萬里冰，李凱旋

(北京交通大學 機械與電子控制學院，北京100044)

0 引 言

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)是光纖纖芯折射率沿光纖軸向呈周期性變化的一種光纖光柵。近些年來，隨著FBG 制造技術(shù)的成熟，其在通信和傳感技術(shù)領(lǐng)域均得到廣泛關(guān)注［1，2］。在傳感技術(shù)領(lǐng)域，F(xiàn)BG 作為應(yīng)變傳感器最為常見。目前，F(xiàn)BG 應(yīng)變傳感器的研究和應(yīng)用已從實驗室拓展到實際工程領(lǐng)域，國內(nèi)外學者已經(jīng)將FBG 應(yīng)變傳感器應(yīng)用到橋梁、大壩、海上石油鉆井平臺等大型工程設(shè)施的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，通過實時監(jiān)測內(nèi)部應(yīng)變、應(yīng)力、裂紋等參數(shù)評估結(jié)構(gòu)損傷程度和服役狀態(tài)［3，4］。相對于傳統(tǒng)的電阻應(yīng)變片，F(xiàn)BG 測量應(yīng)變時具有抗干擾能力強、絕對值測量以及在一路光纖上應(yīng)用波分復(fù)用技術(shù)就可以實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點，尤為得到科研人員的認可。橋梁、海上鉆井平臺等工程結(jié)構(gòu)在風力或海浪的作用下，需承受交變的載荷，因此，對這些結(jié)構(gòu)進行應(yīng)變、應(yīng)力監(jiān)測的FBG自身的疲勞性能研究具有重要意義。舒岳階對FBG 的應(yīng)力疲勞理論進行了分析和研究，并提出了基于光譜特性改變的疲勞評價指標［5］，指標能夠評價FBG 的疲勞程度，但不便于應(yīng)用在實際的應(yīng)變監(jiān)測中。黃國君則采用實驗的方法研究了金屬封裝FBG 應(yīng)變傳感器的疲勞可靠性，其實驗結(jié)果無法分辨?zhèn)鞲衅鞣庋b材料和粘接劑的疲勞效應(yīng)對FBG 疲勞性能的影響［6］。Ang J 以斷裂強度作為評價FBG 疲勞壽命的指標，但FBG 在疲勞過程中反射光譜即會產(chǎn)生畸變，在疲勞斷裂之前就已經(jīng)喪失傳感能力［7］。

本文從實際應(yīng)用的角度研究了FBG 應(yīng)變傳感器的疲勞性能，為其在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域更為廣泛深入的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 FBG 的疲勞性能測試

1.1 試驗方法和步驟

為了獲得FBG應(yīng)變傳感器在交變載荷作用下的疲勞性能，本文將FBG 預(yù)先埋入樹脂基復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層中，經(jīng)高溫高壓工藝后預(yù)浸料固化成型為復(fù)合材料層合板。高溫高壓過程使埋入的FBG 與層合板樹脂基體緊密結(jié)合成一體，當承受載荷時，二者協(xié)同變形，產(chǎn)生相同的應(yīng)變，即通過FBG 就可測得試件在加載方向的應(yīng)變。將埋有FBG的層合板加工成如圖1 所示的試件，共制作了2 支埋FBG的試件，埋入的FBG 位于預(yù)浸料鋪層(共16 層)第8 層和第9 層之間。試件長250 mm，寬15 mm，兩端粘貼玻璃鋼加強片。采用PLG—200C 高頻疲勞試驗機對試件進行疲勞循環(huán)加載，加載頻率為66 Hz。FBG 的反射光信號由美國Micron Optics公司生產(chǎn)的集成解調(diào)系統(tǒng)FBG－IS 采集。試驗過程中為去除環(huán)境溫度波動對應(yīng)變測量結(jié)果的影響，設(shè)置參考FBG 作為溫度補償措施。

圖1 埋FBG 復(fù)合材料試件Fig 1 Composite specimen embedded with FBG

在疲勞試驗機卡頭上安裝試件并啟動試驗機，采用控制載荷(施加于試件上的循環(huán)最大、最小載荷保持不變)的拉—拉疲勞加載方式對試件進行循環(huán)加載，疲勞試驗參數(shù)如表1 所示。表中，1#試件縱向拉伸強度極限σb為1 270 MPa，2#試件縱向拉伸強度極限為566 MPa，兩個試件拉伸強度極限的差異是由復(fù)合材料預(yù)浸料鋪層方向不同所致。疲勞加載過程中，循環(huán)載荷每增加5 萬(或10 萬)次，暫停疲勞加載，對試件進行靜態(tài)拉伸加載，記錄試件在對應(yīng)循環(huán)最大載荷、最小載荷以及平均載荷時的布拉格反射波長信號，根據(jù)FBG 應(yīng)變靈敏系數(shù)即可得到相應(yīng)時刻的應(yīng)變值。

表1 疲勞試驗參數(shù)Tab 1 Parameters for fatigue experiment

1.2 試驗與結(jié)果分析

1#，2#試件在疲勞過程中最大/平均/最小應(yīng)變增量—循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線分別如圖2 和圖3 所示，圖中的散點為FBG 測得的數(shù)據(jù)，實線為測試數(shù)據(jù)的擬合曲線。

從FBG 應(yīng)變測試結(jié)果曲線可以看出:兩個試件疲勞過程中的應(yīng)變變化規(guī)律相似:疲勞過程中兩個試件的最大/平均/最小應(yīng)變均呈增加趨勢;在疲勞初始階段，應(yīng)變增加較快，隨后進入第二階段，應(yīng)變呈線性緩慢增長，并且這一階段在總循環(huán)周次中占據(jù)大部分。由復(fù)合材料層合板的疲勞理論知，在交變載荷作用下，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，由于試件內(nèi)部損傷逐漸積累，試件剛度會產(chǎn)生下降，當施加于試件上的交變最大載荷、平均載荷、最小載荷不變時，對應(yīng)的試件最大應(yīng)變、平均應(yīng)變和最小應(yīng)變隨循環(huán)次數(shù)增加而增大。試驗結(jié)果顯示:FBG 測得的應(yīng)變變化曲線完全符合上述復(fù)合材料層合板疲勞理論，曲線變化趨勢反映出試件的剛度下降歷程，埋于試件內(nèi)的FBG 在分別經(jīng)歷多達50 萬次(2#試件)和100 萬次(2#試件)循環(huán)載荷作用過程中，均保持了良好的應(yīng)變測試能力。

圖2 1#試件應(yīng)變增量隨循環(huán)次數(shù)的變化曲線Fig 2 Variation curves of strain increment with cycle index of specimen 1

圖3 2#試件應(yīng)變增量隨循環(huán)次數(shù)變化曲線Fig 3 Variation curves of strain increment with cycle index of specimen 2

為了更準確地評價FBG 經(jīng)歷多次循環(huán)載荷作用后的應(yīng)變傳感性能，1#，2#試件分別經(jīng)歷50 萬次和100 萬次循環(huán)載荷作用后，將其從疲勞試驗機上卸下，并在兩個試件表面粘貼電阻應(yīng)變片(ESG)后進行靜態(tài)拉伸試驗。采用半島力學試驗機對試件進行加載，在試件拉伸過程中同時記錄應(yīng)變儀指示值和布拉格中心波長漂移值，由電阻應(yīng)變片和FBG 分別測得的兩個試件應(yīng)變—載荷曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 1#試件應(yīng)變—載荷曲線Fig 4 Strain-load curve of specimen 1

試驗結(jié)果曲線顯示:經(jīng)歷了高達50 萬次(1#試件)和100 萬次(2#試件)交變載荷作用后，F(xiàn)BG 應(yīng)變測量曲線與FSG 應(yīng)變曲線吻合良好，測量范圍內(nèi)FBG 相對于FSG 的最大測量相對誤差分別為0.83%，1.11%。實驗證明:FBG應(yīng)變傳感器具有很強的抗疲勞能力，經(jīng)歷了較高周次的循環(huán)載荷作用后，保持了良好的應(yīng)變傳感能力和較高應(yīng)變測量精度。

圖5 2#試件應(yīng)變—載荷曲線Fig 5 Strain-load curve of specimen 2

2 結(jié) 論

本文將FBG 埋入樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部，采用疲勞試驗的方法研究了傳感器的疲勞性能。FBG 應(yīng)變監(jiān)測曲線變化規(guī)律符合復(fù)合材料層合板疲勞理論，經(jīng)歷多達106次循環(huán)載荷作用后，最大應(yīng)變測量相對誤差為1.11%，保持了較好的應(yīng)變測試能力和較高的測量精度。試驗證明:FBG 傳感器具有良好的抗疲勞能力，能夠滿足疲勞狀態(tài)實時監(jiān)測的要求，為重要結(jié)構(gòu)服役過程中的在線損傷監(jiān)測、剩余壽命預(yù)報以及材料破壞失效的預(yù)警奠定了重要基礎(chǔ)。

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