程师希望新的桩基础可以将应力集中转移到桩的底部，从而不影响已经存在的老桩。通过光纤传感器可以监测到，新的桩基础可以把应力集中到桩基础的底部。罗博士还使用分布式光纤传感器来捕捉梁断裂的信号，因为梁在断裂时发出的信号与平时不同，可以被清晰的捕捉到。光纤传感的测量范围可以达到几十公里，罗博士将分布式光纤传感监测水管的自重变形弯曲测试。将五条光纤贴至水管的侧面的五个位置上，通过读取这些位置上的数据，就可以测得任意一个截面的变形。将这些截面的变形累计就可以得到整个管子的形状的变化。

图4光纤传感器在桩基础、裂缝、水管变形监测上的应用

最后，分布式光纤传感不仅可以测静态的变化，也可以监测动态的变化。该传感器也可以用来监测海上风机受风的影响。在杆件的侧面贴上四条光纤传感器，通过对信号进行处理可以完全获取杆件在振动中的形变和位移。罗博士还将光纤传感器用于深圳的清华伯克利大学校区大楼，其可以每分钟获取300次数据，传感器总长度甚至达到了44km。可以监测新建的地铁对现存的大楼是否有影响，土体的挖取是否会导致沉降。

图5光纤传感器在风力发电机和结构监测上的应用

本次讲座，罗博士的分享告诉我们，在未来的基础设施中配备先进传感器将提升建筑设施“智能化”的特征。相比于传统的传感器，分布式光纤传感可以提供一个短期和长期的高效监测系统，用以实现当下“智能基础设施”的重要目标，提高基础设施的安全性和韧性。

文章来源多样化结构实验室VSL，作者解兵林 姚显花 毛炜宁