用于恶劣环境下基础设施的光纤增强聚合物封装光纤光栅应变传感器

抽象的

光纤布拉格光栅(FBG)是一种高性能的局部监测传感器，在结构健康监测中得到了广泛的应用。本文提出了一系列完全满足粗糙土木工程基础设施要求的纤维增强聚合物封装光纤布拉格光栅应变传感器，并对其在正常环境和恶劣环境下的传感性能进行了实验研究。实验和理论证明，FRP封装的FBG应变传感器在恶劣环境下与裸FBG传感器相比，保持了良好的传感性能，FRP材料的使用显著提高了其耐久性。这些frp封装的光纤光栅应变传感器成功地应用于矮寨桥的SHM系统中。

1.介绍

大跨径桥梁、高层建筑、大坝、核电站、海上平台等基础设施，在环境腐蚀、材料老化、长期荷载、疲劳和自然灾害灾害的耦合作用下，不可避免地会发生损伤积累和抗力退化，甚至倒塌。在他们长期服务期间[1］．因此，为了确保结构安全，完整性，适用性和耐用性，智能健康监测系统的许多基础设施都是为了评估其安全性和恢复并进一步控制其损坏。由于频繁的灾难性课程，越来越多的基础设施在施工期间已经配备了长期健康监测系统[2］．光纤布拉格光栅(optical fiber Bragg grating, FBG)是20世纪后期测量领域最重要的发明之一，由于其在结构长期健康监测(long- long structural health monitoring, SHM)中表现出的独特优势，使得光纤布拉格光栅(optical fiber Bragg grating, FBG)在结构长期健康监测(long- long structural health monitoring, SHM)中得到了极大的认可和广泛应用。耐电磁、体积小、耐腐蚀等[3.- - - - - -11.］．光纤Bragg光栅传感器进一步提供了随时间漂移最小的绝对测量，在光纤中的一个离散位置执行测量，多个传感器可以多路复用，用于沿单个光纤连接到单个询问器的复杂网络。裸光纤的主要成分是SiO₂并且外径仅为125 μM，光纤的剪切容量非常差。由于其脆弱性，它相当难以直接应用于粗糙的土木工程基础设施和恶劣环境而无需包装。因此，为裸FBG菌株传感器开发包装技术是一种重要的问题，这可以在矩阵组件内良好保护，并且不太可能被外部侵权损坏。该开发的关键问题侧重于选择用于传感器的包装材料的不同布局工艺和性能要求，以确保封装的FBG传感器具有出色的耐用性，线性，可重复性和测量范围，以便长期监测土木工程。有三种解决方案来实现FBG传感器和包装材料的组合。首先，可以选择金属材料作为包装材料，以通过粘合剂层间与FBG传感器组合。由于塑料性质在大应变条件和金属材料的腐蚀，以及粘合性中间层的蠕变和老化特性，通过该封装技术开发的传感器缺乏耐久性，线性度和可重复性，除了小测量规模（小于2000 με.）。其次，FBG传感器首先用端部机械锚固夹紧，然后通过附加保护包装。不可避免地，由于机械夹紧，OFBG传感器的蠕变将在持续载荷下发生;因此，测量标度正如FBG传感器的终极应变。除此之外，耐久性受夹紧装置的材料限制。第三，先进的复合材料可以作为包装材料引入，例如纤维增强聚合物（FRP），包括碳纤维增强聚合物（CFRP），芳族纤维增强聚合物（AFRP），玄武岩纤维增强聚合物（BFRP）和玻璃纤维增​​强聚合物（GFRP）。FRP复合材料起源于航空航天工业中大型高性能结构的设计。在复合结构航天区的基于OFBG的SHM系统实施中的基本问题是在制造过程中嵌入传感器。Tsutsui等人。 applied small-diameter optical fiber sensors to stiffened composite panels for the detection of impact damage [12.］．Ryu等人。使用多路复用和多通道内置FBG传感器来监控复合翼盒的屈曲行为[13.］．Takeda等人使用FBG传感器监测CFRP加筋板因压缩载荷造成的损伤[14.］．Tserpes等人开发了一种监测CFRP机身面板应变和损伤的集成方法，并且在制造过程中将光纤传感器嵌入到面板中，以最大限度地减少制造和冲击测试过程中光纤断裂的风险，并有效地捕捉代表面板中产生的损伤的应变[15.］．

本文首先探讨了FRP与FBG传感器组合的粘接机理。然后对典型的封装材料BFRP筋和GFRP筋的耐久性进行了试验研究。第三，开发了适用于基础设施恶劣环境的frp封装FBG系列应变传感器，并对其在正常环境和恶劣环境下的传感性能进行了实验研究。最后，简要介绍了frp封装光纤光栅应变传感器在矮寨桥SHM系统中的实际应用。

2.FRP和FBG传感器的粘接机制

如我们所知，FRP封装光纤应变传感器的感测性能由FBG和包装材料确定。由于FBG比例较小，基本感测性能特性，例如线性，可重复性和测量标度，以及主要耐久性指数直接受到包装材料的基本机械和化学性质的影响。纤维增强的聚合物复合材料提供了一种可靠的方式，用于开发高性能封装的光纤应变传感器，由于它们的线性弹性材料本构属性，即弹性模量保持恒定直到失效（如图所示）1)，优良的抗疲劳性能，经久耐用。特别是FRP复合材料的全过程伪弹性保证了FRP封装光纤应变传感器在整个测量尺度上的良好线性和重复性。下面进一步说明FRP复合材料作为包装材料的基本依据。

２.１.光纤光栅与玻璃钢复合材料的相容性

从材料成分的角度来看，纤维增强的聚合物复合材料通常由玻璃纤维（或碳纤维，芳族纤维，玄武岩纤维和杂种纤维），树脂，添加剂等组成。二氧化硅作为光纤的基本组成，也是玻璃纤维的主要材料组成。因此，玻璃纤维在树脂中渗透并容易固化，其与光纤相同。它从SEM照片显示（图2)，即裸纤维FRP与FRP复合材料结合良好，并以充分相互作用的方式协同工作。

２.２.玻璃钢对光纤光栅传感器传感特性的影响

传感元件的主要指标突出在线性度、测量范围、重复性等方面，而FRP材料的宏观本构特性仅为线弹性，保证了封装后的FBG传感器保持良好的线性度。此外，由于FBG与FRP复合材料粘结良好，在热固性FRP复合材料固化过程中，由于树脂收缩而导致FBG预压缩，预压缩段将成为拉伸应变测量范围的扩展部分，与初始无应力状态下的裸光纤光栅传感器相比。根据实验结果如图所示3.，GFRP包装的FBG传感器的范围可达7000〜8000 με.．相比之下，裸FBG传感器的范围只有3000~4000με.．由此可见，FRP复合材料在不改变FBG传感器传感性能的情况下，显著增加了测量尺度(图)5）。

２.３.frp封装光纤应变传感器的应变传递

嵌入式FRP封装光纤光栅传感器通常由FRP封装层和传感光纤组成。外部作用引起的基体材料变形首先通过FRP封装层到达FBG传感器，应变传递过程中一部分应变被FRP封装层消耗，造成结构目标应变之间的应变传递误差和FBG传感器的测量．为了估算FBG传感器测量与结构应变之间的误差，同时纠正应变传递误差，提高传感器的测试精度，在光纤有效工作长度内设计了一个圆柱体，由光纤、保护层、胶粘层、并以基体材料为力学分析模型，研究了光纤传感中的应变传递机理。基本假设如下:(1)光纤、保护层、胶粘层和基体材料均为线弹性和各向同性;(2)粘接界面均为连续的，满足变形协调条件;(3)忽略温度效应;(4)光纤对侧向应力不敏感，忽略了侧向应力和剪应力。根据位移连续性假设，柱状模型中任意点的位移可表示为: 在式（1），，，,表示为光纤，保护层，粘合剂层和主体材料的位移。粘合剂界面处的位移兼容性方程如式（2）。由于存在保护层和粘合剂层，光纤和主体材料之间存在相对位移，其由保护层和粘合剂层的剪切变形引起。光纤和主体材料的相对位移与保护层中的剪切变形与粘合剂层之间的数量关系在公式中给出（3.) ~ (5）。每个界面处的相对位移如图所示3 (b)．因此, 什么时候， 用于光纤无限，保护层无限的轴向力平衡和粘合剂层无限的4(一)- - - - - -4 (c)，轴向力平衡方程为 保护层与粘接层的变形协调方程可近似表示为[16.］ 什么时候和， 因此, 光纤，保护层和粘合剂层的物理方程和几何方程如下： 因此, 公式(16.)可以通过代入公式(11.)和(15.)转化为公式(3.)，其一阶导数和二阶导数如式(17.)和(18.）， 分别。界面剪切应力的微分方程在公式(18.)是根据公式(8)，并假定基体材料的轴向应力在测量长度较短的情况下，被认为是常数。 在哪里 因此,公式(18.)可以简化为 将一般解决方案如下： 光纤的轴向力可以表示如下： 注意的是,．

然后, 因此, 将公式(21.)转化为公式(24.)时，光纤的轴向力可表示为: 根据公式(6)，且光纤的轴向力为零，引入下列边界条件来计算积分常数和： 因此，界面剪应力可得: 在(28.），主体材料的轴向应变为．

这是嵌入式光纤传感器应变传递机制的一般表达式;对于埋入式FRP-OFBG应变传感器，具体应用时需要做如下调整，；因此,公式(19.）转换为以下公式： 定义了光纤光栅传感器的平均应变测量以及结构的平均应变．界面应变传输错误率误差修正因子表示如下: 在(29.），为FRP复合材料的剪切模量;是光学FBG的弹性模量;为光纤与基体材料之间的距离;为光纤的外径;为光纤的有效工作长度。

计算表明，CFRP-OFBG棒材在剪切模量大于12 GPa、外径为Φ4~Φ10 mm时的界面应变传递错误率为1.92~2.16%，其误差修正因子为是1.02 ~ 1.022。相比之下，当剪切模量大于4.9 GPa、外径为Φ4~Φ10 mm时，GFRP-OFBG棒材的界面应变传递错误率为3.11~3.5%，误差修正系数为3.11~3.5%是1.034 ~ 1.036。由本节提供的结果，我们可以得出frp封装光纤应变传感器的测试精度足以满足具有显著材料离散特性的土木工程结构的测试，可以直接应用于实际结构而无需任何误差修正。

3.FRP筋的耐腐蚀试验

本节进行了GFRP筋和BFRP筋在酸碱盐条件下的腐蚀耐久性试验，对比研究腐蚀后层间剪切性能和拉伸性能的退化情况。利用不同成分和不同配比的腐蚀溶液模拟实际土木工程中的酸、碱、盐腐蚀环境。

3.1。FRP棒的拉伸性能的变化

BFRP筋和GFRP筋在酸、碱、盐溶液中腐蚀20天和240天的极限抗拉强度和抗拉模量汇总于表中1．

在图中提出了BFRP棒和GFRP棒的最终拉伸强度和GFRP棒的抗拉强度的变化6和7．由于在20天内在碱溶液中严重受损，因此由于缺乏对照组而在碱溶液中严重损坏了FRP棒的拉伸强度。结果表明，两种极限拉伸强度随着酸和盐溶液中的腐蚀时间而增加。对于特定的腐蚀时间，BFRP棒的最终拉伸强度的损失大于酸溶液或盐溶液中的GFRP棒的损失;此外，酸溶液中的最终拉伸强度的损失大于两个FRP条的盐溶液中。虽然BFRP棒的拉伸模量随腐蚀时间而增加，但相反，GFRP棒的拉伸模量随腐蚀时间而降低。除此之外，酸性溶液中两个FRP棒的拉伸模量的变化率大于盐溶液中的抗拉杆。尽管不会发生玄武岩纤维的腐蚀损伤，但纤维和树脂之间的界面被酸溶液和盐溶液腐蚀地损坏，酸溶液不能有效地在纤维之间转移纤维之间的张力应力，诱导在一部分纤维中的应力浓度通过降低BFRP棒的最终拉伸强度。此外，纤维和树脂之间的相对滑移也被粘合剂界面的劣化诱导。

3.2。FRP杆间剪切强度的变化

表中汇总了BFRP和GFRP钢筋在不同龄期盐酸条件下的层间抗剪强度1．

FRP筋层间剪切强度是反映短梁剪切过程中树脂与纤维粘结性能的重要参数。BFRP筋和GFRP筋层间抗剪强度随腐蚀时间的延长而降低，且两种FRP筋在酸溶液中层间抗剪强度的退化程度均大于在盐溶液中。此外，在酸溶液和盐溶液中，BFRP筋的层间剪切强度损失均大于GFRP筋。上述层间剪切强度的变化揭示了纤维与树脂之间的粘接界面在腐蚀溶液作用下的恶化情况，如图所示8．

4.frp封装光纤光栅(FBG)应变传感器

4．1.frp封装FBG应变传感器的封装结构

基于FRP-OFBG条的研究成果(图20.和21.），一系列嵌入式FRP封装光纤布拉格光栅应变传感器，FRP封装的光纤布拉格光栅应变传感器，具有膨胀端，表面焊接FRP封装光纤布拉格光栅应变传感器，长量表嵌入式FRP包装光纤布拉格光栅菌株传感器和3D FRP封装的光纤布拉格光栅菌株传感器是为工程试验的需求而开发的，如图所示9- - - - - -13.．

4.2。感应FRP包装光纤光栅应变传感器的性能

感应研究中的性能测试在材料试验机Instron-5569上进行，光纤布拉格光栅的中心波长由Moi公司生产的Si-720解调，精度为下午1点。通过伸展仪测量FRP包装光纤光栅应变传感器的菌株，分辨率为1 με.．为了消除温度对中心波长变化的影响，通过空调将实验室温度保持在25°C恒定。测试设置如图所示14.．在前面提到的每种类型的传感器上进行3〜5加载卸载循环，分别在中心波长和菌株中记录它们的变化，用于分析感测性能指数，如图所示15.．

结果表明，从测试结果，这一系列FRP封装光纤光栅应变传感器的测量标度大于5000 με.(最大应变可达12000με.)，测试精度为1με.，重复性小于1.0％，线性小于1.0％，滞后小于0.5％。

4．3．frp封装光纤光栅应变传感器在恶劣环境下的传感性能

4.3.1。高温环境下的应变传感性能

大多数土木工程结构的使用温度范围为−40°C至60°C，但一些结构元素的温度更高;因此，由于FRP材料的高温性能较差，研究FRP封装光纤光栅应变传感器在高温条件下的传感性能具有重要意义。

本实验在MTS试验机上进行，如图所示14.．通过MOI公司生产的高温伸展计和Si-720光纤光栅解调器测量中心波长的应变和变化，测试设置如图所示16.．在呈现的实验中，感测性能，例如线性度和可重复性，在20℃，40℃，60℃，80℃，100℃，120℃和140℃下被控制的研究了高温炉。测试样品之一的实验结果如图所示17.．

从实验结果可以看出，gfrp封装的FBG传感器在40°C、60°C、80°C、100°C、120°C、140°C的应变灵敏度约为1.2 pm/με.，接近正常环境20°C。因此，我们可以得出结论，frp封装的光纤应变传感器在环境温度为140℃时，其性能不会退化。

4.3.2。frp封装光纤应变传感器疲劳性能试验

为验证frp封装光纤应变传感器在土木工程结构长期监测中的稳定性和可靠性，在MTS-810疲劳试验机上进行了该系列frp封装光纤应变传感器的疲劳性能试验。测试频率选择为50hz。为加速疲劳试验，确定应变幅值为με.和με.．以固定的时间间隔记录FBG传感器的中心波长响应，比较各时刻中心波长响应的变化。此时中心波长变化与初始时刻相比有显著的变化，说明frp封装光纤应变传感器存在疲劳损伤累积现象，可用于评估frp封装光纤应变传感器的疲劳可靠性。本文随机选取2个表面焊接gfrp封装光纤应变传感器和1个直接埋入cfrp封装光纤应变传感器作为测试试样，研究高周疲劳后的传感性能;此外，还随机选取了3个gfrp封装的膨胀端光纤应变传感器，检测其低周疲劳后的传感性能。实验过程中，FBG传感器的中心波长由Micron Optics公司生产的SI-425光纤光栅解调器记录，仪器波长分辨率为5pm，扫描频率为250hz。疲劳试验设置如图所示18.．所有试件的部分试验结果汇总于表中2．数字19.显示一个试样的分段时间历史曲线。

我们可以从实验结果中看到，在疲劳试验期间没有任何应变降低的FBG封装的FBG菌株传感器，并且在试验期间没有成员阻力降低并且没有明显的损坏。经过多次疲劳循环，纤维光栅中心波长的显着漂移都没有出现。结果表明，FRP复合材料有效保护传感元件，FRP包装的FBG应变传感器的稳定性非常适合于土木工程应用。

对frp封装的FBG应变传感器进行了高应变幅疲劳试验，并与对照组进行了一定疲劳周期后的应变传感性能对比。在本试验中，传感器1的应变幅值为με.并且传感器2的那个是με.；测试结果如图所示20(一个)- - - - - -20 (d)．

可以看出，经历了一定数量的疲劳循环的FRP包装的应变传感器保留了原始应变感测性能，例如良好的线性和可重复性，以及更长的疲劳寿命。

4.3.3。frp封装光纤光栅应变传感器耐腐蚀性能试验

为了验证传感器的耐久性指标，将不同类型的frp封装光纤布拉格光栅(FBG)应变传感器放置在盐雾室中，工作温度为35℃，盐雾为3.5% NaCl溶液，如图所示21.．从腐蚀试验的结果可以看出，金属包装的FBG传感器的耐腐蚀性远小于FBG封装的FBG传感器。该系列FBG封装的FBG应变传感器克服了与传统粘合剂包装的FBG菌株传感器相比克服了不可逾越的耐用性问题，如实际工程的实际工程简单的铺设工艺，测量秤（超过5000 με.；最大可达10000με.），优异的耐用性，高精度（1〜2 με.)，误差校正系数低。此外，它可以很容易地根据客户定制。

frp封装光纤光栅应变传感器系列的关键性能指标总结如下:测量尺度在5000以上με.，测试精度为1με.，重复性小于1％，线性度小于1.0％，滞后小于0.5％，等等。在超过一百万次疲劳循环中没有发现疲劳性能，具有应变幅度με.．

该系列FBG封装的FBG应变传感器特别适用于混凝土结构的内部应变测量，除了整个工程结构的整体监测，包括施工阶段，完工测试阶段和在职阶段。尽管如此，它还可以轻松用于道路工程，岩土工程，等整个重建设计。

5.应用于矮寨桥

矮寨大桥是一座塔梁分离的超长悬索桥，跨度布置为242米+ 1176米+ 116米。为了获得服役结构的性能信息，建立了结构健康监测(SHM)系统，提供应变、温度、加速度、挠度、风速、索力和湿度等条件的信息。在该SHM系统中，表面焊接gfrp封装光纤应变和温度传感器(如图所示)9)用于主梁和主塔的应变和温度测量，测点布置如图所示22.．frp封装光纤光栅传感器的监测项目和技术参数如表所示3.．由FBG解调器获取和处理的数据被传送到数据接收服务器，其中可以保留，管理和算术地处理数据。

6.结论

本文介绍了一系列完全满足粗糙土木工程基础设施要求的frp封装光纤Bragg光栅应变传感器，并对其在正常环境和恶劣环境下的传感性能进行了实验研究;可以得出以下结论:（1）基于应变传递机理，从理论上证明了frp封装光纤应变传感器对土木工程结构的测试精度是足够的，可以直接应用于实际结构中而无需进行任何误差修正。（2）FRP复合材料不改变光纤光栅传感器的传感性能;测量尺度显著增加到8000~12000με.．（3）FRP封装的光纤FBG应变传感器在140℃的环境温度下不会退化，并在经历一定数量的疲劳循环的情况下保持优异的线性和可重复性作为裸FBG。此外，与金属包装光纤应变传感器相比，它们具有卓越的耐腐蚀性，这使得它们特别适用于混凝土结构的内部应变测量和用于土木工程结构的整个过程监测，包括施工阶段，完成测试阶段和在服务阶段。

相互竞争的利益

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