基于OFDR的分布式光纖傳感器在混凝土長期變形監(jiān)測中的應用

  概述

  傳統(tǒng)應變片、便攜式應變儀及收縮比對儀等監(jiān)測技術存在易受環(huán)境干擾、數(shù)據(jù)波動性大、無法捕捉全場應變分布等局限，難以實現(xiàn)超高強海砂混凝土長期蠕變與收縮的精準監(jiān)測。為此本研究采用基于光頻域反射(OFDR)技術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，并在50%相對濕度、75%相對濕度及密封三種環(huán)境條件下，與傳統(tǒng)方法進行系統(tǒng)性能對比，驗證其監(jiān)測有效性。

PI光纖實物圖以及結(jié)構(gòu)示意圖

  測試方案

  1.核心監(jiān)測設備與傳感器

  采用武漢昊衡科技OSI-S設備，空間分辨率1.0mm，應變測量范圍±12000με，最大測量距離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，粘貼前對試件表面進行打磨與乙醇清洗。

  傳感器布置示意圖

  2.試件與試驗條件

  制備超高強海砂混凝土圓柱試件(φ75mm×150mm，用于蠕變試驗)和棱柱體試件(75mm×75mm×285mm，用于收縮試驗)，經(jīng)90℃蒸汽養(yǎng)護24h;試驗設置50%RH、75%RH及密封三種濕度環(huán)境，制定間歇測量方案：蠕變試驗加載前后各測1次，加載后1-7天日測，后續(xù)于第10、14、21等關鍵節(jié)點測量，總周期90天;收縮試驗1-7天日測，后續(xù)關鍵節(jié)點測量，總周期52天。

蠕變試樣光纖布設實物圖

收縮試樣光纖布設實物圖

  3.標定與數(shù)據(jù)處理

  采用3個同類型圓柱試件進行壓縮標定，基于應變片測量值建立應變-頻偏線性關系，確定PI涂層光纖與超高強海砂混凝土的應變-頻偏系數(shù)為6.847με/GHz;數(shù)據(jù)處理時剔除光纖脫粘區(qū)段數(shù)據(jù)，對全場應變分布取平均值，并通過溫度補償試件扣除溫度應變影響。

應變頻率移位關系

  測試結(jié)果

  1.測量精度與空間分辨率

  OFDR分布式光纖傳感技術可實現(xiàn)1.0mm超高空間分辨率，應變測量重復精度達±1.0με，可精準捕捉超高強海砂混凝土的細微時效變形，且能繪制傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的連續(xù)應變分布曲線。

不同時間全場應變分布特征

  2.穩(wěn)定性與可靠性

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

分布式光纖、應變片和便攜式應變儀的CV值隨時間變化情況

收縮比對儀與分布式光纖在測試過程中CV值隨時間的變化趨勢

  3.抗環(huán)境干擾能力

  OFDR在三種濕度環(huán)境下均保持穩(wěn)定測量，75%RH條件下性能最優(yōu)，受濕度波動影響遠小于應變片，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的分布式光纖傳感器(采用武漢昊衡科技OSI-S系列設備)，適用于超高強海砂混凝土長期蠕變和收縮應變的間歇測量，具有測量精準、穩(wěn)定、可靠的特點，同時能夠獲取傳統(tǒng)傳感器無法實現(xiàn)的連續(xù)空間應變分布數(shù)據(jù)，彌補了傳統(tǒng)監(jiān)測技術的局限。

  在本試驗條件下，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海砂混凝土表面時，經(jīng)3個圓柱試件標定，應變-頻偏系數(shù)均值為6.847με/GHz，標定結(jié)果重復性好、一致性高。

  蠕變試驗中，OFDR分布式光纖傳感器的穩(wěn)定性和可靠性顯著優(yōu)于電阻應變片和便攜式應變儀，是超高強海砂混凝土長期壓縮蠕變監(jiān)測的首選測量方法。

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

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

  原文來自：

  標題：《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