復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器的制造與性能

高琳琳，王慶林，郭云力，葉 慧，姜明順，賈玉璽

(1山東大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061；2山東大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院，濟(jì)南 250061)

光纖傳感技術(shù)是一門新興的、多學(xué)科交叉的高科技應(yīng)用技術(shù)。以傳感技術(shù)為核心的結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)逐漸成為工程結(jié)構(gòu)學(xué)科的一個(gè)重要研究方向[1-4]。光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)以其質(zhì)量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)在航空航天、大型土木工程結(jié)構(gòu)的健康檢測(cè)和智能控制方面得到廣泛應(yīng)用[5-9]。

普通單模光纖的纖芯直徑約為10μm，抗剪切能力差，在實(shí)際的惡劣環(huán)境中容易折斷。因此，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，需要對(duì)裸光纖光柵進(jìn)行封裝保護(hù)[10]。目前，國(guó)際上光纖光柵的主流封裝方式有基片式和嵌入式。其中，嵌入式封裝是將裸光纖光柵放入直徑較小的鋼管或高分子材料中，中間灌滿環(huán)氧樹脂等膠體加以固定保護(hù)[11]。嵌入式光纖光柵傳感器多用于埋入結(jié)構(gòu)件內(nèi)部、監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部的損傷變形情況。但是嵌入式光纖光柵傳感器存在埋入工藝復(fù)雜、封裝工藝對(duì)膠粘劑要求高、維修困難等缺陷，同時(shí)傳輸光纜的引出對(duì)結(jié)構(gòu)件本身的設(shè)計(jì)提出較高要求[12-16]。

基片式光纖光柵傳感器通常是將光柵粘貼在膠基基片或者刻有凹槽的剛性基板上[17]，一般應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件表面的應(yīng)變及溫度測(cè)量。其中，基片材料主要包括金屬、樹脂等。金屬基片式光纖光柵傳感器雖然具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于安裝的優(yōu)點(diǎn)，但是容易產(chǎn)生應(yīng)變傳遞損耗且易腐蝕[18]；此外，當(dāng)待測(cè)結(jié)構(gòu)件模量較小時(shí)，外貼的光纖光柵傳感器會(huì)起到加強(qiáng)筋的作用，影響測(cè)量精度；有機(jī)聚合物封裝制備的光纖光柵傳感器的抗腐蝕能力大大提高，卻存在強(qiáng)度和模量低、抗剪切能力差、應(yīng)變傳遞損耗大等缺陷[19-21]。

近年來，一些研究團(tuán)隊(duì)采用復(fù)合材料封裝光纖光柵傳感器以解決金屬和聚合物基片式光纖光柵傳感器存在的缺陷，但是這些研究尚存在諸多問題。例如，傳感器封裝材料過厚、封裝工藝不完善等帶來的傳感器應(yīng)變傳遞損耗大、測(cè)試精度及測(cè)試重復(fù)性差等問題[22-24]。

本工作中設(shè)計(jì)的傳感器采用玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板作為基板，干態(tài)玻璃纖維布作為覆蓋層，采用真空輔助灌注液態(tài)環(huán)氧樹脂的方法將光纖Bragg光柵封裝于底部的復(fù)合材料基板與上層的玻璃纖維布之間。同時(shí)，通過優(yōu)化制造工藝使得傳感器的層間界面強(qiáng)度以及粘接性能得到改善，實(shí)現(xiàn)光纖光柵傳感器對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件溫度與應(yīng)變的精確測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 FBG傳感機(jī)制

當(dāng)光纖光柵受到外力作用或環(huán)境溫度變化時(shí)，應(yīng)變和外界溫度引起的中心波長(zhǎng)漂移為[25]:

ΔλB=λB(1-Pe)ε+λB(αf+ξ)ΔT=Kεε+KTΔT

(1)

式中:ε為光纖光柵的軸向應(yīng)變；ΔT為傳感器溫度變化量；Pe為有效彈光系數(shù)；ξ和αf分別為光纖光柵的熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)；Kε和KT分別是光纖光柵的應(yīng)變靈敏度系數(shù)和溫度靈敏度系數(shù)。

當(dāng)FBG封裝于玻璃纖維復(fù)合材料內(nèi)部時(shí)，封裝材料的變形和熱膨脹會(huì)傳遞到FBG上，使Bragg波長(zhǎng)發(fā)生漂移。若用αs表示封裝材料的熱膨脹系數(shù)，則Bragg波長(zhǎng)的偏移量與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為[25]:

(2)

1.2 實(shí)驗(yàn)材料和裝置

3k型正交編織玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，單層壓厚為0.25mm，干態(tài)玻璃纖維布，面密度為280g/m2，德州富潤(rùn)復(fù)合材料有限公司；雙酚A型環(huán)氧樹脂E-51，5784脂肪胺環(huán)氧固化劑，上海爭(zhēng)銳化工股份有限公司；光纖Bragg光柵，中心波長(zhǎng)為1515～1536nm，纖芯直徑為10μm，刻?hào)艆^(qū)域長(zhǎng)度為10mm，深圳太辰光通信有限公司；平板硫化機(jī)，尺寸規(guī)格為350mm×350mm，青島光越橡膠機(jī)械制造有限公司；SHK3Ⅲ型循環(huán)水式真空泵，鄭州科泰實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限公司；自制恒溫箱，精確控溫范圍為10～50℃，測(cè)溫精度為±0.3℃；SM125光纖光柵解調(diào)儀，采樣頻率為1Hz，波長(zhǎng)精度為1pm，Micron Optics公司；等強(qiáng)度梁，自制。

1.3 光纖光柵傳感器的制造工藝

玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基片式FBG傳感器封裝過程的裝置示意圖以及鋪層展開圖分別如圖1(a)，(b)所示。其制造工藝過程如下：選取兩張尺寸為200mm×100mm的玻璃纖維/環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，將其疊放整齊后放入平板硫化機(jī)內(nèi)模壓成型，得到玻璃纖維復(fù)合材料基板。為了研究傳感器的層間界面強(qiáng)度問題，就復(fù)合材料基板的成型工藝設(shè)置了一組對(duì)照：①基板在模壓成型時(shí)采用一次性完全固化成型工藝(環(huán)氧樹脂完全固化)，在光纖光柵封裝完成后無需對(duì)基板進(jìn)行二次固化；②基板在模壓成型時(shí)采用預(yù)固化成型工藝(環(huán)氧樹脂部分固化)，在光纖光柵封裝完成后將預(yù)成型的光纖光柵傳感器整體進(jìn)行二次固化。圖2(a)，(b)為上述兩種玻璃纖維復(fù)合材料基板的固化工藝示意圖。

按照?qǐng)D1(a)，(b)的裝置示意圖和鋪層展開圖布置各類實(shí)驗(yàn)裝置和材料，使底部鋼板、上層真空袋膜以及密封膠條之間形成一個(gè)密閉空間。隨后真空輔助灌注室溫固化環(huán)氧樹脂，環(huán)氧樹脂與固化劑的質(zhì)量配比為100∶40。在真空輔助灌注過程結(jié)束后，整個(gè)裝置于室溫下固化，脫模。采用固化工藝方案①的試樣的室溫固化時(shí)間為24h，此時(shí)室溫固化環(huán)氧樹脂完全固化；采用固化工藝方案②的試樣的室溫固化時(shí)間為8h，此時(shí)的室溫固化環(huán)氧樹脂處于部分固化狀態(tài)。

圖1 封裝過程的實(shí)驗(yàn)裝置示意圖及鋪層展開圖(a)裝置示意圖；(b)圖(a)中B位置的鋪層展開圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up and the expanded view of layers in packaging process(a)schematic diagram of the experimental set-up;(b)expanded view of layers in site B of fig.(a)

圖2 玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基板的兩種固化工藝(a)基板完全固化；(b)基板部分固化Fig.2 Two kinds of curing processes of glass fiber/epoxy composite substrate(a)substrate cured completely;(b)substrate cured partly

將采用固化工藝方案①制備的玻璃纖維復(fù)合材料基片式FBG傳感器以光纖光柵所在位置為中心進(jìn)行裁剪，裁剪后的尺寸為100mm×20mm×0.8mm，編號(hào)為1#(中心波長(zhǎng)為1531nm)；將采用固化工藝方案②制備的預(yù)成型的FBG傳感器置于平板硫化機(jī)內(nèi)進(jìn)行二次固化，固化過程不加外壓，使光纖光柵傳感器在130℃下恒溫90min后取出，裁剪，得到2#FBG傳感器(中心波長(zhǎng)為1536nm)。圖3為裁剪后FBG傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 1#和2#FBG傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of 1# and 2# FBG sensors

1.4 溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

將上述兩種FBG傳感器放入自制恒溫箱中。溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用逐步升溫再逐步降溫的方法，升溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)以10℃為溫度變化的初始點(diǎn)，每10℃為一個(gè)溫度變化單位，待恒溫箱內(nèi)當(dāng)前溫度顯示值足夠穩(wěn)定后記錄該溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的Bragg波長(zhǎng)數(shù)據(jù)，直至升溫到50℃。降溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)按照同樣的步驟從50℃逐步降至10℃；如此反復(fù)進(jìn)行3次循環(huán)實(shí)驗(yàn)，所封裝的FBG未出現(xiàn)封裝裂紋、老化脫落等問題。

1.5 應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

通過溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析完成對(duì)FBG傳感器封裝工藝的篩選。同時(shí)，為檢測(cè)封裝之后FBG傳感器的應(yīng)變測(cè)試穩(wěn)定性以及應(yīng)變靈敏度系數(shù)，將2#傳感器與裸光纖光柵傳感器(編號(hào)0#，中心波長(zhǎng)為1515nm)平行且相鄰粘貼于等強(qiáng)度梁上，連接解調(diào)設(shè)備。

應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用逐步加載再逐步卸載的方法，首先在等強(qiáng)度梁的末端懸掛承重托盤，待其穩(wěn)定后讀取0#和2#傳感器的中心波長(zhǎng)，作為初始狀態(tài)的中心波長(zhǎng)。隨后按照0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,7.1kg的加載順序逐漸給托盤增重，隨后再依次減重，如此循環(huán)5次，得到光纖光柵傳感器中心波長(zhǎng)隨載荷變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4(a),(b)分別為1#和2#傳感器的中心波長(zhǎng)變化量-溫度曲線。圖5(a),(b)分別為1#和2#傳感器在各溫度點(diǎn)的重復(fù)性曲線。表1列出了1#和2#傳感器的中心波長(zhǎng)變化量-溫度曲線的斜率以及線性相關(guān)系數(shù)。

圖4 1#(a)和2#(b)傳感器的中心波長(zhǎng)變化量-溫度曲線Fig.4 Wavelength variation-temperature curves of 1#(a) and 2#(b) sensors

圖5 1#(a)和2#(b)傳感器的溫度重復(fù)特性Fig.5 Temperature repeatability of 1#(a) and 2#(b) sensors

結(jié)合圖4,5和表1的數(shù)據(jù)，可以明顯看出，2#傳感器在多次升降溫過程中表現(xiàn)出更好的測(cè)試精度和測(cè)試穩(wěn)定性。表1顯示1#傳感器的溫度靈敏度系數(shù)平均值為0.02161nm/℃，中心波長(zhǎng)變化量-溫度擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)的平均值為0.99871，低于2#傳感器的溫度靈敏度系數(shù)平均值0.02357nm/℃以及線性相關(guān)系數(shù)的平均值0.99998。同時(shí)，將2#傳感器的溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[26]中光纖光柵傳感器(將光纖光柵固定于碳纖維預(yù)浸料層間而后高溫固化封裝)的溫度標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(中心波長(zhǎng)-溫度擬合曲線的線性相關(guān)系數(shù)在0.997左右，溫度靈敏度系數(shù)平均值為0.01415nm/℃)對(duì)比，表明2#傳感器在溫度測(cè)試穩(wěn)定性、精確度等方面都有了較大改善。因此，本工作中先經(jīng)預(yù)固化過程制備復(fù)合材料基板、然后真空輔助灌注環(huán)氧樹脂、最后進(jìn)行二次固化的光纖光柵封裝工藝具有更好的創(chuàng)新性和實(shí)用價(jià)值。

表1 中心波長(zhǎng)變化量-溫度擬合曲線的斜率及線性相關(guān)系數(shù)Table 1 Slopes and linear correlation coefficients ofwavelength variation-temperature fitting curves

對(duì)比圖4(a)，(b)可以看出，1#傳感器的3次升降溫曲線的數(shù)據(jù)差別較大，遲滯現(xiàn)象嚴(yán)重，而2#傳感器的3次升降溫曲線則表現(xiàn)出良好的重復(fù)性。

對(duì)比圖5(a)，(b)可知，1#傳感器在相同溫度下的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)上下起伏的波浪狀，重復(fù)性最大相差為100pm，相對(duì)重復(fù)性誤差為10.90%；2#傳感器在相同溫度下的數(shù)據(jù)曲線較為平直，重復(fù)性最大相差為18pm，相對(duì)重復(fù)性誤差為1.87%。說明2#傳感器的溫度測(cè)試重復(fù)性和穩(wěn)定性較好，而1#傳感器的應(yīng)用可行性較低。

產(chǎn)生上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因如下：若玻璃纖維復(fù)合材料基板在光纖光柵封裝之前采用預(yù)固化工藝，在真空輔助灌注的液態(tài)樹脂室溫下部分固化后將整個(gè)預(yù)成型的FBG傳感器進(jìn)行二次固化，此時(shí)，因室溫固化液態(tài)環(huán)氧樹脂的分子量小，在室溫放置期間，低分子量的室溫固化環(huán)氧樹脂以及其中的小分子固化劑會(huì)向玻璃纖維復(fù)合材料基板的內(nèi)部擴(kuò)散；當(dāng)在高溫下二次固化時(shí)，玻璃纖維復(fù)合材料基板中的樹脂和固化劑以及真空輔助灌注的樹脂和固化劑分子運(yùn)動(dòng)加劇，進(jìn)一步交聯(lián)固化，二者層間形成較強(qiáng)的化學(xué)交聯(lián)，界面強(qiáng)度顯著提高，這使得封裝之后的FBG傳感器能有效減小熱應(yīng)變傳遞的衰減效應(yīng)，在受到溫度變化影響時(shí)可以通過Bragg中心波長(zhǎng)的變化精確反映出來，從而提高傳感器的測(cè)試精度。此外，高溫下的二次固化可以使FBG傳感器中的殘余內(nèi)應(yīng)力通過應(yīng)力松弛效應(yīng)得以釋放，提高了FBG傳感器的測(cè)試穩(wěn)定性。

反之，若玻璃纖維復(fù)合材料基板采用一次性完全固化工藝，則復(fù)合材料基板中的樹脂和固化劑以及真空輔助灌注的樹脂和固化劑分子之間無法有效地?cái)U(kuò)散，導(dǎo)致底部的復(fù)合材料基板與室溫固化環(huán)氧樹脂之間的黏結(jié)強(qiáng)度相對(duì)較低；同時(shí)，玻璃纖維復(fù)合材料基板以及室溫固化環(huán)氧樹脂在固化過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力無法通過高溫下的應(yīng)力松弛效應(yīng)釋放，它們?cè)谏郎睾徒禍剡^程中對(duì)光纖光柵的影響不同，最終使得1#傳感器在測(cè)試重復(fù)性、穩(wěn)定性和精確度等方面低于2#傳感器的。

2.2 應(yīng)變標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6(a),(b)分別為0#和2#傳感器的中心波長(zhǎng)變化量-載荷曲線。圖7(a),(b)分別為0#和2#傳感器在各載荷點(diǎn)的重復(fù)性曲線。表2列出了0#和2#傳感器中心波長(zhǎng)變化量-載荷曲線的斜率以及線性相關(guān)系數(shù)。對(duì)比圖6(a),(b)可知，2#傳感器與裸傳感器在多次增減載荷的過程中都表現(xiàn)出良好的應(yīng)變測(cè)試重復(fù)性和穩(wěn)定性且未出現(xiàn)遲滯現(xiàn)象。由圖7可知，裸傳感器的重復(fù)性最大相差為4.6pm，相對(duì)重復(fù)性誤差為1.43%；2#傳感器的重復(fù)性最大相差為4.1pm，相對(duì)重復(fù)性誤差為1.04%，說明2#傳感器具有良好的應(yīng)變測(cè)試穩(wěn)定性。表2中數(shù)據(jù)顯示，無論是裸傳感器還是2#傳感器，其線性相關(guān)系數(shù)都在0.9999以上，說明傳感器應(yīng)變測(cè)試重復(fù)性好；同時(shí)，2#傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)為0.05514nm/kg，相對(duì)裸傳感器的0.04491nm/kg有微弱提高。分析原因如下：基片式FBG傳感器具有一定的厚度，在等強(qiáng)度梁彎曲變形時(shí)，根據(jù)梁體的平截面假設(shè)，其應(yīng)變要比粘貼于梁表面的裸FBG傳感器的應(yīng)變大，造成相同載荷下基片式FBG傳感器的中心波長(zhǎng)變化量高于裸FBG傳感器的，從而使得基片式FBG傳感器的應(yīng)變靈敏度系數(shù)相對(duì)裸FBG傳感器有所提高。但是，在單向受拉或壓變形時(shí)不會(huì)出現(xiàn)該情況。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)工程結(jié)構(gòu)受力形式的不同，進(jìn)行必要的誤差修正。此外，文獻(xiàn)[27]中也采用真空下室溫固化等工藝制備復(fù)合材料基片式光纖光柵傳感器，但是該傳感器的復(fù)合材料基板采用完全固化的方式，且室溫固化完成后未進(jìn)行二次固化，其制備工藝與本工作中的1#傳感器相似。因此傳感器的層間界面強(qiáng)度相對(duì)較差，造成其測(cè)試穩(wěn)定性和重復(fù)性都不如本工作中2#傳感器。

圖6 0#(a)和2#(b)傳感器的中心波長(zhǎng)變化量-載荷曲線Fig.6 Wavelength variation-load curves of 0#(a) and 2#(b) sensors

圖7 0#(a)和2#(b)傳感器的應(yīng)變重復(fù)特性Fig.7 Strain repeatability of 0#(a) and 2#(b) sensors

Properties ofFBG sensorsSlope (0#)R2 (0#)Slope (2#)R2 (2#)Load (1)0.044690.999910.054900.99997Unload (1)0.044900.999990.055180.99999Load (2)0.045001.00.055050.99999Unload (2)0.045060.999990.055180.99998Load (3)0.044950.999990.055220.99998Unload (3)0.044810.999990.055131.0Load (4)0.045070.999980.055140.99998Unload (4)0.044910.999980.055090.99999Load (5)0.044950.999980.055300.99997Unload (5)0.044770.999980.055221.0Average0.044910.999980.055140.99999

3 結(jié)論

(1)當(dāng)玻璃纖維復(fù)合材料基板一次性完全固化時(shí)，基片式FBG傳感器溫度響應(yīng)的相對(duì)重復(fù)性誤差高達(dá)10.90%，線性擬合度為0.99871；而當(dāng)玻璃纖維復(fù)合材料基板采用預(yù)固化成型、后期整體進(jìn)行二次固化時(shí)，基片式FBG傳感器的溫度響應(yīng)的相對(duì)重復(fù)性誤差為1.87%，線性擬合度為0.99998。即后者具有更好的溫度測(cè)試重復(fù)性和穩(wěn)定性，且無遲滯現(xiàn)象，其溫度靈敏度系數(shù)為0.02357nm/℃，是裸光纖光柵傳感器溫度靈敏度系數(shù)的2.4倍。

(2)當(dāng)玻璃纖維復(fù)合材料基板采用預(yù)固化成型、后期整體進(jìn)行二次固化時(shí)，基片式FBG傳感器的應(yīng)變響應(yīng)的線性擬合度為0.99999，相對(duì)重復(fù)性誤差為1.04%，應(yīng)變靈敏度系數(shù)為0.05514nm/kg，表明玻璃纖維復(fù)合材料基片式FBG傳感器在測(cè)試穩(wěn)定性、重復(fù)性和精確度等方面表現(xiàn)優(yōu)異。