摘 要：针对石英光纤容易脆断，测量范围小等问题，进行塑料光纤裂缝传感器的探究性实验，首先设计了一个简单的塑料光纤传感器，然后分别对塑料光纤做三组光损耗值-裂缝扩展宽度实验。通过分析实验结果和规律，找到了光强度损耗值与裂缝扩展宽度的关系。
关键词：塑料光纤；传感器；裂缝探测；关系
1 前 言
塑料光纤传感器在建筑物安全监测领域具有较高的应用价值，国外学者在塑料光纤传感器应用于位移、应变等物理量检测方面的研究做出了不少贡献[1-2]。水工建筑物运行过程中，裂缝是影响其使用寿命的第一因素，因此及时了解水工建筑物运行过程中的裂缝开展情况很有必要，以便第一时间采取措施而防患于未然。本文设计了一个简易的裂缝探测装置，用于研究光强损耗与裂缝扩展宽度之间的关系，为后续研究提供数据支持。
2 塑料光纤裂缝传感器
当裂缝扩展时，与裂缝斜角的塑料光纤将会发生微小弯曲，部分光从纤芯中漏出形成损耗。裂缝引起的光损耗使得光强探测器探测到的光信号强度降低，可根据光强度变化大小来确定裂缝的宽度[3]。图1为塑料光纤裂缝传感器的组成示意图。
如图1，塑料光纤裂缝传感器光源、光功率计和塑料光纤组成。光源由红光光源笔承担，起到输出光的作用，为实验装置的其实部分。光功率计用于测量最终输出光的强度。裸纤是实验中的关键部分，裂缝的产生及其扩展裸纤弯折处光的微弯损耗来表现。由于需要进行多组实验，为了方便实验操作，塑料光纤裸纤通过塑料光纤尾纤与光源和光功率计连接。实验过程中，只需要更换塑料光纤裸纤，无需替换其它实验器材，从而节约了资源提高了实验效率。
图1 塑料光纤裂缝传感器
3 塑料光纤裂缝传感器可行性探究实验
3.1 实验设计
用有机玻璃模拟水工混凝土结构裂缝的产生和扩展，用红光光源发射输入光波，使功率计记录输出光的强度变化，裸纤用于捕捉裂缝及传输光波，尾纤将裸纤与光源笔和光功率计连接起来。
3.2 实验准备
实验涉及到的实验器材有：塑料光纤光功率计，红光光源，纤芯直径为0.5 mm的三菱塑料光纤，两块规格为15 mm×30 mm×5 mm的有机玻璃板。
下面简要介绍一下该传感器涉及到的主要材料仪器：
(1)光源。本实验中光源由红光光源笔提供，功率为10 mW，发射光的波长为650 nm，与塑料光纤的工作波长相同。由于发射出的光为可视光，不会对人体造成危害，从而保证实验的安全性。
(2)光功率计。实验中采用的光功率计是型号为JW3233的光功率计，该功率计为塑料光纤专用光功率计，可校准波长有635 nm、650 nm、780 nm、850 nm、980 nm，可与实验中的红光光源笔配套使用。
(3)塑料光纤。实验中所用塑料光纤为三菱塑料光纤，包括塑料光纤尾纤和塑料光纤裸纤(分别简称为尾纤、裸纤)。尾纤和裸纤分别包括纤芯直径为0.25 mm和0.5 mm的两种。实验中，尾纤与裸纤通过塑料套管以冷接方式连接。
3.3 实验过程
(1)布置裂缝模拟装置。如图2所示，为裂缝模拟实验示意图。其中一块玻璃板固定不动，向右移动另一块玻璃板，从而模拟裂缝的产生和扩展。将塑料光纤裸纤紧贴在玻璃板上，可以使裸纤随着裂缝的扩展发生微小的变形。粘贴在右侧的裸纤通过尾纤与光源连接，粘贴在左侧的裸纤通过另一根尾纤与光功率计连接。当玻璃板发生移动且裂缝产生时，由于裸纤的微小变形将导致光纤中光强的减弱。两块玻璃板下方直尺用于测量和控制裂缝扩展宽度。
图2 裂缝模拟实验示意图
(2)光纤布置。由文献[4]可知，当裂缝与光纤之间的夹角增大时，光纤的微弯损耗降低，假设该结论适用于塑料光纤，且为了便于布置，使塑料光纤与裂缝夹角为30°。用胶带将塑料光纤固定好后，使用AB胶枪将环氧触变胶涂在裸纤与玻璃板接触的地方，保证靠近裂缝的裸纤紧贴于玻璃板并能随着裂缝的产生发生微弯。
(3)裂缝扩展及数据记录。待环氧触变胶完全凝固后，便可进入实验。
出于结构安全的最大裂缝宽度范围的考虑，且为了保证实验的准确性及效率，实验中的裂缝扩展宽度控制在6 mm以内。
开启光源和光功率计，实验模拟裂缝宽度依次为0 mm、0.5 mm、……5 mm、5.5 mm、6 mm，一共需要测量13组数据。以依次不断增加插入两块玻璃板中的刀片数量，以实现裂缝的不断扩展。每次裂缝变化至需测值时，等待5分钟光功率计数据稳定后再读取并记录数据。
实验结果见表1，为裂缝从扩展前至裂缝宽度达到6 mm过程中不同宽度裂缝对应的光强及光强度损耗值，及三次实验的平均值。
表1 光强-裂缝宽度及光损耗-裂缝宽度对应关系
3.4 实验数据处理及分析
为了后续研究的方便，以上述试验结果为基础，针对表1中数据做如下处理：以裂缝扩展前对应的光强为基准，减去不同缝宽下的光强度值，便可得到不同裂缝宽度对应的光强度损耗值，见表2所列。
根据表2，做塑料光纤光损耗与裂缝扩展宽度关系图，如图3所示。
表2 光损耗-裂缝宽度对应关系
图3 纤芯直径为0.5 mm塑料光纤光损耗—裂缝宽度关系图
通过本次试验，可以看出随着裂缝宽度的增加，光强会随之减弱，并呈现一定的规律性，这与文献[5]“光纤微弯幅度越大则光损耗越大”一致。因此可以认为，塑料光纤传感器可以用于裂缝探测。同时，由实验可知，纤芯直径较大的塑料光纤相对纤芯直径小的塑料光纤具有更好的灵敏性，在实际中可根据具体情况选择使用。
5 总结与展望
本文设计了一个简单的塑料光纤传感器，通过实验和后期的数据处理分析，找到了裂缝扩展宽度与光强度损耗值之间的关系。且验证了“裂缝扩展越厉害，则光强度损耗越多”这一规律。
大坝运行中裂缝监测的结果应该是直接的裂缝宽度值，所以需要通过建立数学模型来找到光损耗与缝宽之间的关系，这一问题将在后面的研究中开展。
