一種光纖光柵智能夾層的實驗研究

付 靜，權王民，程犁清

（西北工業大學理學院陜西省光信息技術重點實驗室教育部空間應用物理與化學重點實驗室，陜西西安 710129）

0 引言

在復合材料中埋入驅動元件和傳感元件，構成一種能感知自身狀態變化并能發出自診斷信號，從而進行自適應、自修復的擬生命系統—智能結構。目前，智能結構在航空航天、艦船武器和機械結構、土木工程等軍民用結構中得到了廣泛應用。光纖具有徑細柔軟、耐腐蝕、抗電磁干擾、工作中不發熱及易與復合材料結構相容等獨特優點，故光纖傳感器一直是智能結構自診斷系統的首選對象和發展方向。但在國內外的大量研究和應用中，都是直接將光纖傳感器排布在復合材料結構中，構成智能結構的光學神經，用于監測結構的應變、溫度及損傷等［1］。這種方法存在難以解決的諸多問題［2，3］:1）當光纖嵌入復合材料內時容易破裂，光纖接口部分缺乏必要的保護，影響結構外形且難以加工;2）傳感器陣列嵌入復合材料內之前，缺乏一個標定環節—如何確保傳感器性能的一致性;3）嵌入光纖傳感器網絡后，復合材料結構性能受到較大影響;4）復雜的嵌入工藝不易廣泛地使用。解決上述問題途徑之一是設計和制作標準化、模塊化和集成化的光纖智能夾層。

1 理論基礎

光纖Bragg光柵（fiber Bragg grating，FBG）傳感器是在光纖的一小段范圍內沿軸向使纖芯折射率發生周期性變化而引起的芯內體光柵，具有波長編碼特性，即一寬帶光經過FBG時，滿足中心波長λB（Bragg條件）的光波被反射回來，見圖1。

圖1 FBG工作原理圖Fig 1 Working principle diagram of FBG

由耦合模理論可知［4］

式中neff為導模的有效折射率，Λ為光柵周期。

當應變變化Δε和溫度變化ΔT同時作用時，FBG中心波長的改變是兩者的線性疊加，溫度和應變變化獨立或只有微弱擾動，則可得［5，6］

式中Kε和KT分別為光纖光柵的軸向應變和溫度靈敏度系數，pε為導模有效彈光系數，α為熱膨脹系數，ξ為熱光系數。

由式（2）知，當測量點的溫度、應變同時變化時，單個FBG不能區分它們各自引起的波長移動，無法給出精確的測量值，可采用雙波長矩陣法解決交叉敏感問題［7］。雙重FBG具有溫度自補償效應。所謂雙重FBG，是在光纖同一位置經兩次紫外曝光寫入2個不同周期的光柵，結合式（2），其中心波長的變化可表示為［5］

2 FBG智能夾層的制作

2．1 雙重FBG毛細鋼管封裝工藝

本實驗中選用的雙重 FBG的中心波長為1 530，1560 nm，標定柵區長為20 mm。將柵區用改性丙烯酸酯封裝在外徑0．5mm、內徑0．25mm、長27mm的不銹鋼毛細管內。封裝時，通過移動微位移平臺給雙重FBG施加一定的微應變;然后用鑷子夾住毛細鋼管將其輕輕移向柵區，使柵區處于管的正中部位［8］;再在管的兩端分別施下改性丙烯酸酯膠體而將柵區封裝于管中間，清理余膠;0．5 h后將封裝好的FBG放入烘箱進一步烘干、固化。封裝過程中使用由日本ANDO生產的型號為AQ6317C（分辨率為0．01 nm）觀測Bragg反射波長漂移，見圖2，光源為EXFO公司ASE寬帶光源FLSA—2300B。

封裝毛細不銹鋼管的主要作用:1）鋼管的膨脹系數大于SiO2，可起到溫度增敏效應［9］;2）增強柵區機械強度，保護柵區，保證FBG傳感器信號的準確性。封裝后傳感頭體積很小，便于埋入光纖智能夾層。

2．2 FBG智能夾層的制作工藝

圖2 雙重FBG封裝實驗系統圖Fig 2 Experimental system diagram of double FBG packaging

所謂FBG智能夾層是指預制了FBG傳感器網絡的層狀鋪層，其中含有FBG傳感器和基體材料［10］。按照自診斷系統的要求，FBG傳感器網絡排布在夾層中間。

光纖智能夾層埋入復合材料層合板并隨之一同固化時，需要耐受一定的溫度和壓力，因此，基體材料應滿足該溫度和壓力要求，具有良好的介電性能，并能夠與復合材料良好結合，不對結構性能造成太大影響［11］。聚酰亞胺薄膜具有優良的耐高低溫性（長期耐溫:－269～280℃）、介電性、耐輻射性及高韌性和與復合材料良好的結合性能，適宜作基體材料。PET薄膜是一種高透明薄膜，韌性強，熱穩定好，電氣絕緣性能優良，耐腐蝕，適用溫度為－60～120℃，是基體材料的良好選擇。

智能夾層制作過程如下:分別將1張200 mm×200 mm、厚為0．025 mm的聚酰亞胺薄膜和PET薄膜用無水乙醇清洗干凈，備用;將聚酰亞胺薄膜平鋪于平板上，并把UV膠涂于薄膜上，厚度約0．3mm;將由毛細鋼管封裝好的FBG傳感器理順粘接定位;再在其上涂一層厚約0．3mm的UV膠;將PET薄膜平鋪其上;最后，用電熨斗熨平夾層表面，將夾層內多余的UV膠擠出并清理，再將其置于365 nm的紫外燈下固化30 s，燈距為120 mm，見圖3。

圖3 光纖智能夾層示意圖Fig 3 Schematic diagram of fiber-optic smart layer

制作中使用的固化膠為5802T1的單組分UV無影膠，具有氣味低、固化快、粘結強度高、機械性能好、耐腐蝕、固化后膠層無色透明、體積收縮率小等特點，適用溫度范圍為－54～150℃。對夾層內FBG傳感器的測試表明:FBG傳感器性能完好，即使在承載過程中仍具有良好性能，軸向拉伸與壓縮試驗表明:較之未埋入光纖光柵智能夾層的玻璃纖維復合材料試件而言，埋入智能夾層試件的軸向抗拉和抗壓強度均有所降低，約6%～10%。

3 FBG智能夾層的傳感性能實驗

3．1 溫度測量

采用水浴方法，對雙重FBG智能夾層的溫度傳感特性進行標定，用光譜儀觀測反射波長的漂移，并用溫度計記錄溫度變化情況，實驗結果見圖4。

圖4 雙重FBG智能夾層的溫度標定圖示Fig 4 Diagram of temperature calibration of double FBG smart layer

由圖4可見，Bragg光柵波長漂移與溫度變化之間具有良好的線性關系，溫度靈敏度系數分別為KT1=0．023 nm/℃和KT2=0．021nm/℃，較裸光柵的高出2 倍多。為獲得更高的測量精度，在溫度變化范圍較大時，應考慮非線性效應對折射率的影響［12］。

3．2 應變測量

采用鋼質矩形懸臂梁結構，對雙重FBG智能夾層的應變傳感特性進行標定。把智能夾層用502膠粘貼于靠近固定端的柵長為20 mm的應變計旁邊，應變計的引線接應變儀檢測其輸出的應變，在實驗室封閉環境下，短時間內溫度變化很小，可認為是恒溫，室溫22℃，實驗結果如圖5所示。

從圖5可知，雙重FBG智能夾層應變傳感的線性度較好，應變靈敏度系數分別為Kε1=0．00085 nm/10－6和Kε2=0．00059 nm/10－6，比裸光柵的略微降低。由于智能夾層內的傳感頭為柵區和一段毛細不銹鋼套管構成，在智能夾層固化過程中套層接頭處可能出現膠體富集，使傳感器受載時產生滯后，可通過改進FBG智能夾層的制作工藝解決，也可進一步通過穩定溫度、減小懸臂梁結構內部和外表面溫度梯度現象的影響（如可采用等強度懸臂梁）、選擇應變傳遞性能更好的膠和粘貼工藝等進一步提高智能夾層內FBG傳感器的應變靈敏度系數。

4 結束語

圖5 雙重FBG智能夾層的應變標定圖示Fig 5 Diagram of strain calibration of double FBG smart layer

本文提出的雙重FBG智能夾層制作工藝簡單易行，穩定性和重復性好，有較高的測量精度，且智能夾層的埋入對復合材料結構力學性能影響較小，可滿足工程測量要求。利用智能夾層中的FBG傳感器網絡和先進的信息處理技術，結合復合材料力學性能分析，可建立材料固化、結構損傷等主動、在線和實時監測系統。

［1］ Lin M，Qing X，Kumar A，et al．Smart layer and smart suitcase for structural health monitoring applications［J］．SPIE，2001，43（32）:98－104．

［2］ Li Xiaochun．Embedded sensors in layered manufacturing［D］．Stanford:Stanford University，2001．

［3］ 黃民雙，梁大開．應用于智能結構的光纖傳感新技術研究［J］．航空學報，2001，22（4）:326 －332．

［4］ Bodan P，Carl B．X233/RLV reusable cryogenic tank VHM using fiber optic distributed sensing technology［C］∥Proceedings of the IAA/ASME/ASCE/ASC 9th Structures，Structural Dynamic，and Materials Conference and Exhibit，AIAA29821929，Long Beach，California，USA，1998．

［5］ 吳 薇，陳 婷．一種消除交叉敏感影響的修正雙波長矩陣算法［J］．半導體光電，2010，31（2）:217 －219．

［6］ 吳椿烽，冒麗蓉，鄭 磊．光纖光柵傳感器的研究與應用［J］．新特器件應用，2010，12（8）:17 －20．

［7］ 吳海峰，王向宇，雍 振．消除光纖光柵溫度壓力交叉敏感技術進展［J］．光器件，2009（3）:11 －13．

［8］ 張燕君，王海寶，陳澤貴，等．光纖光柵毛細鋼管封裝工藝及其傳感特性研究［J］．激光與紅外，2009，39（1）:53，54，66．

［9］ 王曉霞，劉 煒，王衛林，等．鍍層材料對FBG傳感器溫度靈敏度的影響與研究［J］．材料導報，2009，23（5）:56 －58．

［10］李東升，梁大開，熊 克．光纖智能夾層制作工藝及試驗研究［J］．傳感器技術，2005，24（1）:28 －29．

［11］張雙寅，劉濟慶，于曉霞，等．復合材料結構的力學性能［M］．北京:北京理工大學出版社，1992:120－126．

［12］ Zhan Jing，Li Yongqian．Calibration method for fiber Bragg grating temperature sensor［C］∥The 9th International Conference on E-lectronic Measurement ＆ Instruments，Beijing，2009:2—822—2—825．