光纖光柵傳感器的無(wú)膠化封裝及蠕變規(guī)律研究

鐘 陽(yáng) 尚冉冉

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

光纖光柵傳感器的無(wú)膠化封裝及蠕變規(guī)律研究

鐘 陽(yáng) 尚冉冉

(大連理工大學(xué)建設(shè)工程學(xué)部，遼寧 大連 116024)

為了進(jìn)一步提高光纖光柵傳感器在瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)應(yīng)用的長(zhǎng)期有效性，以瀝青混凝土作為封裝材料，在封裝過(guò)程中以纏繞固定代替高分子粘結(jié)劑，使得傳感器無(wú)膠化，并對(duì)光纖光柵傳感器蠕變規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，得出光纖光柵傳感器蠕變隨時(shí)間變化規(guī)律，提出了避免蠕變現(xiàn)象對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果不利影響的建議。

光纖光柵傳感器，瀝青混凝土，無(wú)膠化，封裝方式，蠕變規(guī)律

如何將光纖光柵傳感技術(shù)有效地應(yīng)用于路面結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域是目前的研究熱點(diǎn)之一[1]?，F(xiàn)階段瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的主要方式是對(duì)傳感器進(jìn)行合理封裝后埋入結(jié)構(gòu)層[2]。但是這樣的傳感系統(tǒng)可靠性難以保證[3]，較為常見(jiàn)的是系統(tǒng)中傳感器的失效直接導(dǎo)致測(cè)試失敗。研究表明，現(xiàn)有封裝成型傳感器失效的主要原因是封裝結(jié)構(gòu)的失效[4]，因此封裝方式和方法的好壞成為影響監(jiān)測(cè)有效性的關(guān)鍵因素。較為理想的封裝方式應(yīng)具有服役的耐久性以及監(jiān)測(cè)的有效性[5]。而現(xiàn)有的封裝方式大多采用環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠等聚合物或銅等金屬作為封裝材料，并且大量使用高分子粘結(jié)劑[6]。這些封裝材料與瀝青混凝土的彈性模量相差很大，會(huì)影響傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)變形的協(xié)調(diào)性；其次，金屬材料在長(zhǎng)期服役過(guò)程中會(huì)發(fā)生銹蝕，高分子粘結(jié)劑也存在老化現(xiàn)象[7]。這些問(wèn)題導(dǎo)致現(xiàn)有的封裝方式難以保證光纖光柵傳感器在服役過(guò)程中的有效性以及長(zhǎng)期測(cè)試的耐久性。為了提高光纖光柵傳感器與被測(cè)結(jié)構(gòu)變形的協(xié)調(diào)性，本文利用瀝青混凝土作為封裝材料，用纏繞固定的方式代替高分子粘結(jié)劑以提高其耐久性。并對(duì)封裝成型的傳感器進(jìn)行室內(nèi)加載試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果表明此封裝方式是可行的。本文還對(duì)傳感器的蠕變規(guī)律進(jìn)行研究，說(shuō)明蠕變隨時(shí)間變化情況，由此提出減少蠕變對(duì)測(cè)試結(jié)果影響的建議。

1 無(wú)膠化光纖光柵傳感器的制作

利用經(jīng)過(guò)特殊處理的瀝青混合料車轍試件以及混凝土試件，本文設(shè)計(jì)了一種光纖光柵路用傳感器，其封裝成型的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在制作過(guò)程中，首先采用輪碾法制作帶有孔槽的車轍試件：試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm。將拌和好的瀝青混合料裝入試模一半高度時(shí)，放入十字交叉的兩只金屬管以預(yù)留孔道，金屬管在車轍試件的正中心位置。試件成型后抽出金屬管，留出孔道，用光纖光柵熔接機(jī)將兩只傳感器串聯(lián)，傳感器穿過(guò)孔道后兩端用跳線引出并纏繞在混凝土柱上，在操作過(guò)程中要保證傳感器的位置并保留一定程度的張拉，最后用瀝青對(duì)孔道澆筑固定。

2 無(wú)膠化路用傳感器的室內(nèi)試驗(yàn)

傳感器制作成型的室內(nèi)試驗(yàn)。對(duì)其進(jìn)行靜載，沖擊荷載的加載，以模擬路面上的行車荷載，本試驗(yàn)采用美國(guó)Micronoptics公司的四通道解調(diào)儀FBG-SL1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集頻率為100 Hz。本試驗(yàn)將光纖光柵傳感器與解調(diào)儀連接，并通過(guò)電腦系統(tǒng)采集儲(chǔ)存測(cè)量數(shù)據(jù)。

2.1 靜載試驗(yàn)

為了模擬瀝青路面在靜止車輛荷載作用下的應(yīng)變變化趨勢(shì)。加靜載750 N，加載位置為車轍試件中心，光纖光柵傳感器的反應(yīng)數(shù)據(jù)采集結(jié)果如圖2所示，其中心波長(zhǎng)變化情況反映出在加載瞬間應(yīng)變變化很大，之后部分恢復(fù)，并趨于平穩(wěn)。

2.2 動(dòng)荷載加載試驗(yàn)

在沖擊荷載加載試驗(yàn)中，用鐵錘敲擊封裝好的傳感器，以模擬瀝青路面在振動(dòng)荷載作用下的受力情況。敲擊位置為車轍試件的中心，由圖3實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看出，傳感器在沖擊荷載作用時(shí)，中心波長(zhǎng)瞬間變化，表明傳感器應(yīng)變瞬間增大。

2.3 加鋪瀝青層后動(dòng)載試驗(yàn)

本試驗(yàn)中，在傳感器上層加放一層瀝青混凝土車轍試件，以模擬傳感器在瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)層中的受力情況，加載方式同上，所測(cè)數(shù)據(jù)圖如圖4所示，與圖3比較不難看出，加鋪瀝青混凝土試件后，波長(zhǎng)變化變緩，同時(shí)波峰變小，符合瀝青路面結(jié)構(gòu)層受力的狀況。

3 光纖光柵傳感器的蠕變規(guī)律研究

由于光纖光柵傳感器在上述封裝形式下，始終處于張拉狀態(tài)，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)不可避免地產(chǎn)生蠕變和應(yīng)力松弛現(xiàn)象[8]，這勢(shì)必會(huì)影響傳感系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的可靠性，為了探討這一問(wèn)題，本文對(duì)光纖光柵傳感器在靜拉力作用下的蠕變規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究。

3.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中取中心波長(zhǎng)為1 580 nm的光纖光柵傳感器四組，纏繞懸掛于事先做好的支架上，對(duì)其中三組進(jìn)行加載，荷載大小分別為2 N,3 N,5 N，采用砝碼持續(xù)加載；另一組傳感器不加載，作為溫度補(bǔ)償對(duì)照。由于在實(shí)際服役過(guò)程中光纖光柵傳感器的應(yīng)變量?jī)H有幾百微應(yīng)變[9]，而2 000對(duì)應(yīng)的荷載值大小僅有1.226 N，并且前期試驗(yàn)表明傳感器在8 N的拉力持續(xù)作用下會(huì)發(fā)生斷裂，因此本試驗(yàn)沒(méi)有嘗試更大的張拉荷載。為了提高試驗(yàn)精度，減少外部環(huán)境對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的擾動(dòng)，為試驗(yàn)裝置罩以玻璃罩。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析

本試驗(yàn)同樣利用Micronoptics公司的光纖光柵解調(diào)采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)剔除溫度應(yīng)變后間隔24 h抽取，得到每天相同時(shí)刻光纖光柵傳感器的中心波長(zhǎng)變化情況，并計(jì)算相對(duì)蠕變量，圖5中的數(shù)據(jù)反映了光纖光柵傳感器相對(duì)蠕變值隨時(shí)間變化情況。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出：不同荷載作用下的光纖光柵傳感器蠕變趨勢(shì)基本相同：開(kāi)始蠕變速度較大，之后蠕變變緩并逐漸趨于平穩(wěn)，平穩(wěn)后的相對(duì)蠕變值在0.05%～0.08%之間波動(dòng)，此波動(dòng)可能是采集儀器采集精度不足導(dǎo)致。但是不同荷載作用下的光纖光柵傳感器達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間并不相同，5 N荷載作用下的光纖光柵傳感器在第7天達(dá)到平穩(wěn)，3 N的荷載在第12天達(dá)到平穩(wěn)，2 N的力大概在16 d才能達(dá)到平穩(wěn)，說(shuō)明荷載越小，蠕變完成所需要的時(shí)間越長(zhǎng)。因此我們?cè)趯?shí)際中可以預(yù)先對(duì)光纖光柵傳感器進(jìn)行張拉，待蠕變完成后再進(jìn)行封裝制作。這樣可以有效減少蠕變對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果有效性的影響，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果也說(shuō)明在作用荷載不大的情況下，光纖光柵傳感器本身的的蠕變量很小，一般不超過(guò)0.08%，對(duì)測(cè)量結(jié)果的有效性影響很小。

4 結(jié)語(yǔ)

1)本文設(shè)計(jì)了一種新型光纖光柵傳感器封裝方式，將光纖光柵傳感器封裝在經(jīng)特殊處理的瀝青混合料車轍試件中，兩端纏繞在混凝土柱上并用瀝青澆筑固定。這樣以被測(cè)結(jié)構(gòu)材料作為封裝材料，以纏繞固定代替高分子粘結(jié)劑的使用，從而實(shí)現(xiàn)了光纖光柵傳感器的無(wú)膠化，提高封裝傳感器的有效性和耐久性。

2)本文對(duì)封裝成型的傳感器進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的測(cè)試情況符合一般力學(xué)規(guī)律，傳感器的封裝方式是可行的。

3)本文對(duì)于光纖光柵傳感器在張緊情況下的蠕變規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出傳感器蠕變一般規(guī)律：施加荷載初期光纖光柵傳感器蠕變較快，后來(lái)逐漸趨于穩(wěn)定，荷載越小達(dá)到穩(wěn)定所需要的時(shí)間越長(zhǎng)，但是相對(duì)蠕變值均穩(wěn)定在0.05%～0.08%之間。建議在封裝之前對(duì)傳感器張拉一段時(shí)間以減少蠕變問(wèn)題對(duì)傳感器監(jiān)測(cè)精度的影響。

[1] Giorgio Nosenzo. Monitoring of Mining Induced Subsidence through Measurement of Ground Strains with Fiber Bragg Grating Sensors [A].2011 IEEE Sensors Proceeding[C].2011(2)：707-1377.

[2] Housner G W, Bergman L A, Caughey T K. Structural control past present and ruture [J].Journal of engineering mechanics.1997，123(9):897-971.

[3] 柳智慧，石文玉，張 蕊.光纖光柵傳感器封裝增敏技術(shù)研究[J].光器件，2015(1)：21-22.

[4] Jang J H, Jeong J H, Kwon J M, et al. Long-term monitoring operation of the test-road in Korea Highway Corporation (KHC) [J].Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring, 2005(12):505-514.

[5] AASHTO. The AASHTO road test, report 5. Pavement Research, Special Report 73,Highway Research Board,1962.

[6] 杜 翀，霍施宇.光纖光柵傳感器高溫粘結(jié)失效機(jī)理試驗(yàn)[J].上海大學(xué)學(xué)報(bào),2013,19(6)：37-38.

[7] 田庚亮.光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)瀝青混合料應(yīng)變響應(yīng)有效性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009:1.

[8] 徐志洪，ANSARI Farhad.用弱相干白光雙干涉系統(tǒng)測(cè)量光纖的蠕變[J].中國(guó)科學(xué)：科學(xué)技術(shù),2010,40(2):163-166.

[9] 鐘 陽(yáng)，王建坤，王東明.用于路面結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)的光纖光柵應(yīng)變傳感器研究[J].北方交通,2012(4)：1673，6052.

Research on creep law of packaging machine without glue of optical fiber grating sensor

Zhong Yang Shang Ranran

(ConstructionEngineeringCollege,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

In order to further improve the long-term effectiveness of optical fiber grating sensor in asphalt concrete structure monitoring application, taking the asphalt concrete as the packaging materials, in the encapsulation process by winding fixing instead of polymer binder, made the sensor without glue, and made test research on the creep law of optical fiber grating sensor, gained the law of optical fiber grating sensor changed with time, put forward the suggestion to avoid the creep had adverse influence to monitoring results.

optical fiber grating sensor, asphalt concrete, without glue, encapsulation way, creep law

2015-03-08

鐘 陽(yáng)(1955- ),男，教授； 尚冉冉(1988- )，女，在讀碩士

1009-6825(2015)14-0138-02

TN915.62

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