黃孟姣　朱萍玉　謝嘯博　吳江　王帥斌

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CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器傳感性能研究

黃孟姣朱萍玉謝嘯博吳江王帥斌

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院）

針對(duì)分布式光纖封裝及與粘貼對(duì)象相容性對(duì)其傳感性能的影響，采用碳纖維預(yù)浸料對(duì)分布式光纖進(jìn)行熱壓封裝并作性能驗(yàn)證。通過(guò)封裝過(guò)程中的預(yù)拉伸保證分布式光纖的均勻性，增強(qiáng)布里淵分布式光纖傳感器的解調(diào)有效性，固化后的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對(duì)光纖起保護(hù)作用。將封裝的CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器粘貼到等強(qiáng)度懸臂梁上作靜載實(shí)驗(yàn)，同時(shí)借助ANSYS軟件進(jìn)行相應(yīng)載荷的有限元仿真，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器封裝方法的有效性和良好的傳感性能。

分布式光纖；碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；熱壓封裝

0　引言

分布式光纖傳感技術(shù)具有全尺度分布式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)，在大壩、橋梁以及航天器等大型結(jié)構(gòu)工程中得到廣泛應(yīng)用[1-2]，其中傳感光纖多采用特殊制作的光纜或直接植入結(jié)構(gòu)體內(nèi)部。對(duì)于需要粘貼在表面對(duì)其監(jiān)測(cè)的對(duì)象，裸光纖不適合工程應(yīng)用，而光纜的圓柱外形與表面線接觸的形式不利于粘貼牢固。鑒于光纖傳感器具有獨(dú)特的應(yīng)變傳感性能，并能與碳纖維復(fù)合材料兼容，故碳纖維樹(shù)脂增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced plastics, CFRP）成為制作片式光纖傳感器的首選[3]。封裝后的傳感器可用于大范圍表面粘貼進(jìn)行長(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

本文提出將光纖植入兩片碳纖維預(yù)浸料中，通過(guò)熱壓制作成CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器。采用等強(qiáng)度懸臂梁加載測(cè)試其應(yīng)變傳感性能，并進(jìn)行有限元仿真分析，比較結(jié)果為實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 CFRP/光纖樣本的制作及測(cè)試裝置

1.1 CFRP/光纖樣本的制作

裁剪兩片同尺寸的窄條狀碳纖維預(yù)浸料，將其中的一片鋪放在四柱熱壓機(jī)的下加熱模板上；然后鋪放光纖，并通過(guò)專門(mén)研制的預(yù)拉伸架使將光纖繃直；再放上另一片碳纖維預(yù)浸料，并輕輕碾壓平整；然后將其放在熱壓機(jī)上，根據(jù)事先設(shè)定的固化工藝流程對(duì)其熱壓，如圖1(a)所示，得到的CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器如圖1(b)所示。

圖1 熱壓法制備CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器示意圖

CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器內(nèi)光纖布置路徑由中間和兩端2部分組成。中間段的多條光纖相互平行布置且與碳纖維的纖維方向一致；兩端的光纖則形成多個(gè)類(lèi)U型，并將中間的光纖連接。CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器的尺寸可根據(jù)需要設(shè)計(jì)成不同的規(guī)格，但設(shè)計(jì)時(shí)光纖的總長(zhǎng)度受限于目前的分布式光纖解調(diào)儀，一般為30 km~50 km。

1.2 分布式光纖傳感及解調(diào)

分布式光纖傳感技術(shù)將光纖作為線性傳感元件，利用光纖產(chǎn)生的自然光散射，如瑞利、拉曼和布里淵散射，探測(cè)周?chē)h(huán)境變化[4]。上述散射均對(duì)環(huán)境變量敏感，并可對(duì)沿光纖分布的溫度和應(yīng)變等物理變量進(jìn)行探測(cè)。常用的探測(cè)方法有2種：光時(shí)域反射（optical time-domain reflectometry，OTDR）和光頻域反射（optical frequency-domain reflectometry, OFDR）。光時(shí)域反射方法的空間分辨率較低，僅為0.5 m~1 m，但可實(shí)現(xiàn)幾十千米光纖的分布式傳感；光頻域反射方法具有更高的空間分辨率，可達(dá)毫米級(jí)，但測(cè)量長(zhǎng)度只有幾米~百米。在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，基于布里淵或瑞利散射的分布式光纖傳感器可用于監(jiān)測(cè)大型結(jié)構(gòu)的應(yīng)變測(cè)量。此時(shí)，光纖與結(jié)構(gòu)的相容性會(huì)更多地影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)[5]。

1.3 等強(qiáng)度懸臂梁測(cè)試裝置

為驗(yàn)證按本文方法制作的1 m長(zhǎng)CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感性能，設(shè)計(jì)一個(gè)能滿足長(zhǎng)度要求的等強(qiáng)度懸臂梁，其尺寸為1285 mm×400 mm×10 mm。該懸臂梁通過(guò)螺栓固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，自由端懸伸出平臺(tái)，用于懸掛重物給懸臂梁施加壓力，可在許用載荷下給懸臂梁施加不同載荷。所制作的CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器粘貼在等強(qiáng)度梁的中間部位，并保證分布式光纖方向與懸臂梁中軸線平行，用于測(cè)量懸臂梁加載重物時(shí)的應(yīng)變。等強(qiáng)度懸臂梁加載實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2　等強(qiáng)度懸臂梁加載實(shí)驗(yàn)裝置

2　有限元分析及測(cè)試

2.1 CFRP/光纖加載有限元分析

在有限元軟件ANSYS Workbench15.0中，導(dǎo)入懸臂梁CAD幾何尺寸，進(jìn)一步驗(yàn)證粘貼在其表面的CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器對(duì)懸臂梁應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度。一層碳纖維預(yù)浸料的厚度約為0.15 mm，2層預(yù)浸料的厚度約為0.3 mm；中間放置低水峰單模光纖的參數(shù)為：直徑約0.27 mm；彈性模量7.4×1010 Pa；泊松比0.3，建立的CFRP/帶狀應(yīng)變傳感器的幾何模型如圖3所示。選用懸臂梁彈性模量為2×1011 Pa，泊松比為0.30。因模型的形狀較為規(guī)整，故采用自由網(wǎng)格劃分，Element Size設(shè)為18.5 mm，如圖4所示。網(wǎng)格劃分完成后，在等強(qiáng)度懸臂梁的固定端施加固定約束，即對(duì)有限元模型添加固定約束，并對(duì)自由端施加集中載荷，以測(cè)試獨(dú)立的懸臂梁的應(yīng)變響應(yīng)，如圖5所示。

圖3　等強(qiáng)度懸臂梁及CFRP/光纖三維模型

圖4　聯(lián)合模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

圖5　獨(dú)立懸臂梁應(yīng)變?cè)茍D　

測(cè)試時(shí)，采用AB膠將CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器貼在等強(qiáng)度懸臂梁上，因涂膠厚度極小，可忽略不計(jì)。根據(jù)現(xiàn)實(shí)情況，選定ANSYS中的Frictional定義等強(qiáng)度懸臂梁與CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器之間的接觸關(guān)系。盡管該傳感器中有很多根光纖，由于采用等強(qiáng)度量，梁上的應(yīng)變值處處相等。為簡(jiǎn)化計(jì)算，只選取測(cè)量應(yīng)變段的直線平直光纖。因此，在碳纖維板模型中只置入單根直光纖模型，且光纖的長(zhǎng)度與碳纖維基底相同。當(dāng)確立以上數(shù)據(jù)后進(jìn)行仿真分析，繼續(xù)添加固定約束，并在懸臂梁的自由端依次施加1 kg，3 kg，5 kg，7 kg，9 kg和11 kg的集中載荷，得到整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變響應(yīng)和光纖應(yīng)變響應(yīng)，分別如圖6和圖7所示。從有限元計(jì)算結(jié)果中提取光纖的應(yīng)變值，并對(duì)埋入CFRP內(nèi)部光纖段上的應(yīng)變值進(jìn)行平均處理，將該平均值作為仿真結(jié)果值與應(yīng)變片和CFRP/光纖測(cè)得值比較。

圖6　CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器應(yīng)變?cè)茍D

圖7　傳感光纖應(yīng)變局部云圖

2.2 CFRP/光纖加載實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所制作的CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳感性能，對(duì)照有限元分析的模型，將傳感器和應(yīng)變片粘貼于自行設(shè)計(jì)制作的等強(qiáng)度懸臂梁上。在懸臂梁的自由端依次懸掛與仿真相同的載荷，得到CFRP/光纖實(shí)測(cè)值和應(yīng)變片實(shí)測(cè)值，將2種傳感器的實(shí)測(cè)值與仿真值比較，如表1所示。分別做出CFRP/光纖應(yīng)變響應(yīng)和應(yīng)變片應(yīng)變響應(yīng)與負(fù)載的關(guān)系，如圖8(a)和圖8(b)所示，得到二者的應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù)分別為8.49/kg和8.85/kg。應(yīng)變片的應(yīng)變響應(yīng)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)稍高，主要?dú)w因于CFRP材料和粘貼傳感器的膠層可能導(dǎo)致衰減。圖9顯示了2種實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的關(guān)系，由圖9可以看出：所研制的CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器隨著載荷增大，測(cè)量值略小于仿真值和應(yīng)變片的測(cè)量值，但很好地實(shí)現(xiàn)光纖的應(yīng)變傳感功能，仿真模型正確。

表1 CFRP/光纖仿真值與實(shí)測(cè)值和應(yīng)變片實(shí)測(cè)值對(duì)比表

圖8(a) CFRP/光纖傳感器應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù)

圖8(b) 應(yīng)變片傳感器應(yīng)變轉(zhuǎn)換系數(shù)

圖9　傳感器實(shí)測(cè)值與仿真結(jié)果的對(duì)比圖

3　結(jié)論

本文提出一種采用碳纖維預(yù)浸料對(duì)分布式光纖進(jìn)行熱壓封裝得到CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器的方法，并分別采用有限元仿真和應(yīng)變片實(shí)測(cè)值對(duì)比分析，對(duì)該傳感器的應(yīng)變傳感器性能進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)得到所制作的CFRP/光纖帶狀應(yīng)變傳感器的應(yīng)變傳遞系數(shù)為8.49/kg，略低于應(yīng)變片和仿真值。研究結(jié)果表明：CFRP封裝光纖不僅可以有效保護(hù)光纖，提高其現(xiàn)場(chǎng)施工的成活率，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值，還能夠?qū)崿F(xiàn)光纖傳感系統(tǒng)的大范圍表面粘貼，如粘貼在鋼軌表面進(jìn)行長(zhǎng)期狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

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Study on Sensing Performance of CFRP/ Fiber Banded Strain Sensor

Huang Mengjiao Zhu Pingyu Xie Xiaobo Wu Jiang Wang Shuaibin

(School of Mechanical and Electric Engineering, Guangzhou University)

In view of the influence of the compatibility of distributed optical fiber package and paste object on its sensing performance, carbon fiber prepreg is used to heat-package distributed optical fiber. The uniformity of the distributed fiber is ensured by the pre-stretching in the packaging process to facilitate the effective demodulation of the fiber sensing during the demodulation of the distributed fiber, and the cured carbon fiber reinforced composite material (CFRP) protects the fiber. The packaged CFRP/fiber sensor was attached to a cantilever with the same strength for static load tests, and the finite element simulation of the corresponding load was carried out by Ansys software. The simulation results were consistent with the experimental results, and the strip CFRP/fiber sensor packaging method was verified. The effectiveness and good sensing performance.

Distributed Fiber; Carbon Fiber Reinforced Composite; Thermocompression Package

黃孟姣，女，1995年生，碩士研究生，主要研究方向：機(jī)電設(shè)備可靠性分析。

朱萍玉（通信作者），女，1971年生，博士，教授，主要研究方向：智能制造與智能維護(hù)。E-mail: pyzhu@gzhu.edu.cn