FBG 應變傳感器的疲勞性能研究*

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，FBG)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 制造技術的成熟，其在通信和傳感技術領域均得到廣泛關注［1，2］。在傳感技術領域，FBG 作為應變傳感器最為常見。目前，FBG 應變傳感器的研究和應用已從實驗室拓展到實際工程領域，國內外學者已經將FBG 應變傳感器應用到橋梁、大壩、海上石油鉆井平臺等大型工程設施的結構健康監測中，通過實時監測內部應變、應力、裂紋等參數評估結構損傷程度和服役狀態［3，4］。相對于傳統的電阻應變片，FBG 測量應變時具有抗干擾能力強、絕對值測量以及在一路光纖上應用波分復用技術就可以實現分布式測量等優點，尤為得到科研人員的認可。橋梁、海上鉆井平臺等工程結構在風力或海浪的作用下，需承受交變的載荷，因此，對這些結構進行應變、應力監測的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，但不便于應用在實際的應變監測中。黃國君則采用實驗的方法研究了金屬封裝FBG 應變傳感器的疲勞可靠性，其實驗結果無法分辨傳感器封裝材料和粘接劑的疲勞效應對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生畸變，在疲勞斷裂之前就已經喪失傳感能力［7］。

本文從實際應用的角度研究了FBG 應變傳感器的疲勞性能，為其在結構健康監測領域更為廣泛深入的應用奠定了基礎。

1 FBG 的疲勞性能測試

1.1 試驗方法和步驟

為了獲得FBG應變傳感器在交變載荷作用下的疲勞性能，本文將FBG 預先埋入樹脂基復合材料預浸料鋪層中，經高溫高壓工藝后預浸料固化成型為復合材料層合板。高溫高壓過程使埋入的FBG 與層合板樹脂基體緊密結合成一體，當承受載荷時，二者協同變形，產生相同的應變，即通過FBG 就可測得試件在加載方向的應變。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公司生產的集成解調系統FBG－IS 采集。試驗過程中為去除環境溫度波動對應變測量結果的影響，設置參考FBG 作為溫度補償措施。

圖1 埋FBG 復合材料試件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加載，疲勞試驗參數如表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合材料預浸料鋪層方向不同所致。疲勞加載過程中，循環載荷每增加5 萬(或10 萬)次，暫停疲勞加載，對試件進行靜態拉伸加載，記錄試件在對應循環最大載荷、最小載荷以及平均載荷時的布拉格反射波長信號，根據FBG 應變靈敏系數即可得到相應時刻的應變值。

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

1.2 試驗與結果分析

1#，2#試件在疲勞過程中最大/平均/最小應變增量—循環次數關系曲線分別如圖2 和圖3 所示，圖中的散點為FBG 測得的數據，實線為測試數據的擬合曲線。

從FBG 應變測試結果曲線可以看出:兩個試件疲勞過程中的應變變化規律相似:疲勞過程中兩個試件的最大/平均/最小應變均呈增加趨勢;在疲勞初始階段，應變增加較快，隨后進入第二階段，應變呈線性緩慢增長，并且這一階段在總循環周次中占據大部分。由復合材料層合板的疲勞理論知，在交變載荷作用下，隨著循環次數的增加，由于試件內部損傷逐漸積累，試件剛度會產生下降，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，對應的試件最大應變、平均應變和最小應變隨循環次數增加而增大。試驗結果顯示:FBG 測得的應變變化曲線完全符合上述復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，埋于試件內的FBG 在分別經歷多達50 萬次(2#試件)和100 萬次(2#試件)循環載荷作用過程中，均保持了良好的應變測試能力。

圖2 1#試件應變增量隨循環次數的變化曲線Fig 2 Variation curves of strain increment with cycle index of specimen 1

圖3 2#試件應變增量隨循環次數變化曲線Fig 3 Variation curves of strain increment with cycle index of specimen 2

為了更準確地評價FBG 經歷多次循環載荷作用后的應變傳感性能，1#，2#試件分別經歷50 萬次和100 萬次循環載荷作用后，將其從疲勞試驗機上卸下，并在兩個試件表面粘貼電阻應變片(ESG)后進行靜態拉伸試驗。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變儀指示值和布拉格中心波長漂移值，由電阻應變片和FBG 分別測得的兩個試件應變—載荷曲線如圖4 和圖5 所示。

圖4 1#試件應變—載荷曲線Fig 4 Strain-load curve of specimen 1

試驗結果曲線顯示:經歷了高達50 萬次(1#試件)和100 萬次(2#試件)交變載荷作用后，FBG 應變測量曲線與FSG 應變曲線吻合良好，測量范圍內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應變傳感器具有很強的抗疲勞能力，經歷了較高周次的循環載荷作用后，保持了良好的應變傳感能力和較高應變測量精度。

圖5 2#試件應變—載荷曲線Fig 5 Strain-load curve of specimen 2

2 結 論

本文將FBG 埋入樹脂基復合材料內部，采用疲勞試驗的方法研究了傳感器的疲勞性能。FBG 應變監測曲線變化規律符合復合材料層合板疲勞理論，經歷多達106次循環載荷作用后，最大應變測量相對誤差為1.11%，保持了較好的應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，能夠滿足疲勞狀態實時監測的要求，為重要結構服役過程中的在線損傷監測、剩余壽命預報以及材料破壞失效的預警奠定了重要基礎。

［1］ Hill K O，Malo B，Bilodeau F，et al.Bragg grating fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask［J］.Apply Physics Letters，1993，62(10):1035－1037.

［2］ Lemaire P J，Atkins R M，Mizrahi V，et al.High pressure H2loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GrO2－doped optical fibers［J］.Electronic Letters，1993，29(13):1191－1194.

［3］ 趙雪峰，田石柱，周 智，等.鋼片封裝光纖光柵監測混凝土應變試驗研究［J］.光電子·激光，2003，14(2):171－174.

［4］ 萬里冰，武湛君，張博明，等.基于光纖光柵傳感技術的橋梁結構內部應變監測［J］.光電子·激光，2004，15(12):1472－1476.

［5］ Shu Yuejie，Chen Weimin，Zhang Peng，et al.Investigation on evaluation theory of fiber Bragg grating tensile fatigue property［J］.Acta Photonica Sinica，2013，42(7):805－810.

［6］ 黃國君，殷昀虢，戴 鋒，等.光纖布拉格光柵應變傳感器的靈敏性及疲勞可靠性研究［J］.激光雜志，2003，24(6):45－47.

［7］ Ang J，Li H C H，Herszberg I，et al.Tensile fatigue properties of fibre Bragg grating optical fibre sensors［J］.International Journal of Fatigue，2010，32(4):762－768.