電熱循環次數對光纖傳感器封裝材料的耐久性試驗研究*

饒 蘭， 劉永莉， 肖衡林， 黃思璐

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430064)

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電熱循環次數對光纖傳感器封裝材料的耐久性試驗研究*

饒 蘭， 劉永莉， 肖衡林， 黃思璐

(湖北工業大學 土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430064)

針對電熱循環次數對光纖耐久性的影響，選取英國進口光纖，采用循環通電加熱光纖金屬鎧的室內試驗，獲得了不同電熱循環次數下光纖的拉力—位移曲線，得到不同電熱循環次數下光纖金屬鎧最大抗拉力；分析了光纖極限抗拉力—加熱循環次數關系，得到光纖金屬鎧耐久性推算公式。研究結果表明：隨著電熱循環次數的增加，光纖金屬鎧最大抗拉力不斷減少且減少的速度越來越快。研究結果對相應工程合理選擇與之耐久性相適應的傳感光纖有重要的指導意義。

光纖； 金屬鎧; 耐久性； 電熱循環次數； 試驗

0 引 言

光纖傳感器由于具有耐腐蝕、抗電磁干擾、長距離和高精度等諸多優點[1,2]，在軍事、航空、民用建筑健康監測、冶金、能源化工領域、溫度監測報警系統等方面具有廣闊的應用前景，近十幾年來一直是國內外的研究熱點[3～5]。國內外關于光纖傳感領域的發展可分為兩大方向：光纖傳感技術的研究及其在各個領域的應用開發研究[6]，然而關于光纖材料耐久性方面的研究卻很少。

裸光纖外形纖細，外徑約為125 μm，質地特別脆弱，抗剪能力差，難以直接用于工程監測，因此需要對光纖進行封裝保護[7]。光纖封裝材料可分為金屬材料和非金屬材料，金屬材料一般為銅和鋁等，非金屬材料一般為環氧樹脂、硅橡膠等[8，9]。封裝后的光纖傳感器可以看作由傳感基體、光纖光柵、封裝部分等構成的有機整體，而使光纖傳感器喪失穩定性和可靠性的最主要影響因素是封裝材料的失效。隨著使用時間的增長和環境的變化，金屬材料會漸漸銹蝕，非金屬材料會漸漸老化，再加上光纖傳感器工作環境的惡劣性，如酸雨、土壤、混凝土等酸堿性，溫度變化，干濕變化，菌蟲，電化學，凍融循環等，勢必會加劇老化的速度，影響傳感器的壽命。孟匯等人[10]通過酸堿加速試驗,得出不同封裝材料的光纖光柵在酸堿環境下耐久性不同，并對其壽命進行了預測。

大型工程一般體積巨大且使用年限長，光纖傳感器埋入其結構內部，難以更新替換[11]。一旦光纖過早地出現耐久性問題，不但會影響監測的結果，嚴重的還會危及人民的生命財產安全，所以，對光纖耐久性研究十分必要。

本文通過室內試驗，對電熱循環次數對光纖傳感器封裝材料金屬鎧耐久性的影響進行了研究。得到了不同電熱循環次數下光纖金屬鎧最大抗拉力，確定了受電熱循環次數影響的光纖金屬鎧耐久性推算公式。這對工程監測中光纖傳感器合理選擇具有重要意義和參考價值。

1 室內試驗

1.1 試驗原理

光纖在工作狀態下，通常會不斷通電加熱，非工作狀態則停止加熱。因此，在長期的電熱循環過程中，封裝保護層，特別是金屬材料就會產生劣化，從而影響光纖耐久性。因此，電熱循環次數對光纖金屬鎧耐久性有重要影響。假如光纖在無不良條件，如酸堿性、溫度、干濕變化等的環境下工作，影響光纖耐久性僅為電熱循環次數，因此，可以認為其耐久性指標主要由強度來控制，于是可以用抗拉力來評價其耐久性。

1.2 試驗設計

試驗采用50/125英國進口鎧裝光纖，纖芯為SiO2，包層為不銹鋼金屬鎧，涂覆層為塑料保護層。在恒溫環境下進行，采用型號為TDGC2—5的高精度高功率調壓儀對光纖通電加熱，假設光纖受熱過程中對恒溫室環境溫度沒有影響，在電熱之前將光纖連接分布式光纖測溫儀，測得光纖溫度與恒溫室溫度相同。對光纖進行電熱處理，設置加熱功率為13 W/m，加熱時間為15 min，通電加熱完成后冷卻至初始溫度，通過分布式光纖測溫儀可以讀出光纖溫度。冷卻后的光纖重復以上操作，以此為一個電熱循環來模擬電熱次數對光纖強度的影響。循環次數選擇0～256次。

剝掉電熱后的光纖表面黃色塑料保護層，保留光纖金屬鎧。分別對電熱循環0，2，4，8，16，32，64，128，160，192，256次的光纖金屬鎧進行受載拉伸試驗，試驗儀器為帶微機處理器的電子拉力機。

2 試驗結果與分析

通過上述試驗，取出典型的受載拉伸試驗數據進行分析。圖1為不同電熱循環次數下光纖的拉力—位移曲線。由圖1電熱循環8，64，256次的3組拉力—位移曲線可以很清楚地看出，3組試件的拉力隨著電熱循環次數的增加而不斷減少。電熱循環8，64，256次的3組試件拉力—位移曲線的形狀類似。不同電熱循環次數下拉力—位移曲線分為：拉力隨位移快速增長階段(原點到a點)；拉力隨位移緩慢增長階段(a到b點)；拉力保持不變階段(b點以后)。在快速增長階段，拉力與位移成正比。在電熱循環8,64,256次 3組的位移基本保持在28 mm，說明金屬鎧的延續基本沒有發生變化。

由表1可得出：隨著電熱循環次數的增加光纖金屬鎧極限抗拉力不斷下降。0～4次范圍內，光纖金屬鎧極限抗拉力沒有變化。在加熱循環4次后，極限抗拉力開始下降，到第8次循環時，抗拉力下降了1.3 %；在8～32次循環范圍內，極限抗拉力一直保持為原始極限抗拉力的98.7 %；循環加熱64次后，極限抗拉力下降速度變快，下降了26.2 %；循環加熱次數達到256次時，極限抗拉力降為0.516 7 kN，比初始抗拉力的50%還少。

圖1 不同電熱循環次數下光纖的拉力—位移曲線

表1 不同電熱循環次數光纖極限抗拉力

為了進一步推演光纖的抗拉力，以指數函數y=a·ebx對其進行擬合，得到擬合曲線,如圖2所示。

圖2 極限抗拉力與電熱循環次數關系曲線及指數擬合曲線

該模擬曲線方差為R2=0.965,相當接近1。所以用曲線y=1.056 7e-0.003x來估算光纖在不同電熱循環次數下的極限抗拉力是可行的。以該式計算，當循環次數為500次時，極限抗拉力為0.236kN；當循環次數為2 500時，極限抗拉力為0.58N(比一根頭發絲斷裂強力還小)，此時極限抗拉力僅為原始的0.005 5 %，在微小工程擾動下，就可能發生斷裂，不再適用于工程監測。因此加熱次數越多，光纖金屬鎧的極限抗拉力越小。

3 結 論

1)周而復始的電熱循環，會使光纖金屬鎧保護層產生劣化，進而對光纖的耐久性產生影響。

2)電熱循環次數越多，光纖金屬鎧保護層抗拉力越小，其耐久性能越差。

3)光纖在實際工程應用中，應考慮到這些因素的影響。當光纖需要長期電熱循環時，可預先估算光纖所需的最小拉力，從而選擇與結構所需檢測時間相適宜的光纖類型。

[1] 吳 剛，劉月明，樓俊.光纖水質傳感器的研究現狀和發展趨勢[J].傳感器與微系統，2012,31(10):6-8.

[2] 范 萌，劉永莉，肖衡林,等.光纖測溫技術在斷樁檢測模型試驗中的應用[J].傳感器與微系統，2015,34(12):153-155.

[3] 盧一鑫，楊璐娜.光纖傳感器的應用現狀及未來發展趨勢[J].科技信息，2011(3):113-114.

[4] 何存富，杭利軍，吳 斌.分布式光纖傳感技術在管道泄漏檢測中的應用[J].傳感器與微系統，2006,25(9):8-11.

[5] 徐國權，熊代余.光纖光柵傳感技術在工程中的應用[J].中國光學，2013,6(3):306-317.

[6] 侯俊芳，裴 麗，李卓軒,等.光纖傳感技術的研究進展及應用[J].光電技術應用，2012,27(1):49-53.

[7] 周 智，趙雪峰，武湛君,等.光纖光柵毛細鋼管封裝工藝及其傳感特性研究[J].中國激光，2002,29(12):1089-1092.

[8] 何 偉，徐先東，姜德生.聚合物封裝的高靈敏度光纖光柵溫度傳感器及其低溫特性[J].光 學學報，2004,24(10):1317-1319.

[9] 于秀娟，余有龍，張 敏,等.銅片封裝光纖光柵傳感器的應變和溫度傳感特性研究[J].光子學報，2006,35(9):1325-1328.

[10] 孟 匯.光纖光柵傳感器酸堿耐久性研究[D].武漢：武漢理工大學，2014.

[11] 吳永紅，邵長江，屈文俊,等.大型工程長期健康監測用FBG應變傳感器的研究[J].光電子·激光，2010,21(4):481-484.

劉永莉，通訊作者，E—mail:maryroseli@126.com。

Experimental research on durability ohmic heating cycle index for fiber-optic sensor package material*

RAO Lan, LIU Yong-li, XIAO Heng-lin, HUANG Si-lu

(School of Civil，Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430064,China)

Aiming at effect of ohmic heating cycle times on durability of optical fiber,select optical fiber imported from Britain,laboratory test by circulated ohmic heating metal-clad optical fiber,obtain pull-displacement curve of optical fiber under different ohmic heating cycle times,the maximum tensile resistance of metal-clad optical fiber under different ohmic heating cycle times is obtained.Relationship between ultimate tensile resistance of optical fiber and ohmic heating cycle times is analyzed,durability of optical fiber prediction equation is obtained.Research result indicates that with the increase of ohmic heating cycle times,metal-clad optical fiber maximum tensile resistance continues to decline at an increasingly rapid pace.The results has an important guiding significance to the corresponding project make a reasonable choice to detect sensing optical fiber with same durability.

optical fiber; metal-clad; durability; ohmic heating cycle times; test

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0068—02

2016—07—20

國家自然科學基金資助項目(51578219) ; 湖北工業大學高層次人才項目(BSQD12054)

TU 473

A

1000—9787(2017)07—0068—02

饒 蘭(1990-) ，女，碩士研究生，主要研究方向為光纖傳感研究。