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分布式光纤传感器结合在混凝土结构表面的条件：一种获得定量的应变测量的方法
摘要：分布式光纤温度传感系统是一种新兴的、创新的技术，允许远程和高灵敏度连续应变/温度监测。感应电缆采取表面贴装或嵌入到土木工程结构，以确保长期结构性监测和早期裂纹检测。然而，由于光纤的中间材料层和基质材料（例如，传感电缆的防护涂料和粘合剂）中的剪力传递，光纤的应变分布可能不同于结构的实际应变。因此，光纤传感器必须能提供准确的定量应变测量。本研究提供了一种分布式光纤系统的结合在混凝土结构表面的条件。这种结合条件通过所谓的力学传递函数的计算实现，其将光纤中的应变曲线与结构的实际应变曲线联系起来。该方法需建立系统的数值模型，其力学参数通过实验进行校准。一个案例研究是将一个特定的表面贴装传感电缆连接在一个光学频域反射调解仪上。实验发现：（1）拉力实验可以提供数值模型的材料和结合面的详细信息；（2）校准模型使计算光纤的应变曲线成为可能，因此可以计算系统的力学传递函数；（3）实验结果符合在一个有裂缝的混凝土梁上做的四点弯曲实验中收集的实验数据。本文的组织结构如下：首先，技术背景与分布式光纤系统有关，简要描述了调解仪，定义了力学传递函数，提出了上述的结合条件。第二部分，这个方法被应用于一种特殊的电缆。最后，实验证据的对比验证了所提出的方法。
关键词：分布式光纤传感器，应变监测，土木结构，表面贴装传感器，裂纹检测和测定，普通混凝土结构
1.介绍
1.1背景
结构健康监测是调查研究中一个活跃的领域，其旨在通过监测不同的时间尺度的关键参数评估结构性能和民用基础设施的性能。能提供有效的指标来预测仪器结构的剩余寿命，并能帮助从业者和基础设施业主优化维修业务，并降低维护成本。
传统上，钢筋混凝土结构的监测使用短规传感器，如应变仪；或者是长规传感器，如振动线规或者线性差动传感器。在过去十年中，光纤传感器已被越来越多地使用，并已被证明是传统传感器极具发展前景的替代品[1]。它们轻便，在大型结构上并不显眼，不受电磁波影响，并且不会腐烂。由于光在纤维中传播的低衰减度，它们可以进行超过几百米到几千米的测量，使得光纤传感器成为一种监测桥梁、水坝、管道等长结构的理想工具。另外，由于纤维既是传输介质又是换能器，高程度的多路复用成为可能，电缆线的安装成本也降低了。
分布式光纤传感器由一个搭配了标准光纤的调解仪单元组成。测量基于反向散射光信号的分析，其允许以用户可调的灵敏度持续监测光纤的应变和温度。虽然很多技术可以使用，但目前的研究重点是光学瑞利散射的频域反射计的使用。通常进行厘米到毫米级空间灵敏度的应变测量,但测量范围仅限于一百米。
当管理混凝土结构的时，定量的应变测量、裂纹检测和裂纹开口位移评估是需要克服的关键性问题[3]。光纤传感器技术现在被广泛认为是的一种强大的早期裂缝检测工具。然而，定量应变测量仍然是一个问题，因为光纤记录的应变曲线并不完全是周围的混凝土介质，由于光纤和结构（涂料、粘合剂等）之间的中间层介质。为了获得定量应变测量，在先前的一次操作中[6]引入固定光纤电缆的一般方法，并且证明对嵌入式电缆[7]有效。这种方法可以计算主体结构光纤的所谓力学传递函数 ，这将在下面描述。本文的目的是将结合条件应用于表面贴装的电缆，并且确定传统应变测量的结合条件之后，比较定量的测量结果以使这种方法适用于贴装电缆。
1.2力学传递函数的分布式光纤温度传感系统
光纤传感系统采用表面贴装或嵌入到土木工程结构中[3]。为了监测钢筋混凝土结构，电缆通常在浇注混凝土之前固定在钢筋上。因此，这种嵌入式传感器适用于新结构，与表面贴装的光纤传感系统可以贴装在任何现有的结构表面不同。
为了在危险的安装过程和环境条件下保护光纤，将它嵌入到有一层或多层防护层的电缆中。电缆的几何结构和设计是多功能的，如图1所示，可能十分复杂。数根纤维通常是一起包装成一根单独的电缆。为了能够粘合在结构的表面，传感电缆可以被机械的固定或者用合适的粘合剂粘合。
从力学的角度看，结构的应力通过保护层和粘合剂层传递到光纤上，主要是剪切应力下的变形。由于这种剪切机制，纤维的应力水平比在结构中低，因此纤维避免因高应力集中而引起裂纹。但是,，由于光纤传感系统的应变测量不同于结构中实际的应变，纤维中的应变测量并不能直接定量。
对于一个线性应力转移(通过结合面和材料), 结构实际应变和光纤的测量应变 之间的关系可以写成:
其中x是纤维上的目标位置，otimes;是卷积算子。MTF是标准的，因为它的面积等于1(无单位)。根据前面的方程，当结构的应变是一个狄拉克delta;函数(delta;)，MTF等效于光纤应变分布，它可以描述一个无限窄缝:
换句话说，MTF是由粘合在结构上的OFS的脉冲响应。在现实情况下，裂纹的有限开口，和结构诱导应变分布可以被描述为一个矩形函数Pi;omega;(x),x = 0的位置是裂纹中心,
当裂纹张开位移相对于系统的特征维度足够小(换句话说，如果MTF在长度上不发生显著的变化)，方程(1)和(3)推导出如下的应变分布测量表达式:
这个MTF对获得准确的测量和分析裂缝开口是至关重要的。因此，一些基于Volkersen理论的分析研究 [9]是由不同作者进行构建混凝土结构中受到各种边界条件的OFS的模型并得出相应的光纤应变分布表达式。例如，Ansari 和Libo [10]研究了一种嵌入混凝土基质中带有保护涂层的OF，D. Li 等人 [11]研究了多层轴对称电缆。W Y Li 等人 [12]一直在研究仅有粘结层的表面贴装纤维，而Her 和 Huang [13]的研究增加了保护层。最后，Feng 等人 [14]已经开发出一种用于OFS桥接在混凝土基底裂纹上的轴对称模型，它同样具有常应变。他们同时考虑了保护层和粘合层的存在。他们的研究都是基于以下假设：所有的材料都处于弹性阶段，所有结合面（相互作用）都完美结合，忽略纤维和混凝土的剪切和横向变形，只考虑中间层的纯剪切变形。在目前的研究中，刚度没有作类似的假设，它将通过实验观测来验证。
从[14]中的结果，在假设（忽略作者考虑的基底的常应变）下，由力平衡方程和不同层之间变形的相容性可以推导出MTF理论：
下标、和代表相关的纤维(核心和包层)、涂料和粘合剂的数量。是石英光纤的杨氏模量，和是剪切模量，和、 、是半径。是剪力滞参数，它依赖于目标系统(电缆和主结构)机械性能，它是该系统的一大特点。与有效粘结长度成反比：
基于Yuan [15]提出的定义，与最短结合长度有关，它对于传递外加载荷的97%的必要的。
1.3一种确定实际电缆的MTF的方法
如图1所示，电缆可能不是轴对称的，材料或结合面可能出现更复杂的性能。因此，常常需要使用一个有限元数值模拟系统来确定应力传递机制。然而，这暗指所有电缆成分的力学性能和所有的相互作用规则是已知的，但在现实中很少会出现这种情况。在一项开创性的研究中，Nellen等人[16]提出了一种基于测量由光纤粘结的铝盘组成的钟摆的扭转频率的新方法来测量光纤涂层的剪切模量。然而，这种方法并不适用于多层涂层， 如奥尔森等人[17]使用纳米压痕法来测量纤维涂层硬度。有很多方法都可以用来描述结合面，像俾斯麦等人[18]使用的嵌入式技术，但它仍然很难应用于电缆中的各种结合面。
如图2所示，该方法包括两个主要步骤：首先是标准机械试验的有限元数值模拟校准测试(抗拉和拉拔力实验)，然后是校准模型MTF的计算。
在第一步中, 进行抗拉和抗拔实验来评估材料的相关性能和电缆结合面，随后确定材料线性弹性性能和完美粘合的区间。有限元模型的试验采用平行测试。更准确地说，校准过程可以比作一个识别的逆过程。试验和相应的建模允许各自确定特定参数的实验值和计算值，这种参数称作观测参数。确定力学参数，输入到模型中，然后调整直到观测参数的计算值到达相应的实验值。在目前的研究中，观测参数是剪力滞后参数，每一个都对应一个特效实验组态。这将在下一节详细描述。
然后建立了一个主体结构的整体电缆有限元模型，其力学参数都已在前一步中校准。最后，使用整体数值模型来建立由表面裂纹开口导致的光纤应变分布，从而由方程（4）得到电缆的MTF的确定数值。
本文旨在说明这种方法的有效性，当应用于表面贴装系统时，尤其是电缆粘结在混凝土结构表面。应该注意的是，它考虑了粘结电缆初始阶段的性能，而没有考虑系统的长期行为。接下来，这种方法会在购置到特定电缆的情况下一步步实施。
2.结合在混凝土结构上电缆的MTF的测定
2.1电缆的描述
由Neubrex有限公司[19]开发、Fujikura有限责任公司制造的FutureNeuro TM电缆，包含两个单模OFs，其嵌入泡沫胶带从而粘结在结构表面，并涂上保护层(图3)。因此，不需要额外的粘合剂。这两种纤维，由直径石英玻璃制成，外径的涂层保护，与聚合物基体组装在一起。这一套称为电缆芯。电缆总宽度和厚度大约为8和0.6毫米。本电缆适用于主体结构表面应变传感系统。它正常工作温度范围从到，可以适用于不同的基质，尽管目前的研究仅对于混凝土结构。
2.2校准步骤:力学实验
力学实验旨在提供所有相关的力学性能，它们将被用于粘合在混凝土结构上电缆的整体有限元模型。
2.2.1实验设备
实验人员在加载能力为的英斯特朗5969万能试验机进行了力学实验。目前实验设备配备了100 N负荷单元和合适的控制设备。拉伸载荷传递样本贴附在上部和下部。所有实验采用了1毫米每分钟上层滑架的位移速率。目前的实验中，仪器配备了测力传感器和适用的夹紧装置。拉伸载荷被传递到粘附在夹具的样本上。所有的测试都使用的上层滑架位移速率。使用高级视频应变计进行精确位移和应变测量。它由一个高灵敏度的数码相机和实时图像处理软件组成，可以追踪两个刻画在试样表面标记的距离。这些标记如图6所示。计算机收集测力传感器和高级视频应变计的数据并显示实时载荷与应变曲线。
卢娜科技公司将瑞利调解仪商业化为光学反向散射仪。根据瑞利调解的工作原理，光纤中传播的信号是调频的，反向散射信号则经过了傅里叶变换。在这种情况下，光纤的力学状态的改变会引起瑞利散射振幅的变化，从而引起相应频域中的频移。因此，收集的原始数据是一种频移，其给予光纤相对于一个初始状态的应变和温度变化，根据校准方程(8):
由于数据采集需要光纤处于稳定，要在力学实验中进行持续加载。当上层滑架位移停止，记录每一个阶段曲线。
简而言之，这个过程提供了两种类型的实验数据：
-传递到试样中的总负载应力曲线（均布在两个标记之间）。当实验仪器的上层滑架移动时，需要记录这些曲线。
-位移保持不变时记录光纤的应变剖面。
每一种测试要测试三种试样，平均每个试样要进行10个加载过程。实验室温控制在。
后两个小节将详细呈现抗拉和抗拔实验，以及他们对有限元模型力学参数的校准分析。这个校准步骤已经包含数值模拟(见1.3节)，但为了使这部分尽量简单)，建模的细节将在后面的第三节，它将使用校准有限元模型计算MTF。
2.2.2抗拉实验。抗拉实验在剥离出电缆的单根光纤(即只有主涂层的石英光纤)上进行。为避免在夹具上挤压或破坏光纤，每一个试样的末端用强力胶水（乙基氰基丙烯酸酯胶水固化后具有近似的杨氏模量 [20]）粘连在金属架上，然后将金属架夹紧在夹具上（金属架可以被视为图6中的抗拔试样）。试样和固定装置之间的粘合就完美了。所有的试样都会使用这种金属架。
图5中展示了抗拉试样实验的两种曲线。石英光纤的杨氏模量根据平均斜率线性负载和应变曲线计算(图5(a))，假定主涂层(很明显比石英光纤的杨氏模量低)在两金属架之间样本的拉力响应中不发挥任何重要作用。计算得出。应变曲线（图5）显示了两个金属架之间纯拉伸区域的常量部分和两端（样本粘合在金属架上的区域）的指数形状部分，核算了光纤和金属架之间通过中间层剪切形变的线性应力传递，结果与上述的分析模型一致。因此，测试系统运行的方式非常类似于轴对称分析系统，它证明了电缆内所有结合面在规定应力范围内的正常运行。这取决于方程(6)中涂层的剪切模量和石英光纤的杨氏模量。抗拉实验的有限元数值模拟使验证涂层的剪切模量并进行之前提出的校准过程成为可能。注意到方程（5）和方程（6）的解析式得到同样的结果，再次证明研究中的系统非常接近 [9]中的简化分析系统。
一个石英光纤的预涂覆层破坏出现在所有的测试试样金属架上端附近。然而，当预涂覆层出现破坏时，没有案例显示负载和应变曲线异常，证明拉力响应只由石英光纤控制。同样的破坏还出现在抗拔实验中，如图6（a）所示。这样的破坏很有可能是由实验条件（金属架未对准引起的弯曲，金属架引起的预涂覆层破坏或者剥离和试样准备时的微小损伤）引起的，与材料在重载条件下会出现的固有破坏无关。
2.2.3 抗拔实验
抗拔实验常用来检测胶结件[21]上两种材料结合面间不同类型粘合物的性能。在[22]中，使用抗拔实验来评估环氧基光纤的结合面的性能，作者旨在将OFs嵌入到玻璃纤维增强聚合物中。在[23]中作者描述了双倍抗拔实验中外部加固碳纤维增强塑料和混凝土棱柱之间的粘合状况。
为了描述所研究电缆的结合面，电缆芯粘结和混凝土粘结结合面都要进行检测。系统的两种标记做在所研究材料结合面的两侧。为了实验方便，移除电缆的胶带的一部分来为试样的混凝土粘结面的抗拔实验做准备。如图6(b)所示。两种类型的抗拔测试曲线如图7和8所示。
电缆芯结合面抗拔实验应变曲线 (图7(b))有一次显示为指数形状且试样的两边具有不同的衰变速率。它们对应两个不同系统的剪力滞参数：一方面整个电缆完全粘结在金属架上（应变剖面的左边和试样下部的金属架，如图6（a）所示），另一方面 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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