基于OTDR的桥梁安全监测技术研究.doc

华东师范大学硕士学位论文基于OTDR的桥梁安全监测技术研究姓名：吴晓斐申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：陈德智20100401 关键词：分布式光纤传感器；弯曲损耗；光时域反射技术；混凝土裂缝检测； ，琣 ； 昱堕斐硕士学位论文答辩委员会成员名单职称 地面一辆满载乘客和货物的卡车被压，造成至少人死亡；拿大魁北克一座桥梁垮塌，怂劳觯日，西班牙南部格兰纳达大桥垮塌，造成一辆观光车坠入河中，人死亡。 构内部的力学间断面，破坏结构的整体性，直接危害到结构的稳定。严重时更有可能导致结构失效甚至发生结构整体坍塌，进而威胁到人民的生命及财产安全。防缝、控缝是桥梁施工及使用时的基本要求，因为很多桥梁坍塌事故都是由于混凝土结构内裂缝的不稳定发展所致的，所以裂缝的检测就成了桥梁安全监测系统中最重要的检测内容。为了保证桥梁的安全，在施工时应采取有效的措施使结构内尽可能不出现裂缝或将裂缝的数量和宽度控制在安全范围之内，并避免有害裂缝的出现，从而保证施工质量。更重要的是，在桥梁投入使用后，需要有一套有效的桥梁安全监测系统来对混凝土结构内裂缝的分命与发展情况进行实时、准确监测，如此一来，只要发现结构内裂缝有不好的发展趋势，就可以及时采取维护措施限制住裂缝的进一步发展，从而避免类似桥梁垮塌的恶性事故发生。 混凝土结构裂缝检测技术的发展现状测物体上，通过分析检测到的反射波相对于入射波的振幅、相位、模式等特性变化，并结合对散射波的分析来了解被测混凝土构件中的裂缝分布与发展情况的技 基于光纤传感的裂缝检测技术于许多实际工程中。等人应用光纤传感器实现了高电压环境中电 付度搜觢：学位论义擎所排的废气温度【：等人将两根通信单模光纤熔接起来，并在其连接处覆以温度敏感材料制成传感探头进行温度检测【。等人设计了可以直接用于测量弯曲程度的等人对双接收型的光纤位移传感器进行了 光纤光损耗裂缝宽度关系的研究统设计方案。缝检测试验平台，做了大量混凝土结构裂缝模拟分组实验，并得到许多有用的数 非结构性裂缝造成混凝土结构内部产生裂缝的原因很多，主要有：外荷载，包括施工和使用阶段的静荷载、动荷载；物理因素，包括温度变化、湿度变化、不均匀沉降、冻涨等；化学因素，包括钢筋锈蚀、化学反应膨胀等；不当的施工操作，如制作、脱模、养护、预应力张拉、堆放、运输、吊装等。所以一般可以将裂缝分为两种：荷载引起的裂缝和混凝土自身变形引起的裂缝。 钢筋混凝土结构内裂缝的分布规律本节主要讨论混凝土梁在荷载作用下产生裂缝的情况【】。 第一二章混凝十结构裂缝分布舰律研究式中：仃某一截面处的弯曲应力，用高等表示；!D骋唤孛娲募粲秘驫表示； 第二章混凝十结构裂缝分布规律研究载后先产生斜裂缝，然后使混凝土沿斜裂缝被拉断。的全面检测就变得很困难。目前传统的裂缝检测技术均属于单点式检测法，很难 第二章混凝十结构裂缝分布律研究 第三章光纤的传输特性传感原理第三章光纤的传输特性与传感原理光纤 是一种由高度透明的石英经过复杂的工艺拉制而成的光波导材料，主要成分是二氧化硅，其中参杂了极微量的其它材料，如二氧化锗、五氧化二磷等以提高纤芯的化学折射率，密度约为痗。纤芯的直径一般为，是光波传输的主要载体。涂敷层的材料一般为硅酮或丙烯酸盐，其作用是为了有效隔离杂光，并提高光纤的韧性。 式中：口纤芯半径；其差值用相对折射率差硎荆珹：生车，其大小决定了光纤对光的约束能力以及光纤端面的受光能力。，痑乙图光纤折射率径向分布示意图 咒：图多包层结构光纤折射率径向分命示意图 性，试验表明，在的应变条件下，钢丝的弹性极限约为；在痬挠条件下，钢丝十分容易断裂。然而，在给没有损伤的光纤加载超过的应变嗟庇 所挠的条件 识度搜秎：学位论义光纤的光学传输特性当光纤的纤芯半径远大于传输光的模式半径时，可以用几何方法对光的传播一部分入射光会以折射角岛折射到光疏物质内，其余部分光会以角度岛反射回光当光线的入射角岛增大到某一角度见时，光线将全反射回光密物质内传播，。： 包层图均匀折射率光纤中光的全反射示意图在图校獯诱凵渎饰猲。的空气中射入折射率为刀，的纤芯，根据折射定律，有：。瑉一 按照几何光学理论来分析的光波在光纤中传播的特性，是以假设传输光波长等于零为自订提的，所以几何光学理论分析的光在光纤中传播的理论只是一种适用于分析光纤内光传播的近似理论。在实际情况中，当光纤的纤芯直径远大于光纤内传输光的波长时，用几何光学理论来解释光的传播特性还是比较准确的，然而，当光纤的纤芯直径与光纤内传输光的波长接近时，用几何光学理论来分析误差就会很大，也无法解释光纤中光传播的一些现象，这时就需用光纤的光波导理论来解释【】。罞：一望罤：一望式中：!N炙阕樱逦獀：昙獭兰：日磁场强度；介质磁导率； 根据式得出贝器尔方程：等七等抵咏小式中：方程和分别为标准妆慈匠毯蚼阶虚宗量贝塞尔 付度搜蘄：学位论义十分敏感，通过泄漏模特征的变化很容易就可以获得所传感的外界物理量变化的式中：旯光纤的工作波长。 生的衰减分贝数，即损耗系数口来度量：的光功率吸收。光纤的杂质吸收损耗可以通过精良的光纤制备工艺来消除。如果的杂质吸收损耗。然而，光纤中含有的氢氧根离子很难被根除，其分子振动跃迁 识度搜蝱学位论文当光纤传输小功率信号时，由于光纤中远小于光波长的物质密度不均匀，就 第二三章光纤的传输特性传感原理产生的能量辐射，光波导中原有的部分传输模将转化为辐射模，从而引起弯曲损模式泄漏，是指由光纤弯曲导致光纤中传输的各种模式发生一定程度损耗的一种物理效应。由于光纤中传输的每一种模式的场的分布均有一部分延伸到包层中，因而这种渐逝场的强度随着离光纤轴线的径向距离增加而呈指数衰减。当光纤弯曲时，为了保持波形的完整性，包层中的场须与纤芯中的场作同步运动，因此，越远离曲率中心的场运动的速度就越大，到曲率中心的临界距离处渐进场的运动速度等于光速。超过临界距离处，理论上渐进场的速度要大于光速才能继续保持波形的完整性，然而超过光速是不可能实现的，因此渐进场只能以光速在超过临界距离处继续运动，而渐进场的多余能量则从光纤中辐射出去，最终造成传输损耗。 。一；一户心纤芯光纤的宏弯示意图如图所示。当光纤弯曲时，光波就要在弯曲部分中进 由于上式求口对谋浠叵担傻昧俳绨刖禦的表达式：耗的大小与弯曲半径尺的变化关系如图所示。 图宏弯损耗口和弯曲半径尺的关系基于背向瑞利散射的光损耗测量方法光纤的散射损耗会引起光功率分散，散射光在各个方向上均有能量分布。通常把沿光纤轴线方向向后的散射称为背向散射，而通过测量背向瑞利散射强度来对整个光纤的损耗特性进行分析的方法称为背向瑞利散射法。背向瑞利散射法是在一端将大功率的窄脉冲光注入待测光纤，并在同一端检测沿光纤轴向向后返回的散射光功率。距离三为： 时域反射技术。点姆聪蛏涔拭只是的一部分，即：坟，式中：口，!獄点的瑞利散射系数；，。，颿琫籌口。，由于受光纤端面的反射率、光学系统损耗、探测器转换效率、放大器等因素 生反射和透射。纤芯 第三章光纤的传输特性感原理后向散射光的捕获比；光纤衰减系数；口。光纤后向衰减系数。 光时域反射计接收的光强及光纤内任意两点问的功率损耗，均可按光行程的口，凇口，且为常量，在此情况下，光强衰减为指数函数：哳!猯、电场、位移等， 东帅范人学顺学位论文向瑞利散射原理的光纤裂缝检测系统属于强度调制型传感系统，由光时射计和传感光纤构成，系统结构如反射计反射计集成了光源和光电探测系统，能实现对长距离光纤的单端背向 宽检测。由于能同时给出损耗点的位置信息和损耗值的大小，而传感光纤每一段都是敏感段，所以沿传感光纤长度方向上每个位置处的光强损耗情况都【】测试曲线示意图 和街郑篛鄹癖阋耍琺诹逊旒觳夥矫婺苁迪址盅躩式定功二笨损耗检测仪器。实际测得的咄躨是半商的，而是伴随着随十波动的，若自接读数会有一定误筹，如图所示。 据进行计算处理，用此方式使的测量误差减到最小。得到最小二乘法拟合直线后，利用五点法就可以计算出传感段光纤的光损耗值。五点法的计算原理如图所示，具体计算过程如下：找到波形曲线上由弯消除掉，并完整保留背向瑞利散射信号。若设背向瑞利散射信号的频宽为形， 第四章堆十弯曲损耗的分布光纤裂缝榆测系统设计单位距离内，抽样点数越多，信号的可信度就越大。然而，随着抽样点数的增加，分辨出来并进行后续分析。当光纤中某点的事件变化小于这个阈值时，会把它当作一个轨迹中的均匀斜率变化点来处理，在事件表中也不对其作分析。因此，在设定事件闽值时，要充分考虑到传感阵列中单点损耗最低的传感元，切不可将事件阈值设定的高于此传感元的初始损耗，否则会造成事件漏检或丢失，即丢点的情况。反射。将光脉冲前沿达到连接点的时间视为启示时间，且不考虑光的二次及二次 。挣东帅范人学顺学位论义爿：以两路光纤的铺设为例，如图所示。两组光纤呈某种交角俏狾根据光纤裂缝传感器原理，可得出裂缝宽度与光损耗之间的公式： 华东师范人学硕学位论文第网章基于弯曲损耗的分布式光纤裂缝榆测系统设计的动念范围是指仪器接收到的最大背向瑞利散射功率电平与噪声功率电平之差。光信号在光纤的传输过程中会产生衰减，传输的越远，衰减就越大。当信号传输到一定距离后，由于信噪比过小，会使信号淹没在噪声中。的动念范围越大，曲线线性就越好，最大测点数目也就越多。因此可通过选用大动念范围的来获得更多的测点数目。纤的单点初始损耗一般至少要大于。尼 醵度搜禝：学位论义口光纤的衰减系数； 海忿甜劐朝私彩缯釉烈晌桄统端耐能利域谨撇皈撒黼赋建撇卅图裂缝检测实验系统实物图篓嬲系竺黑揣窘黧嚣煳肌黼续时闙癉一其激 第五章混凝十裂缝模拟实验裂缝调制器的设计与制作图裂缝调制器实物图 模拟裂缝检测实验的具体方法及实验结果分析光纤令部固定，但为了实现可重复测试，试验使用塑料挚片实验将光纤固定在裂缝洲制器的测试半面上彳刊的角度的开槽中。通过旋转调节螺母的来改变裂缝宽度，分别用游标卡尺记录裂缝宽度，并用来读取对应裂缝宽度所引起的 内胃的激光器能发射和匪懑潮 表混凝土裂缝模拟实验测试数据所示。由图可以看出， 度的变化虽比较缓慢，但很有规律性。而且此时系统也有着很好的动念范围与测测得到的光损耗还受到测试波长的直接影响。可以看出，在裂缝宽度与光纤裂缝 根据光纤弯曲损耗原理，分别对测得的实验数据用最小二乘法的方式进行幂式中：么、狫下常数，是测试波长与光纤裂缝交角的系数函数，即：式中：为正常数，是测试波长与光纤裂缝交角的系数函数，即： 幂函数拟合图，。拟合曲线 识度搜觢：学位论文 表验证实验测试结果 口水 当前，该技术还处在研究阶段，在工程中的使用也只处于实验阶段。由于光时域反射计的检测精度、测量范围和空间分辨率等都直接影响到检测的结果。而在工程中进行光纤斜交铺设时，具体采用什么铺设结构才能较全面监测到结构内那些随机出现的裂缝仍是一个难题。而且在实际工程应用中还有太多不确定因素会影响到系统的检测结果。为了解决这些难题，还需要做更深入的研究。必须指出的是，光纤传感检测技术的研究是一个涉及多学科的问题，需要土木工程、光纤通讯技术、计算机技术等多学科的通力合作。想要成熟的应用该技术去实现桥梁安全监测还需要做大量的研究和实验。一旦该技术实现了工程应用，就将带来整个无损检测技术的革新，具有重大的社会意义和经济价值。 ： ；譲； 参考文献琓琇琕，琍珹， 現琍琋， ， 参考义献，琍琂甅琍縋 ，琕，琍琕，琍現 参考文献，【珼琍琌【千立久，杨少臣，建筑病理学建筑物常见病害诊断与对策，中国电力出版社， 甿。琓珼，。琍琈 攻读硕士学位期间发表的学术论文 深的体会和领悟，从他身上我看到了、学到了一个科研工作者应有的素质和品质。陈老师兢兢业业、严谨、求实的治学态度