Как треснувший дом, оптическое волокно измеряет, на сколько миллиметров трещина открылась?
В области структурного мониторинга (SHM) и инженерного контроля безопасности зданий, измерение раскрытия трещин в домах (смещение в миллиметрах или микрометрах) с помощью оптоволокна (в частности, оптических волоконных решеток Брэгга, FBG Sensor) — это не прямое наклеивание волокна на поверхность, как линейки, а процесс, основанный на физической цепочке «передача силы и смещения — фотоупругий эффект — демодуляция длины волны».
Принципы измерения и механизмы реализации в инженерии заключаются в следующем:
I. Принцип измерения: от раскрытия трещины к расчету величины смещения
1. Перекрытие трещины и преобразование силы/смещения
При измерении трещин датчик устанавливается по принципу «две точки анкеровки, середина перекрывает трещину»:
- Обе крайние точки датчика надежно закрепляются на стабильном основании по обе стороны трещины с помощью специальных опорных кронштейнов или конструкционного клея. Участок между точками крепления перекрывает трещину. Начальная длина между двумя точками крепления задается как L.
- Когда стена подвергается нагрузке, оседанию или температурным изменениям, вызывающим смещение трещины на \Delta L (то есть трещина раскрывается на несколько миллиметров), расстояние между двумя точками крепления изменяется. Это приводит к осевому растяжению или сжатию защищенного оптоволокна, вызывая макроскопическую физическую деформацию \varepsilon:\varepsilon = \frac{\Delta L}{L}Следовательно: величина смещения \Delta L = L \times \varepsilon .
2. Физико-оптический отклик волоконной решетки Брэгга (FBG)
Внутри сердцевины оптоволокна выгравирована волоконная решетка Брэгга (FBG). Решетка удовлетворяет условию отражения Брэгга:
\lambda_B = 2 n_{\text{eff}} \Lambda
Где:
- \lambda_B — центральная длина волны отражения Брэгга;
- n_{\text{eff}} — эффективный показатель преломления сердцевины оптоволокна;
- \Lambda — период решетки.
Когда смещение через трещину растягивает оптоволокно, вызывая осевую деформацию \varepsilon, период решетки \Lambda увеличивается, а из-за фотоупругого эффекта изменяется эффективный показатель преломления сердцевины n_{\text{eff}}. Смещение центральной длины волны \Delta\lambda_B, вызванное деформацией, удовлетворяет следующей линейной зависимости:
\Delta\lambda_B = \lambda_B (1 - P_e) \varepsilon
Где P_e — эффективный фотоупругий коэффициент оптоволокна (для кварцевого оптоволокна обычно принимается около 0.22).
3. Спектральная демодуляция и вывод смещения
Свет от широкополосного источника проходит через передающее волокно к датчику, и только длина волны \lambda_B, удовлетворяющая условию отражения, отражается обратно к демодулятору волоконных решеток.
- Демодулятор с разрешением по длине волны до пикометров ( 1\ \text{pm} = 10^{-3}\ \text{nm} = 10^{-12}\ \text{m} ) в реальном времени фиксирует смещение длины волны \Delta\lambda_B.
- Сенсорная система напрямую преобразует смещение трещины с помощью калибровочного коэффициента смещения первого порядка K (единицы калибровочной формулы обычно \mu\text{m/pm} или \text{mm/pm} ), полученного при заводской калибровке:\Delta L = K \cdot \Delta\lambda_BТаким образом, можно точно определить, раскрылась трещина на несколько микрометров или несколько миллиметров.
II. Механизм температурной компенсации
Изменение температуры окружающей среды также вызывает термическое расширение оптоволокна и термооптический эффект, приводя к температурному смещению длины волны \Delta\lambda_{B, T}. При долгосрочном мониторинге строительных конструкций, чтобы исключить влияние колебаний температуры окружающей среды (например, суточных или сезонных перепадов) на измерение смещения, рядом с измерителем смещения обычно размещают температурный датчик на решетке Брэгга без механических напряжений, который не подвергается механическим деформациям. Это позволяет осуществлять дифференциальную температурную компенсацию и гарантировать, что измеренное смещение на несколько миллиметров обусловлено исключительно механическими изменениями трещины в конструкции здания.
III. Официальные сопутствующие продукты
В реальном инженерном мониторинге официальными продуктами для измерения трещин и малых смещений являются:
OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor
Технические характеристики и параметры:
- Механизм физического соответствия：Этот измеритель смещения представляет собой применение для извлечения параметра деформации, с соотношением: \text{Смещение} = \text{Общая длина} \times \text{Деформация}; заводская калибровка по длине волны для смещения выполняется напрямую.
- Формула калибровки：Формула калибровки смещения по длине волны является однофакторной, с единицами \mu\text{m/pm} или \text{mm/pm}.
- Диапазон и конструкция：Для мониторинга миллиметровых смещений, таких как трещины, часто используется сверхбольшой диапазон конструкции для инкапсуляции одноточечной волоконной решетки Брэгга, что обеспечивает прочную конструкцию, отличную долговременную стабильность нуля и устойчивость к неблагоприятным условиям окружающей среды.