基于光纖布拉格光柵的玄武巖纖維智能片材研究

于海鷹等

摘要： 提出了一種摻入光纖布拉格光柵（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）的玄武巖纖維增強(qiáng)塑料（basalt fiber reinforced plastics，BFRP）智能片材，將其作為傳感器用于混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變監(jiān)測。將FBG摻入BFRP可實(shí)現(xiàn)對(duì)FBG良好保護(hù)，改善FBG傳感性能。提出了FBGBFRP智能片材的制備方法，測試并分析了FBGBFRP智能片材的傳感特性，證明FBGBFRP智能片材具有較好的傳感性能。

關(guān)鍵詞： FBG； BFRP； 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

中圖分類號(hào)： TN 253文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.008

Abstract： The paper proposes basalt fiber reinforces plastics （BFRP） intelligent sheet based on a fiber bragg grating （FBG）. It can be used as sensors for strain monitoring of concrete structure. The incorporation of FBG with BFRP can not only protect FBG， but also improve the sensing properties of the FBG. The paper puts forward the method of preparing FBGBFRP intelligent sheet， and analysis of the sensing properties of FBGBFRP intelligent sheet. The test proves that the FBGBFRP has better performance of intelligent sensing sheet.

Keywords： FBG； BFRP； structural health monitoring

引言自從20世紀(jì)70年代光纖布拉格光柵（fiber bragg grating，F(xiàn)BG）技術(shù)出現(xiàn)并應(yīng)用于結(jié)構(gòu)監(jiān)測以來，F(xiàn)BG技術(shù)發(fā)展迅速。FBG具有良好的傳感性能、時(shí)間耐久性能及抗干擾性能，適合在建筑結(jié)構(gòu)監(jiān)測領(lǐng)域使用。FBG傳感器不易受電磁干擾影響，F(xiàn)BG傳感器與單模光纖組成的傳感網(wǎng)絡(luò)信號(hào)傳輸距離長，覆蓋范圍廣，無需信號(hào)中途放大。FBG傳感器可以串聯(lián)形式實(shí)現(xiàn)相互連接，節(jié)約了大量線纜。基于FBG的傳感技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于建筑或橋梁的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中[1]。FBG的封裝技術(shù)一直受到關(guān)注，良好的封裝不僅可以對(duì)FBG有良好保護(hù)，也可提高 FBG傳感性能。現(xiàn)階段出現(xiàn)了一些以金屬材質(zhì)[2]及高聚物片狀材料[3]，管狀材料[4]封裝形式為主的傳感器，但此類傳感器與混凝土結(jié)構(gòu)材質(zhì)特性差別較大，力學(xué)耦合不佳，傳感性能不理想。近幾年建筑結(jié)構(gòu)加固技術(shù)發(fā)展迅速，對(duì)老舊建筑、古代建筑[5]、新建建筑的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行建筑加固能夠極大提高建筑結(jié)構(gòu)性能。纖維增強(qiáng)塑料（fiber reinforced plastics，F(xiàn)RP）在結(jié)構(gòu)加固領(lǐng)域也得到了大量應(yīng)用[6]，利用FRP對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固能夠極大提高結(jié)構(gòu)的承載力和延性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能。常見的FRP有芳綸纖維增強(qiáng)塑料（aramid FRP，AFRP）[7]、玻璃纖維增強(qiáng)塑料（glass FRP，GFRP）[8]、碳纖維增強(qiáng)塑料（carbon FRP，CFRP）[9]、玄武巖纖維增強(qiáng)塑料（basalt FRP，BFRP），現(xiàn)有的建筑結(jié)構(gòu)加固工程多采用CFRP。而近幾年BFRP因其低廉的價(jià)格及優(yōu)異的綜合性能越來越受到結(jié)構(gòu)加固市場的青睞[10]，BFRP的力學(xué)性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于GFRP，抗老化性能要優(yōu)于AFRP。BFRP某些力學(xué)性能也較CFRP優(yōu)良[11]。將FBG傳感器封裝進(jìn)建筑加固使用的復(fù)合纖維材料中，不僅對(duì)建筑結(jié)構(gòu)有加固作用，而且FBGBFRP智能片材亦可對(duì)加固結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的應(yīng)變監(jiān)測[12]。在目前的研究中，對(duì)摻入FBG的CFRP、GFRP的傳感性能研究較多，而摻入FBG的BFRP片材傳感性能研究較少，BFRP力學(xué)特性及表面特性與CFRP、GFRP有較大區(qū)別，因此研究FBGBFRP智能片材傳感特性意義很大。

1.1FBG應(yīng)變傳感原理由耦合波理論可得，當(dāng)滿足相位匹配條件時(shí)，光纖光柵的布拉格波長為 λB=2nΛ，式中：λB為布拉格波長；n為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵周期。圖 1所示為 FBG傳感原理示意圖。光纖光柵溫度、應(yīng)力改變都會(huì)導(dǎo)致反射光的中心波長的變化，光纖光柵反射光中心波長的變化反映了外界被測量的變化情況。光纖光柵的中心波長與溫度和應(yīng)變的關(guān)系為ΔλBλB=（1-Pe）ε+（α+ξ）ΔT（1）式中：ΔλB為波長變化量；α為光纖的熱膨脹系數(shù)；ξ為光纖的熱光系數(shù)；Pe為光纖材料的彈光系數(shù)；ε為應(yīng)變；ΔT為溫度變化。假定光纖僅受外界力作用產(chǎn)生應(yīng)變，在此過程中保持溫度不變化，則光纖傳感的方程式可簡化為ΔλBλB=（1-Pe）ε（2）易見，當(dāng)FBG受到外力作用產(chǎn)生應(yīng)變?chǔ)艜r(shí)，F(xiàn)BG的波長變化ΔλB與ε為線性關(guān)系，即ΔλBλB=kε（3）式中k=1-Pe為靈敏系數(shù)。當(dāng)FBG被封裝進(jìn)FRP中并粘貼于被加固表面測量其應(yīng)變時(shí)，與在光纖兩端受軸向拉力不同，光纖沿軸向表面每個(gè)點(diǎn)都受到應(yīng)力作用，因此存在應(yīng)變傳遞系數(shù)kt，kt與封裝材料、封裝形式有關(guān)，影響FBG的傳感靈敏度。經(jīng)過應(yīng)變傳遞系數(shù)修正后，工程應(yīng)用中靈敏度表示為[13]ΔλBλB=ktkε（4）1.2BFRP摻入FBG的意義BFRP由玄武巖巖石高溫熔融拉絲制備而成，其原料本身是天然材料，綠色環(huán)保，符合當(dāng)今綠色建筑的發(fā)展趨勢。BFRP與混凝土在材料特性上有較高的相似性，且溫度膨脹系數(shù)一致，易與基底混凝土材料界面緊密結(jié)合，即使發(fā)生較大的溫度變化也不易產(chǎn)生界面剝離現(xiàn)象。因此將傳感原件摻入BFRP中能夠準(zhǔn)確感知混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變。BFRP中的纖維部分為無機(jī)非金屬材料，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，耐腐性及耐久性好。BFRP造價(jià)相對(duì)低廉，與建筑結(jié)構(gòu)加固中廣泛應(yīng)用的CFRP相比，其造價(jià)約為CFRP的3/5[14]，有市場推廣價(jià)值。BFRP材料具有廣闊的應(yīng)用前景，將FBG與BFRP片材結(jié)合，使用環(huán)氧樹脂浸潤并固化，制備成具備傳感功能的復(fù)合材料的形式。智能片材實(shí)現(xiàn)了對(duì)FBG的完善保護(hù)并提高了傳感性能。BFRP能對(duì)FBG完善保護(hù)。首先，BFRP能提高傳感器整體的機(jī)械強(qiáng)度，F(xiàn)BG自身抗剪切能力不佳，而BFRP可對(duì)FBG形成良好保護(hù)，提高FBG抗剪切作用能力，有效抵御傳感器安裝及后期施工過程對(duì)FBG造成的沖擊。其次，BFRP也能提高傳感器抗化學(xué)腐蝕的作用，混凝土中的離子及空氣中的酸性氣體對(duì)金屬材質(zhì)及非金屬材質(zhì)傳感器都存在化學(xué)腐蝕，BFRP中的環(huán)氧樹脂可有效隔絕來自混凝土及空氣中酸性氣體的化學(xué)腐蝕，延長了傳感器的使用壽命。將FBG摻入BFRP也提高了傳感器的傳感性能。首先BFRP可提高FBG傳感靈敏性。未封裝的FBG直接貼在被測混凝土結(jié)構(gòu)表面時(shí)，傳感器僅有一個(gè)側(cè)面與混凝土接觸，即一個(gè)界面帶動(dòng)FBG產(chǎn)生應(yīng)變。當(dāng)被金屬片狀封裝時(shí)，主要存在上下兩個(gè)界面帶動(dòng)FBG產(chǎn)生應(yīng)變，利用BFRP封裝FBG，BFRP較軟，包裹性好。封裝后形成FBG被四周與之平行的玄武巖纖維包裹的結(jié)構(gòu)，即四周都可帶動(dòng)FBG產(chǎn)生應(yīng)變，因此傳感器傳感靈敏性提高。其次BFRP可提高FGB受力均勻性。混凝土結(jié)構(gòu)在100 mm線度以上可以作為連續(xù)均勻彈性體，但在小于100 mm線度內(nèi)，由于混凝土內(nèi)的氣泡、石子、沙礫等材料分布不均勻因素存在，導(dǎo)致混凝土各局部面應(yīng)變不均勻，不能視作均勻彈性體。若簡單采用未封裝10～20 mm長，0.015～0.050 mm寬FBG作為傳感器，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能代表實(shí)際面應(yīng)變，且由于柵區(qū)各處應(yīng)變不均，易產(chǎn)生啁啾現(xiàn)象，難以準(zhǔn)確測量。BFRP在1 mm線度內(nèi)為均勻彈性體，各局部力學(xué)特性均勻，F(xiàn)BG與之結(jié)合后增大了與被測結(jié)構(gòu)表面的接觸面積，混凝土表面的應(yīng)變經(jīng)過BFRP傳遞給FBG后變均勻。封裝后的FBG測量數(shù)據(jù)更具代表性，也避免了啁啾現(xiàn)象[15]。2FBGBFRP智能片材結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測試

2.1FBGBFRP智能片材結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中采用建筑加固中的單向玄武巖纖維布，單向玄武巖纖維布的纖維方向即為被加固結(jié)構(gòu)的方向[16]，玄武巖纖維布為30 mm×16 mm的矩形，能夠?qū)BG較好地覆蓋并封裝保護(hù)。圖2FBGBFRP智能片材封裝示意圖

Fig.2Package of FBGBFRP intelligent sheetFBGBFRP智能片材的制備流程參考建筑加固施工工藝。將FBG使用環(huán)氧樹脂膠粘貼在剪裁好的玄武巖纖維布上，在制備中，保證FBG徑向方向與纖維方向一致，F(xiàn)BG柵區(qū)位置位于BFRP材料中央，便于FBGBFRP智能片材測試時(shí)安裝標(biāo)定。施加調(diào)配好的加固用環(huán)氧樹脂膠，覆蓋上層BFRP材料。采用軟質(zhì)重物壓合片材，環(huán)氧樹脂完全浸潤上下兩層BFRP。待環(huán)氧樹脂完全固化，最終形成復(fù)合材料形式，完成FBGBFRP智能片材制備。封裝示意圖如圖2所示。

2.2FBGBFRP智能片材靜態(tài)特性測試采用等強(qiáng)度懸臂梁作為測試平臺(tái)[17]，檢測FBGBFRP智能片材應(yīng)變傳感性能。等強(qiáng)度懸臂梁尖端加載的力與其表面應(yīng)變呈線性關(guān)系。傳感性能計(jì)算：λB=1 541.1 nm，彈光系數(shù)Pe=0.78，根據(jù)式（2）理論靈敏度k=0.001 202 nm/με。由于智能片材厚度的存在，在采用等強(qiáng)度懸臂梁實(shí)驗(yàn)時(shí)，F(xiàn)BG應(yīng)變理論上略大于等強(qiáng)度懸臂梁表面應(yīng)用，因此光纖實(shí)際理論靈敏度系數(shù)修正為0.001 413 nm/με（應(yīng)變：物體局部的相對(duì)變形為相對(duì)物理量，單位為με即微應(yīng)變）。傳感性能測試：依次施加等質(zhì)量砝碼，從而制造等量增加的應(yīng)變，施加砝碼同時(shí)觀測FBG返回峰值波長變化；按上述方式連續(xù)施加并減少砝碼多次并記錄數(shù)據(jù)，圖3為FBGBFRP智能片材波長功率特性曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到傳感性能：實(shí)測靈敏度為0.001 460 nm/με，kt=1.03，F(xiàn)BGBFRP部分傳感特性曲線如圖4所示。

2.3FBGBFRP智能片材測試結(jié)果分析測試結(jié)果表明，F(xiàn)BGBFRP智能片材的靈敏度比未封裝的FBG傳感器高，線性度良好，重復(fù)性好。FBG在經(jīng)過封裝后未出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象，證明封裝流程可靠，避免了其他干擾應(yīng)力對(duì)FBG的作用。總之FBGBFRP智能片材能夠作為較為可靠的傳感器并可被結(jié)構(gòu)監(jiān)測系統(tǒng)采用。FBGBFRP的傳感線性良好，量程亦超過了常見混凝土結(jié)構(gòu)可耐受的應(yīng)變范圍。3結(jié)論根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試，ΔλB與ε之間仍保持較好的線性關(guān)系，并未出現(xiàn)原有類似封裝過程中由于FBG受應(yīng)力不均勻出現(xiàn)的啁啾現(xiàn)象，證明封裝方法可靠。雖然靈敏度系數(shù)與理論FBG靈敏度系數(shù)之間存在微小差異，F(xiàn)BGBFRP智能片材仍能夠作為較為可靠的傳感器對(duì)建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。在未來的研究中，可將摻有FBG的BFRP用于混凝土結(jié)構(gòu)加固實(shí)驗(yàn)，通過研究初始加載到破壞全過程FBG波長信號(hào)變化，進(jìn)一步研究其用于建筑加固及結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的有效性。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：劉鐵英）