一種光纖光柵智能夾層的實(shí)驗(yàn)研究

付 靜，權(quán)王民，程犁清

（西北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院陜西省光信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教育部空間應(yīng)用物理與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710129）

0 引言

在復(fù)合材料中埋入驅(qū)動(dòng)元件和傳感元件，構(gòu)成一種能感知自身狀態(tài)變化并能發(fā)出自診斷信號(hào)，從而進(jìn)行自適應(yīng)、自修復(fù)的擬生命系統(tǒng)—智能結(jié)構(gòu)。目前，智能結(jié)構(gòu)在航空航天、艦船武器和機(jī)械結(jié)構(gòu)、土木工程等軍民用結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。光纖具有徑細(xì)柔軟、耐腐蝕、抗電磁干擾、工作中不發(fā)熱及易與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相容等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，故光纖傳感器一直是智能結(jié)構(gòu)自診斷系統(tǒng)的首選對(duì)象和發(fā)展方向。但在國內(nèi)外的大量研究和應(yīng)用中，都是直接將光纖傳感器排布在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，構(gòu)成智能結(jié)構(gòu)的光學(xué)神經(jīng)，用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、溫度及損傷等［1］。這種方法存在難以解決的諸多問題［2，3］:1）當(dāng)光纖嵌入復(fù)合材料內(nèi)時(shí)容易破裂，光纖接口部分缺乏必要的保護(hù)，影響結(jié)構(gòu)外形且難以加工;2）傳感器陣列嵌入復(fù)合材料內(nèi)之前，缺乏一個(gè)標(biāo)定環(huán)節(jié)—如何確保傳感器性能的一致性;3）嵌入光纖傳感器網(wǎng)絡(luò)后，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能受到較大影響;4）復(fù)雜的嵌入工藝不易廣泛地使用。解決上述問題途徑之一是設(shè)計(jì)和制作標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和集成化的光纖智能夾層。

1 理論基礎(chǔ)

光纖Bragg光柵（fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）傳感器是在光纖的一小段范圍內(nèi)沿軸向使纖芯折射率發(fā)生周期性變化而引起的芯內(nèi)體光柵，具有波長編碼特性，即一寬帶光經(jīng)過FBG時(shí)，滿足中心波長λB（Bragg條件）的光波被反射回來，見圖1。

圖1 FBG工作原理圖Fig 1 Working principle diagram of FBG

由耦合模理論可知［4］

式中neff為導(dǎo)模的有效折射率，Λ為光柵周期。

當(dāng)應(yīng)變變化Δε和溫度變化ΔT同時(shí)作用時(shí)，F(xiàn)BG中心波長的改變是兩者的線性疊加，溫度和應(yīng)變變化獨(dú)立或只有微弱擾動(dòng)，則可得［5，6］

式中Kε和KT分別為光纖光柵的軸向應(yīng)變和溫度靈敏度系數(shù)，pε為導(dǎo)模有效彈光系數(shù)，α為熱膨脹系數(shù)，ξ為熱光系數(shù)。

由式（2）知，當(dāng)測量點(diǎn)的溫度、應(yīng)變同時(shí)變化時(shí)，單個(gè)FBG不能區(qū)分它們各自引起的波長移動(dòng)，無法給出精確的測量值，可采用雙波長矩陣法解決交叉敏感問題［7］。雙重FBG具有溫度自補(bǔ)償效應(yīng)。所謂雙重FBG，是在光纖同一位置經(jīng)兩次紫外曝光寫入2個(gè)不同周期的光柵，結(jié)合式（2），其中心波長的變化可表示為［5］

2 FBG智能夾層的制作

2．1 雙重FBG毛細(xì)鋼管封裝工藝

本實(shí)驗(yàn)中選用的雙重 FBG的中心波長為1 530，1560 nm，標(biāo)定柵區(qū)長為20 mm。將柵區(qū)用改性丙烯酸酯封裝在外徑0．5mm、內(nèi)徑0．25mm、長27mm的不銹鋼毛細(xì)管內(nèi)。封裝時(shí)，通過移動(dòng)微位移平臺(tái)給雙重FBG施加一定的微應(yīng)變;然后用鑷子夾住毛細(xì)鋼管將其輕輕移向柵區(qū)，使柵區(qū)處于管的正中部位［8］;再在管的兩端分別施下改性丙烯酸酯膠體而將柵區(qū)封裝于管中間，清理余膠;0．5 h后將封裝好的FBG放入烘箱進(jìn)一步烘干、固化。封裝過程中使用由日本ANDO生產(chǎn)的型號(hào)為AQ6317C（分辨率為0．01 nm）觀測Bragg反射波長漂移，見圖2，光源為EXFO公司ASE寬帶光源FLSA—2300B。

封裝毛細(xì)不銹鋼管的主要作用:1）鋼管的膨脹系數(shù)大于SiO2，可起到溫度增敏效應(yīng)［9］;2）增強(qiáng)柵區(qū)機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)柵區(qū)，保證FBG傳感器信號(hào)的準(zhǔn)確性。封裝后傳感頭體積很小，便于埋入光纖智能夾層。

2．2 FBG智能夾層的制作工藝

圖2 雙重FBG封裝實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig 2 Experimental system diagram of double FBG packaging

所謂FBG智能夾層是指預(yù)制了FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)的層狀鋪層，其中含有FBG傳感器和基體材料［10］。按照自診斷系統(tǒng)的要求，F(xiàn)BG傳感器網(wǎng)絡(luò)排布在夾層中間。

光纖智能夾層埋入復(fù)合材料層合板并隨之一同固化時(shí)，需要耐受一定的溫度和壓力，因此，基體材料應(yīng)滿足該溫度和壓力要求，具有良好的介電性能，并能夠與復(fù)合材料良好結(jié)合，不對(duì)結(jié)構(gòu)性能造成太大影響［11］。聚酰亞胺薄膜具有優(yōu)良的耐高低溫性（長期耐溫:－269～280℃）、介電性、耐輻射性及高韌性和與復(fù)合材料良好的結(jié)合性能，適宜作基體材料。PET薄膜是一種高透明薄膜，韌性強(qiáng)，熱穩(wěn)定好，電氣絕緣性能優(yōu)良，耐腐蝕，適用溫度為－60～120℃，是基體材料的良好選擇。

智能夾層制作過程如下:分別將1張200 mm×200 mm、厚為0．025 mm的聚酰亞胺薄膜和PET薄膜用無水乙醇清洗干凈，備用;將聚酰亞胺薄膜平鋪于平板上，并把UV膠涂于薄膜上，厚度約0．3mm;將由毛細(xì)鋼管封裝好的FBG傳感器理順粘接定位;再在其上涂一層厚約0．3mm的UV膠;將PET薄膜平鋪其上;最后，用電熨斗熨平夾層表面，將夾層內(nèi)多余的UV膠擠出并清理，再將其置于365 nm的紫外燈下固化30 s，燈距為120 mm，見圖3。

圖3 光纖智能夾層示意圖Fig 3 Schematic diagram of fiber-optic smart layer

制作中使用的固化膠為5802T1的單組分UV無影膠，具有氣味低、固化快、粘結(jié)強(qiáng)度高、機(jī)械性能好、耐腐蝕、固化后膠層無色透明、體積收縮率小等特點(diǎn)，適用溫度范圍為－54～150℃。對(duì)夾層內(nèi)FBG傳感器的測試表明:FBG傳感器性能完好，即使在承載過程中仍具有良好性能，軸向拉伸與壓縮試驗(yàn)表明:較之未埋入光纖光柵智能夾層的玻璃纖維復(fù)合材料試件而言，埋入智能夾層試件的軸向抗拉和抗壓強(qiáng)度均有所降低，約6%～10%。

3 FBG智能夾層的傳感性能實(shí)驗(yàn)

3．1 溫度測量

采用水浴方法，對(duì)雙重FBG智能夾層的溫度傳感特性進(jìn)行標(biāo)定，用光譜儀觀測反射波長的漂移，并用溫度計(jì)記錄溫度變化情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 雙重FBG智能夾層的溫度標(biāo)定圖示Fig 4 Diagram of temperature calibration of double FBG smart layer

由圖4可見，Bragg光柵波長漂移與溫度變化之間具有良好的線性關(guān)系，溫度靈敏度系數(shù)分別為KT1=0．023 nm/℃和KT2=0．021nm/℃，較裸光柵的高出2 倍多。為獲得更高的測量精度，在溫度變化范圍較大時(shí)，應(yīng)考慮非線性效應(yīng)對(duì)折射率的影響［12］。

3．2 應(yīng)變測量

采用鋼質(zhì)矩形懸臂梁結(jié)構(gòu)，對(duì)雙重FBG智能夾層的應(yīng)變傳感特性進(jìn)行標(biāo)定。把智能夾層用502膠粘貼于靠近固定端的柵長為20 mm的應(yīng)變計(jì)旁邊，應(yīng)變計(jì)的引線接應(yīng)變儀檢測其輸出的應(yīng)變，在實(shí)驗(yàn)室封閉環(huán)境下，短時(shí)間內(nèi)溫度變化很小，可認(rèn)為是恒溫，室溫22℃，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可知，雙重FBG智能夾層應(yīng)變傳感的線性度較好，應(yīng)變靈敏度系數(shù)分別為Kε1=0．00085 nm/10－6和Kε2=0．00059 nm/10－6，比裸光柵的略微降低。由于智能夾層內(nèi)的傳感頭為柵區(qū)和一段毛細(xì)不銹鋼套管構(gòu)成，在智能夾層固化過程中套層接頭處可能出現(xiàn)膠體富集，使傳感器受載時(shí)產(chǎn)生滯后，可通過改進(jìn)FBG智能夾層的制作工藝解決，也可進(jìn)一步通過穩(wěn)定溫度、減小懸臂梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部和外表面溫度梯度現(xiàn)象的影響（如可采用等強(qiáng)度懸臂梁）、選擇應(yīng)變傳遞性能更好的膠和粘貼工藝等進(jìn)一步提高智能夾層內(nèi)FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。

4 結(jié)束語

圖5 雙重FBG智能夾層的應(yīng)變標(biāo)定圖示Fig 5 Diagram of strain calibration of double FBG smart layer

本文提出的雙重FBG智能夾層制作工藝簡單易行，穩(wěn)定性和重復(fù)性好，有較高的測量精度，且智能夾層的埋入對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響較小，可滿足工程測量要求。利用智能夾層中的FBG傳感器網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的信息處理技術(shù)，結(jié)合復(fù)合材料力學(xué)性能分析，可建立材料固化、結(jié)構(gòu)損傷等主動(dòng)、在線和實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。

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