CFRP/光纖帶狀應變傳感器傳感性能研究

黃孟姣　朱萍玉　謝嘯博　吳江　王帥斌

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CFRP/光纖帶狀應變傳感器傳感性能研究

黃孟姣朱萍玉謝嘯博吳江王帥斌

（廣州大學機械與電氣工程學院）

針對分布式光纖封裝及與粘貼對象相容性對其傳感性能的影響，采用碳纖維預浸料對分布式光纖進行熱壓封裝并作性能驗證。通過封裝過程中的預拉伸保證分布式光纖的均勻性，增強布里淵分布式光纖傳感器的解調有效性，固化后的碳纖維增強復合材料對光纖起保護作用。將封裝的CFRP/光纖帶狀應變傳感器粘貼到等強度懸臂梁上作靜載實驗，同時借助ANSYS軟件進行相應載荷的有限元仿真，仿真結果與試驗結果一致，驗證了CFRP/光纖帶狀應變傳感器封裝方法的有效性和良好的傳感性能。

分布式光纖；碳纖維增強復合材料；熱壓封裝

0　引言

分布式光纖傳感技術具有全尺度分布式測量的優點，在大壩、橋梁以及航天器等大型結構工程中得到廣泛應用[1-2]，其中傳感光纖多采用特殊制作的光纜或直接植入結構體內部。對于需要粘貼在表面對其監測的對象，裸光纖不適合工程應用，而光纜的圓柱外形與表面線接觸的形式不利于粘貼牢固。鑒于光纖傳感器具有獨特的應變傳感性能，并能與碳纖維復合材料兼容，故碳纖維樹脂增強復合材料（carbon fiber reinforced plastics, CFRP）成為制作片式光纖傳感器的首選[3]。封裝后的傳感器可用于大范圍表面粘貼進行長期狀態監測。

本文提出將光纖植入兩片碳纖維預浸料中，通過熱壓制作成CFRP/光纖帶狀應變傳感器。采用等強度懸臂梁加載測試其應變傳感性能，并進行有限元仿真分析，比較結果為實際應用提供依據。

1 CFRP/光纖樣本的制作及測試裝置

1.1 CFRP/光纖樣本的制作

裁剪兩片同尺寸的窄條狀碳纖維預浸料，將其中的一片鋪放在四柱熱壓機的下加熱模板上；然后鋪放光纖，并通過專門研制的預拉伸架使將光纖繃直；再放上另一片碳纖維預浸料，并輕輕碾壓平整；然后將其放在熱壓機上，根據事先設定的固化工藝流程對其熱壓，如圖1(a)所示，得到的CFRP/光纖帶狀應變傳感器如圖1(b)所示。

圖1 熱壓法制備CFRP/光纖帶狀應變傳感器示意圖

CFRP/光纖帶狀應變傳感器內光纖布置路徑由中間和兩端2部分組成。中間段的多條光纖相互平行布置且與碳纖維的纖維方向一致；兩端的光纖則形成多個類U型，并將中間的光纖連接。CFRP/光纖帶狀應變傳感器的尺寸可根據需要設計成不同的規格，但設計時光纖的總長度受限于目前的分布式光纖解調儀，一般為30 km~50 km。

1.2 分布式光纖傳感及解調

分布式光纖傳感技術將光纖作為線性傳感元件，利用光纖產生的自然光散射，如瑞利、拉曼和布里淵散射，探測周圍環境變化[4]。上述散射均對環境變量敏感，并可對沿光纖分布的溫度和應變等物理變量進行探測。常用的探測方法有2種：光時域反射（optical time-domain reflectometry，OTDR）和光頻域反射（optical frequency-domain reflectometry, OFDR）。光時域反射方法的空間分辨率較低，僅為0.5 m~1 m，但可實現幾十千米光纖的分布式傳感；光頻域反射方法具有更高的空間分辨率，可達毫米級，但測量長度只有幾米~百米。在結構健康監測領域，基于布里淵或瑞利散射的分布式光纖傳感器可用于監測大型結構的應變測量。此時，光纖與結構的相容性會更多地影響結構的應變響應[5]。

1.3 等強度懸臂梁測試裝置

為驗證按本文方法制作的1 m長CFRP/光纖帶狀應變傳感器的應變傳感性能，設計一個能滿足長度要求的等強度懸臂梁，其尺寸為1285 mm×400 mm×10 mm。該懸臂梁通過螺栓固定在實驗平臺上，自由端懸伸出平臺，用于懸掛重物給懸臂梁施加壓力，可在許用載荷下給懸臂梁施加不同載荷。所制作的CFRP/光纖帶狀應變傳感器粘貼在等強度梁的中間部位，并保證分布式光纖方向與懸臂梁中軸線平行，用于測量懸臂梁加載重物時的應變。等強度懸臂梁加載實驗裝置如圖2所示。

圖2　等強度懸臂梁加載實驗裝置

2　有限元分析及測試

2.1 CFRP/光纖加載有限元分析

在有限元軟件ANSYS Workbench15.0中，導入懸臂梁CAD幾何尺寸，進一步驗證粘貼在其表面的CFRP/光纖帶狀應變傳感器對懸臂梁應變的響應靈敏度。一層碳纖維預浸料的厚度約為0.15 mm，2層預浸料的厚度約為0.3 mm；中間放置低水峰單模光纖的參數為：直徑約0.27 mm；彈性模量7.4×1010 Pa；泊松比0.3，建立的CFRP/帶狀應變傳感器的幾何模型如圖3所示。選用懸臂梁彈性模量為2×1011 Pa，泊松比為0.30。因模型的形狀較為規整，故采用自由網格劃分，Element Size設為18.5 mm，如圖4所示。網格劃分完成后，在等強度懸臂梁的固定端施加固定約束，即對有限元模型添加固定約束，并對自由端施加集中載荷，以測試獨立的懸臂梁的應變響應，如圖5所示。

圖3　等強度懸臂梁及CFRP/光纖三維模型

圖4　聯合模型網格劃分結果

圖5　獨立懸臂梁應變云圖　

測試時，采用AB膠將CFRP/光纖帶狀應變傳感器貼在等強度懸臂梁上，因涂膠厚度極小，可忽略不計。根據現實情況，選定ANSYS中的Frictional定義等強度懸臂梁與CFRP/光纖帶狀應變傳感器之間的接觸關系。盡管該傳感器中有很多根光纖，由于采用等強度量，梁上的應變值處處相等。為簡化計算，只選取測量應變段的直線平直光纖。因此，在碳纖維板模型中只置入單根直光纖模型，且光纖的長度與碳纖維基底相同。當確立以上數據后進行仿真分析，繼續添加固定約束，并在懸臂梁的自由端依次施加1 kg，3 kg，5 kg，7 kg，9 kg和11 kg的集中載荷，得到整體結構的應變響應和光纖應變響應，分別如圖6和圖7所示。從有限元計算結果中提取光纖的應變值，并對埋入CFRP內部光纖段上的應變值進行平均處理，將該平均值作為仿真結果值與應變片和CFRP/光纖測得值比較。

圖6　CFRP/光纖帶狀應變傳感器應變云圖

圖7　傳感光纖應變局部云圖

2.2 CFRP/光纖加載實驗

為了進一步驗證所制作的CFRP/光纖帶狀應變傳感器的應變傳感性能，對照有限元分析的模型，將傳感器和應變片粘貼于自行設計制作的等強度懸臂梁上。在懸臂梁的自由端依次懸掛與仿真相同的載荷，得到CFRP/光纖實測值和應變片實測值，將2種傳感器的實測值與仿真值比較，如表1所示。分別做出CFRP/光纖應變響應和應變片應變響應與負載的關系，如圖8(a)和圖8(b)所示，得到二者的應變轉換系數分別為8.49/kg和8.85/kg。應變片的應變響應轉換系統稍高，主要歸因于CFRP材料和粘貼傳感器的膠層可能導致衰減。圖9顯示了2種實測結果與仿真結果的關系，由圖9可以看出：所研制的CFRP/光纖帶狀應變傳感器隨著載荷增大，測量值略小于仿真值和應變片的測量值，但很好地實現光纖的應變傳感功能，仿真模型正確。

表1 CFRP/光纖仿真值與實測值和應變片實測值對比表

圖8(a) CFRP/光纖傳感器應變轉換系數

圖8(b) 應變片傳感器應變轉換系數

圖9　傳感器實測值與仿真結果的對比圖

3　結論

本文提出一種采用碳纖維預浸料對分布式光纖進行熱壓封裝得到CFRP/光纖帶狀應變傳感器的方法，并分別采用有限元仿真和應變片實測值對比分析，對該傳感器的應變傳感器性能進行了深入研究。實驗得到所制作的CFRP/光纖帶狀應變傳感器的應變傳遞系數為8.49/kg，略低于應變片和仿真值。研究結果表明：CFRP封裝光纖不僅可以有效保護光纖，提高其現場施工的成活率，具有實際工程應用價值，還能夠實現光纖傳感系統的大范圍表面粘貼，如粘貼在鋼軌表面進行長期狀態監測。

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Study on Sensing Performance of CFRP/ Fiber Banded Strain Sensor

Huang Mengjiao Zhu Pingyu Xie Xiaobo Wu Jiang Wang Shuaibin

(School of Mechanical and Electric Engineering, Guangzhou University)

In view of the influence of the compatibility of distributed optical fiber package and paste object on its sensing performance, carbon fiber prepreg is used to heat-package distributed optical fiber. The uniformity of the distributed fiber is ensured by the pre-stretching in the packaging process to facilitate the effective demodulation of the fiber sensing during the demodulation of the distributed fiber, and the cured carbon fiber reinforced composite material (CFRP) protects the fiber. The packaged CFRP/fiber sensor was attached to a cantilever with the same strength for static load tests, and the finite element simulation of the corresponding load was carried out by Ansys software. The simulation results were consistent with the experimental results, and the strip CFRP/fiber sensor packaging method was verified. The effectiveness and good sensing performance.

Distributed Fiber; Carbon Fiber Reinforced Composite; Thermocompression Package

黃孟姣，女，1995年生，碩士研究生，主要研究方向：機電設備可靠性分析。

朱萍玉（通信作者），女，1971年生，博士，教授，主要研究方向：智能制造與智能維護。E-mail: pyzhu@gzhu.edu.cn