文摘

本研究计划提供所需的光弹性系数和热膨胀系数使用FBG-embedded碳纤维增强塑料杆(智能杆)作为应变传感器。由于光纤光栅传感器的单片组合碳纤维增强塑料杆,智能杆热物性参数和力学性能参数可能会表现出不同的裸光纤光栅传感器。拉伸试验表明,智能杆的光弹性系数为0.204,大概是7.3%低于0.22的价值光光学光纤光栅。此外,聪明的热膨胀系数杆通过热测试似乎是消极的低价值 。因此,智能杆主要表达了对温度的依赖关系通过thermooptic系数。裸光纤光栅传感器相比,智能杆更容易处理和可以测量压压力,这使它成为一个方便的传感器用于各种混凝土结构。

1。介绍

光纤光栅(光纤布拉格光栅)传感器广泛应用于通信和测量1]。它基本上是作为应变传感器和扩大应用领域,它可用于测量加速度(2和液面3),使用线性啁啾光纤光栅的温度场检测(4),并使用一个biodetection SPR(表面等离子体共振)传感器5]。还有一个聪明的杆(6]了轻松地将光纤光栅传感器安装在混凝土结构。

因为裸光纤弱剪切,折叠,等等,需要非常小心处理应用于混凝土结构。一个FBG-embedded碳纤维增强塑料杆(智能杆,此后)提出了要解决这些问题,也为光纤提供额外保护和传感器之间的完美的束缚和混凝土(6]。这个聪明的杆是用来测量预应力力在PSC(预应力混凝土)结构处理智能杆代替的核心线链(7,8]。智能抽油杆从而扮演的角色的核心线传感器和链。图1显示的外观智能杆体积分数80%的碳纤维和环氧矩阵。夹克是仅适用于部分提取光纤,夹克并没有应用到剩余的部分。因此,在光纤光栅的位置没有夹克,光纤的行为与碳纤维增强塑料杆单。


图1
聪明的杆。

由于单片的组合传感器采用碳纤维布、热物性参数和力学性能参数智能杆展览不同于那些裸光纤传感器(9]。这意味着各种公式和常量提出将裸光纤传感器的波长测量应变和温度数据不能应用。

玛格尼et al。10)提出以下裸露的光学光纤光栅的基本公式: 在哪里 ; ; 0.22 (SiO制成的光纤2); ; ; ;而且, 。

然而,这个公式不能作为表达方程(1),光纤传感器是连着一个矩阵或主机材料。在这种情况下,修改后的方程公式(2)和(3)。 在哪里 。

方程(2)是一个隐式的公式可以应用在光纤传感器连着基质材料(10]。方程(3)对应于方程(2)的热膨胀系数光纤传感器( SiO制成的光纤传感器2)被忽略11,12]。热膨胀系数是非常低的,这两个公式提供了类似的结果。

智能抽油杆实现完美的单片组合与碳纤维增强塑料光纤棒被捏造的并发拉挤成型碳纤维和光纤。因此,光弹性系数的智能抽油杆与裸光纤(9]。此外,了解智能杆的热膨胀系数也必须获得热应变或执行温度校准。本研究打算建议系数拟合智能杆作为应变传感器。部分2介绍了智能的光弹性系数的推导杆,和部分3提出了热膨胀系数的推导过程智能杆。

2。光弹性系数的智能抽油杆

在缺乏一个温度梯度,波长和应变之间的关系可以表示为 光弹性系数, ,是定义如下13]: 在哪里 光纤; ;和 。

折射率和Pockel系数是独立于最终债券或组成光纤和主机之间的材料。此外,泊松比需要裸光纤不同的值根据程度的光纤保税或由基质材料。这意味着聪明杆将光弹性系数不同的裸光纤。

图2描述了拉伸试验获得的光弹性系数进行智能杆。智能抽油杆陷入在其结束,受到张力使用一个执行机构。波长测量的询问机和应变的变化是通过转换相应的相对伸长计应变测量。四个标本进行测试。第一个样品是用于实验设置,和数据是使用剩余的3标本。


图2
智能抽油杆的抗拉试验。

重新整理方程(4)的机械应变方程(6)。图3在每个标本块波长和应变测量。实验波长和应变确定波长之间的线性关系和应变表达 在哪里 。由于中央布拉格波长几乎没有区别 和初始波长 , 可以更换的 (12]。


图3
关系的波长智能杆和伸长计的应变。

因为压力 光纤光栅传感器的方程(6)必须等于应变 伸长计,方程(表达的最小化问题7每个标本)可以制定。自 是一个波长的线性方程,它可以设置为 ,在哪里 和 。求解方程(7由最小二乘法可以获得) 和 ,和 和 可以获得。解决这个最小化问题对于每个样品给光弹性系数表中列出1。光纤光栅的应变通过应用这些光弹性系数比较应变伸长计提供的图4。

表1
光弹性系数的智能杆标本。

图4
比较聪明的菌株获得杆伸长计。

比较图4确认好协议获得的菌株从智能杆和伸长计,最小化问题也解决了。此外, 在所有三个标本接近1,所以实验中的测量误差很小。表中的值1显示,智能杆标本的光弹性系数介于0.200和0.211之间,平均为0.204,代表大约7.3%的差异相比,0.22的值以裸光纤。这种差异在光弹性系数结果在大约2%的应变差异,无法忽视的传感性能。

3所示。热膨胀系数的智能抽油杆

如果一个温度梯度发生在一个没有压力的状态,波长之间的关系和应变变化可以推导出方程(8)和(9从方程()1)的光学光纤光栅和方程(2)智能杆,分别。 在哪里 ,和 在哪里 。

热膨胀系数 被 对裸光纤SiO做的2未知数的方程(8)和(9thermooptic系数 和热膨胀系数 主机的材料。如图5温度测试进行裸光纤和智能杆为确定thermooptic系数 智能抽油杆和热膨胀系数 材料的托管的光纤光栅智能杆。在测试,3套裸露的纤维和智能杆没有压力状态受到热负荷运行 来 。


图5
测试的决心跟温度有关的系数。

图6情节的时间历史的温度和波长光光学FBR和智能杆第三测试记录(审判# 3)。图7重绘这些历史的温度和时间 ,显示了两个变量之间的线性关系。此外, 值接近1,所以实验中的测量误差很小。图8提出了测量时间的线性回归历史。受审# 1和# 2的结果安排通过相同的流程表中列出2。在表2, 和 是线性回归的斜坡上的光光学光纤光栅和智能杆在图吗8。这两个常量可以用来计算thermooptic系数和主材料的热膨胀系数简单的算术。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
温度、时间的历史(a) (b)光光学光纤光栅的波长,波长和(c)的智能抽油杆测量试验# 3。

图7
温度- 来自实验数据曲线的试验# 3。

图8
线性回归的温度- 曲线从审判# 3。
表2
测试结果和thermooptic系数和主材料的热膨胀系数。

的so-obtained thermooptic系数 和热膨胀系数 智能抽油杆 和 ,分别。负热膨胀系数的计算值是值得注意的,可以归因于碳纤维增强塑料的属性代表的热膨胀系数的范围 (14]。考虑到小的热膨胀系数值的裸光纤和智能,智能杆对温度的依赖关系可以通过thermooptic系数。此外,智能杆似乎不如裸光纤对温度的依赖。

4所示。结论

本文通过实验确定了光弹性系数和热膨胀系数的智能抽油杆的使用是必要的,作为应变传感器。由于并发拉挤成型的裸光纤,碳纤维增强塑料用于制造智能杆展品的完美组合这两个组件。这意味着智能抽油杆的发展不仅热光弹性性质不同于裸光纤。智能抽油杆的光弹性系数确定拉伸试验达到了0.204,这与7.3%相比,裸光纤的值为0.22,和聪明的热膨胀系数杆从温度测试是获得负的低价值 。因此,智能的温度依赖性杆可以表达完全通过thermooptic系数。裸光纤相比,智能杆更容易处理,可以测量压缩压力使它方便传感器对各种结构。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究是由韩国土木工程和建筑技术研究所通过资助从战略研究项目(混凝土结构智能监测系统使用玻璃钢神经传感器)。