摘　要：結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)的優(yōu)點，提出了一種新型光纖光柵機敏混凝土原理，并對該原理和特性進行了分析，闡明了實現(xiàn)光纖光柵機敏混凝土原理和系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和方法，并通過原理性實驗得以驗證。光纖光柵機敏混凝土在結(jié)構(gòu)的長期狀態(tài)監(jiān)測和損傷診斷方面具有良好的前景。

關(guān)鍵詞　機敏混凝土　光纖光柵　智能材料

　　混凝土作為土建結(jié)構(gòu)的主體材料和保護層材料，它的機敏性在土木工程領(lǐng)域有著巨大的需求和應(yīng)用潛力。傳統(tǒng)的機敏混凝土從它的組成來看，其傳感元件大部分都是以電學量為輸出量；而孔又是混凝土微結(jié)構(gòu)的重要組成之一，滲透是孔的基本特性和天然的不足，水或其它腐蝕物質(zhì)進入孔內(nèi)，必將對混凝土的傳感元件產(chǎn)生破壞作用， 直接影響到傳感元件的準確度、靈敏度和長期的穩(wěn)定性。另一方面，上述機敏混凝土從功能分析， 其傳感元件能對混凝土材料的整體狀態(tài)進入定性的判斷，而無法對混凝土材料內(nèi)部空間復(fù)雜的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)、損傷的位置、程度、大小做出判斷。因此，機敏混凝土的傳感組元有待更新，從而提高混凝土材料的機敏性。

      光纖光柵傳感技術(shù)是先進傳感技術(shù)發(fā)展的新階段[1～3]，其最大的特點是:對環(huán)境干擾不敏感、傳感精度和靈敏度高，能進行絕對數(shù)字式的測量和精確定位，為機敏混凝土的發(fā)展提供了良好的技術(shù)手段。

1 　光纖光柵機敏混凝土的原理

1. 1 　光纖光柵傳感的基本原理[4 ]

      光纖Bragg 光柵傳感技術(shù)是通過對在光纖內(nèi)部寫入的光柵反射或透射Bragg 波長光譜的檢測，實現(xiàn)被測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和溫度量值的絕對測量， 其傳感原理如圖1 所示。而光纖Bragg 光柵的反射或透射波長光譜主要取決于光柵周期Λ 和反向耦合模的有效折射率neff，任何使這2 個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵Bragg 波長的漂移，即有：

λB = 2 neff·ΔΛ (1)

      在所有引起光柵Bragg 波長漂移的外界因素中， 最直接的為應(yīng)變參量，因為無論是對光柵進行拉伸還是壓縮，都勢必導(dǎo)致光柵周期Λ 的變化，并且光纖本身所具有彈光效應(yīng)使得有效折射率neff 也隨外界應(yīng)力狀態(tài)的變化而變化，這為采用光纖Bragg 光柵制成光纖光柵應(yīng)變傳感器提供了最基本的物理特性。應(yīng)力應(yīng)變引起光柵Bragg 波長漂移可以由下式描述：

ΔλBε=λB (1 - Pe) Δε= kεΔε (2)

式中：Pe 為光纖的彈光系數(shù)； kε 為測量應(yīng)變的靈敏度，由于溫度變化而引起的Bragg 波長變化量。

ΔλB T = KTΔT = (α+ξ) ΔT (3)

式中：α為FBG 的線脹系數(shù)，ξ為FBG 的熱光系數(shù)。

      由式(2) 可知:基于此原理的光纖Bragg 光柵應(yīng)變傳感器是以光的波長為最小計量單位，而目前對光纖Bragg 光柵Bragg 波長移動的探測達到了Pm 量級的高分辨率，因而具有測量靈敏度高的特點；而且只需要探測到光纖中光柵波長分布圖中波峰的準確位置，與光強無關(guān)，對光強的波動不敏感，比一般的光纖傳感器具有更高的抗干擾能力。由于拉、壓應(yīng)力都能對其產(chǎn)生Bragg 波長的變化，因此該傳感器在結(jié)構(gòu)檢測中具有優(yōu)異的變形匹配特性，其動態(tài)范圍大(達10000με) 、線性度好。另一方面，在應(yīng)變測量中，為了克服溫度對測量的影響，由公式(3) 可以看出，測量系統(tǒng)可采用同種溫度環(huán)境下的光纖Bragg 光柵溫度補償傳感器進行克服。

一根光纖上準分布的多個光纖Bragg 光柵，可通過不同光纖Bragg 光柵的反射光波長(λ1， .λn)， 與待測結(jié)構(gòu)沿程各測量點(1， .n) 相對應(yīng)，分別感受待測結(jié)構(gòu)沿線分布各點的應(yīng)力應(yīng)變，使其反射光的波長發(fā)生改變，改變的反射光經(jīng)傳輸光纖從測量現(xiàn)場傳出；通過光纖Bragg 光柵解調(diào)器探測其波長改變量的大小，并轉(zhuǎn)換成電信號，由二次儀表算出待測結(jié)構(gòu)的各個測點的應(yīng)力應(yīng)變的大小及在整個結(jié)構(gòu)的分布狀態(tài)。

1. 2 　光纖光柵機敏混凝土的原理

      國內(nèi)外研究和工程實踐表明[1～3 ]，作為一類適用于惡劣環(huán)境(高溫、高壓、強化學氣氛等) 和強環(huán)境干擾(風、雨、霜、電等) 應(yīng)用的新型高精度應(yīng)變、溫度傳感技術(shù)，它為具有長期穩(wěn)定性和精確度的機敏混凝土的開發(fā)提供了理想的集感知和傳輸為一體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

      本文提出的光纖光柵機敏混凝土的基本構(gòu)成是：先將線陣、面陣或體陣的光纖光柵陣列埋置于起保護作用的預(yù)制件中，再將預(yù)制件作為傳感組元埋置于混凝土中，通過對混凝土內(nèi)部三維應(yīng)變、溫度、損傷的感知，實現(xiàn)光纖光柵機敏混凝土所具有的長期穩(wěn)定性和高精度的自診斷功能?；炷凉袒?，埋入光纖光柵預(yù)制件和混凝土構(gòu)件成為一個整體。當工程結(jié)構(gòu)自身或者載荷引起的混凝土內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變和溫度的變化就能使光纖光柵產(chǎn)生反射的波長位移信號的輸出，通過線陣、面陣或者體陣的光纖光柵恰當布置，就能反映出混凝土在埋入位置的空間力學狀態(tài)、溫度和損傷，而且通過一定的傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和預(yù)制桿件的埋設(shè)，就能對整個結(jié)構(gòu)的力學狀態(tài)、溫度狀態(tài)和損傷狀態(tài)進行探測。

2 　光纖光柵機敏混凝土的關(guān)鍵技術(shù)

      光纖光柵傳感技術(shù)作為一種先進的技術(shù)，為發(fā)展光纖光柵機敏混凝土提供了良好的技術(shù)手段。本文研究表明:采用先進的光纖光柵傳感技術(shù)與混凝土復(fù)合，研制新型機敏混凝土，必須解決以下關(guān)鍵問題。

2. 1 　光纖Bragg 光柵與混凝土結(jié)構(gòu)之間的變形匹配問題

      假定光纖光柵包裹層與混凝土之間能實現(xiàn)完好的粘貼，影響光纖傳感測量的參數(shù)便是光纖的埋沒方向、荷載及其混凝土包裹后光纖區(qū)域的力學性能?，F(xiàn)考察2個理想狀態(tài)，即光纖光柵平行于荷載方向和光纖光柵垂直于荷載方向，這將分別引起光纖光柵的軸向和法向變形。有關(guān)研究表明[5 ] :當光纖平行于荷載的情況下，要實現(xiàn)光纖埋設(shè)區(qū)域材料的應(yīng)變值的測量，光纖光柵的最小度長近似為光纖直徑的20 倍。當光纖光柵埋沒方向與荷載方向垂直，則有：

      由于E包裹層≈ E光纖， 故ε光纖必須大于ε混凝土。因此從光纖光柵傳感的可靠性來說， 光纖光柵的長度是一個最重要的因素，為此設(shè)計光纖光柵機敏混凝土時，應(yīng)注意荷載方向，解決傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)變形的匹配問題，很好實現(xiàn)了對光纖的保護。

2. 2 　光纖光柵預(yù)制桿與混凝土的相容性

      光纖光柵傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用的主要難點之一是把光纖埋入養(yǎng)護的混凝土中?；炷林杏?0 %左右的空間被石材和其它材料充填， 它們對光纖光柵布置存在很多干擾，且在混凝土填筑振搗和鏟平過程中光纖光柵將受到外力損傷。光纖光柵的這種惡劣應(yīng)用環(huán)境，促使了預(yù)制光纖光柵傳感桿以對光纖光柵進行適宜的保護。但這種埋置方式，將直接影響其使用效果，為此本文進行研究。

      光纖光柵的彈性模量、泊松比和線脹系數(shù)與混凝土的不一致，則會使光纖光柵所在處的混凝土產(chǎn)生應(yīng)力集中，有關(guān)研究表明[6 ] :彈性模量的不一致是產(chǎn)生應(yīng)力集中的最主要因素，有必要進一步分析。有關(guān)試驗研究表明[6 ] :圓柱體預(yù)制桿比其它形體預(yù)制件與混凝土有較好相容性。因此， 假定埋入混凝土的光纖傳感器是一個長為L，半徑為R 的圓柱體，彈性模量為E0，混凝土是完全勻質(zhì)的彈性體，彈性模量為EC，泊松比為μ，且為無限體，光纖光柵的應(yīng)力、應(yīng)變可表示為:

σ0 =σc (1 + Cs) (5)

ε0 =εc (1 + Cs) (6)

式中: Cs 為應(yīng)力集中系數(shù)； Ce 為應(yīng)變集中系數(shù)；ε0 為光纖光柵傳感器應(yīng)變；σ0 為光纖光柵傳感應(yīng)力；εc 為混凝土應(yīng)變；σc 為混凝土應(yīng)力。根據(jù)彈性力學， 則當L > π(1 - μ2c ) R 時， 推導(dǎo)出:

由式(5) 和式(6) 可以看出：

(1) 當E0/ Ec 值一定時， Cs 將隨L/ R 值的減小而減小， Ce 將隨L/ R 值的增大而減小，若光纖光柵進行應(yīng)變測量，應(yīng)考慮L/ R 的值大一些，一般L/ R 為10～40，光纖光柵大多能較好地測量應(yīng)變。

(2) 當L/ R 值一定時， Ce 在E0/ Ec 值較小時才較小，因此，光纖光柵的彈性模量略小于混凝土的彈性模量，可獲得較小的應(yīng)力集中和系數(shù)。綜上所述，調(diào)節(jié)預(yù)制桿的幾何尺寸、彈性模量、是能夠保證應(yīng)力、應(yīng)變的較有效傳遞。圖3 為光纖光柵預(yù)制桿。

      為了使預(yù)制桿與混凝土結(jié)合面產(chǎn)生有效地粘結(jié)，增加結(jié)合面的抗剪特性，保證應(yīng)力、應(yīng)變向預(yù)制桿有效傳遞，光纖光柵預(yù)制桿表面特征同樣起著重要作用，它對保證二者之間的粘結(jié)是至關(guān)重要的。為此，傳感器預(yù)制桿表面制作了特定的幾何形狀，其優(yōu)點： (1) 使預(yù)制桿表面和混凝土表面產(chǎn)生相互的嚙合； (2) 可利用水泥的離析而在預(yù)制表面形成光滑、致密無氣孔的水泥界面，保證應(yīng)力、應(yīng)變向預(yù)制桿的有效傳遞。

2. 3 　預(yù)制桿與光纖光柵的相容性

     預(yù)制桿在整個傳感系統(tǒng)中起著中介的作用， 其技術(shù)難點在于：一方面，如上文(2) 內(nèi)容所述，預(yù)制桿的彈性模量應(yīng)調(diào)節(jié)到略小于混凝土的彈性模量，且預(yù)制桿應(yīng)具備一定的強度；另一方面，保證光纖傳感的可能性。

     在本傳感系統(tǒng)的研究中，采用特定纖維增強的水泥砂漿以及制作工藝，研制了用于混凝土機敏結(jié)構(gòu)的預(yù)制桿。如圖4 所示，光纖光柵預(yù)制桿件組成的光纖光柵機敏混凝土面陣結(jié)構(gòu)示意圖。

3 　原理性實驗

     本文針對上述關(guān)鍵問題，在混凝土梁上進行了原理性實驗。將單個光纖光柵傳感器預(yù)制桿沿著混凝土梁的底部軸向埋入，進行混凝土梁的三點彎曲試驗。實驗結(jié)果如圖5 所示。

　　從圖中可以看出，光纖光柵預(yù)制件與混凝土結(jié)構(gòu)之間具有良好的相容性，能較靈敏反應(yīng)混凝土結(jié)構(gòu)載荷變化。當加載到30kN，混凝土開始出現(xiàn)裂紋，40kN 裂紋進一步擴展到梁的斷裂，此時靈敏度明顯增大，能實現(xiàn)裂紋的監(jiān)測。其基本上說明了這種新型光纖光柵機敏混凝土具有較高的可行性和較好的操作性。

4 　總結(jié)與展望

      本文提出了光纖光柵機敏混凝土結(jié)構(gòu)的原理和系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，又比較深入地討論了光纖光柵傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)檢測中的埋入技術(shù)， 并基于有關(guān)的埋入技術(shù)，在混凝土梁上進行了相關(guān)的實驗，實驗結(jié)果表明:本文提出的光纖光柵機敏混凝土具有較高的可行性和較好的操作性。深入開展光纖光柵機敏混凝土的研究，使其不僅能準確地反映到混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)空間三維的溫度、應(yīng)變和損傷的變化，而且還能感知集傳和輸為一體，快速地對混凝土結(jié)構(gòu)的健康狀況做出判斷，從而增加了其應(yīng)用的可靠性，滿足實際工程的要求。

參考文獻

1 　Schulz W L. Progress on monitoring of adhesive joints using multiaxis fiber grating sensors. SPIE Smart Structures Conference，Newport Beach，2000

2 　Nellen M. Optical fiber Bragg grating for structural monitoring in civil engineering116th Congress of IABSE on Structural Engiennring for Meeting Urban Transportation Challenges， Williamsbuig，2000

3 　Measures R M. Fiber2optic Bragg gratings for bridge monitoring. Cement Concrete Composites，1997，9 :21～23

4 　姜德生，Chard R，Claus O1 智能材料、器件、結(jié)構(gòu)與應(yīng)力1武漢：武漢工業(yè)大學出版社，2000

5 　Brǒnnimann R. Application of optical fiber sensors on the power dam of luzzone. SPIE，1998，3407 :386～391

6 　趙廷超，黃尚廉，陳偉民. 光纖傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力檢測中的應(yīng)用1 壓電與聲光，1996，18 (6) :394～399