基于分布式光纤传感（OFDR）的冲击荷载下水泥砂浆裂纹动态监测与精准定位研究

本文系统探讨了光学频域反射（OFDR）技术在冲击荷载下水泥砂浆内部裂纹监测中的适用性。通过落锤三点弯曲实验，研究验证了分布式光纤传感对裂纹位置（误差＜2 mm）与宽度（COD误差＜±10%）的高精度捕捉能力，为动态结构健康监测（SHM）提供了关键技术支撑。

　　

Section snippets

Principles of OFDR monitoring technology

光在光纤中传输时，由于折射率分布不均，会产生散射现象，主要包括瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射三种形式。其中基于瑞利散射的分布式光纤传感（DOFS）技术通过光学频域反射（OFDR）实现高达1 mm的空间分辨率，使其能够检测微裂纹。OFDR工作原理如图1所示。光源发出的光经分束器分为两路：一路进入传感光纤，另一路进入参考光路。当传感光纤因外部应变发生变化时，背向瑞利散射光与参考光发生干涉，通过解调干涉信号可获取沿光纤分布的应变数据。

Sensing optical fibers and equipment

落锤三点弯曲测试系统包括三点弯曲支架、水泥砂浆试件、落锤测试仪和OFDR解调器（图4）。考虑到裸光纤在水泥砂浆中易断裂，实验选用带聚氨酯紧套层的光纤作为测试光纤。此外，裸光纤由纤芯、包层和涂层构成，而紧套层与裸光纤共同组成传感光纤。表1列出了实验中使用的三种不同直径光纤的参数。

Crack localization analysis

图8展示了单次U型布设光纤对应变采集的影响：当光纤两次穿过裂纹时，会产生两个明显的应变峰值。图9展示了两次U型布设的效果：光纤四次穿过裂纹时，可清晰区分四个应变峰值。对于裂纹定位，由于裂纹处应变集中，峰值位置即对应裂纹实际位置，实验误差控制在2 mm以内。裂纹开口位移（COD）通过应变积分法计算，与实测值的误差保持在±10%以内。

Conclusion

本研究通过嵌入分布式光纤对水泥砂浆试件进行落锤三点弯曲试验，得出以下结论：

1. 1.

   在冲击荷载下，0.9 mm直径光纤采集的应变曲线易受噪声干扰，而2 mm和2.5 mm光纤能稳定捕捉应变分布，精准识别裂纹位置；

2. 2.

   OFDR技术可有效监测冲击荷载下的裂纹扩展趋势，为动态断裂研究提供新方法；

3. 3.

   该技术适用于爆破、冲击钻探等工程场景的结构健康监测与灾害预防。