復合材料基片式光纖光柵傳感器的制造與性能

高琳琳，王慶林，郭云力，葉 慧，姜明順，賈玉璽

(1山東大學 材料科學與工程學院，濟南 250061；2山東大學 控制科學與工程學院，濟南 250061)

光纖傳感技術是一門新興的、多學科交叉的高科技應用技術。以傳感技術為核心的結構健康檢測逐漸成為工程結構學科的一個重要研究方向[1-4]。光纖Bragg光柵(Fiber Bragg Grating, FBG)以其質量輕、體積小、靈敏度高、耐腐蝕、抗電磁干擾等優點在航空航天、大型土木工程結構的健康檢測和智能控制方面得到廣泛應用[5-9]。

普通單模光纖的纖芯直徑約為10μm，抗剪切能力差，在實際的惡劣環境中容易折斷。因此，針對實際應用，需要對裸光纖光柵進行封裝保護[10]。目前，國際上光纖光柵的主流封裝方式有基片式和嵌入式。其中，嵌入式封裝是將裸光纖光柵放入直徑較小的鋼管或高分子材料中，中間灌滿環氧樹脂等膠體加以固定保護[11]。嵌入式光纖光柵傳感器多用于埋入結構件內部、監測結構件內部的損傷變形情況。但是嵌入式光纖光柵傳感器存在埋入工藝復雜、封裝工藝對膠粘劑要求高、維修困難等缺陷，同時傳輸光纜的引出對結構件本身的設計提出較高要求[12-16]。

基片式光纖光柵傳感器通常是將光柵粘貼在膠基基片或者刻有凹槽的剛性基板上[17]，一般應用于結構件表面的應變及溫度測量。其中，基片材料主要包括金屬、樹脂等。金屬基片式光纖光柵傳感器雖然具有結構簡單、易于安裝的優點，但是容易產生應變傳遞損耗且易腐蝕[18]；此外，當待測結構件模量較小時，外貼的光纖光柵傳感器會起到加強筋的作用，影響測量精度；有機聚合物封裝制備的光纖光柵傳感器的抗腐蝕能力大大提高，卻存在強度和模量低、抗剪切能力差、應變傳遞損耗大等缺陷[19-21]。

近年來，一些研究團隊采用復合材料封裝光纖光柵傳感器以解決金屬和聚合物基片式光纖光柵傳感器存在的缺陷，但是這些研究尚存在諸多問題。例如，傳感器封裝材料過厚、封裝工藝不完善等帶來的傳感器應變傳遞損耗大、測試精度及測試重復性差等問題[22-24]。

本工作中設計的傳感器采用玻璃纖維/環氧樹脂復合材料層合板作為基板，干態玻璃纖維布作為覆蓋層，采用真空輔助灌注液態環氧樹脂的方法將光纖Bragg光柵封裝于底部的復合材料基板與上層的玻璃纖維布之間。同時，通過優化制造工藝使得傳感器的層間界面強度以及粘接性能得到改善，實現光纖光柵傳感器對被測結構件溫度與應變的精確測量。

1 實驗

1.1 FBG傳感機制

當光纖光柵受到外力作用或環境溫度變化時，應變和外界溫度引起的中心波長漂移為[25]:

ΔλB=λB(1-Pe)ε+λB(αf+ξ)ΔT=Kεε+KTΔT

(1)

式中:ε為光纖光柵的軸向應變；ΔT為傳感器溫度變化量；Pe為有效彈光系數；ξ和αf分別為光纖光柵的熱光系數和熱膨脹系數；Kε和KT分別是光纖光柵的應變靈敏度系數和溫度靈敏度系數。

當FBG封裝于玻璃纖維復合材料內部時，封裝材料的變形和熱膨脹會傳遞到FBG上，使Bragg波長發生漂移。若用αs表示封裝材料的熱膨脹系數，則Bragg波長的偏移量與溫度和應變的關系為[25]:

(2)

1.2 實驗材料和裝置

3k型正交編織玻璃纖維/環氧樹脂預浸料，單層壓厚為0.25mm，干態玻璃纖維布，面密度為280g/m2，德州富潤復合材料有限公司；雙酚A型環氧樹脂E-51，5784脂肪胺環氧固化劑，上海爭銳化工股份有限公司；光纖Bragg光柵，中心波長為1515～1536nm，纖芯直徑為10μm，刻柵區域長度為10mm，深圳太辰光通信有限公司；平板硫化機，尺寸規格為350mm×350mm，青島光越橡膠機械制造有限公司；SHK3Ⅲ型循環水式真空泵，鄭州科泰實驗設備有限公司；自制恒溫箱，精確控溫范圍為10～50℃，測溫精度為±0.3℃；SM125光纖光柵解調儀，采樣頻率為1Hz，波長精度為1pm，Micron Optics公司；等強度梁，自制。

1.3 光纖光柵傳感器的制造工藝

玻璃纖維/環氧樹脂復合材料基片式FBG傳感器封裝過程的裝置示意圖以及鋪層展開圖分別如圖1(a)，(b)所示。其制造工藝過程如下：選取兩張尺寸為200mm×100mm的玻璃纖維/環氧樹脂預浸料，將其疊放整齊后放入平板硫化機內模壓成型，得到玻璃纖維復合材料基板。為了研究傳感器的層間界面強度問題，就復合材料基板的成型工藝設置了一組對照：①基板在模壓成型時采用一次性完全固化成型工藝(環氧樹脂完全固化)，在光纖光柵封裝完成后無需對基板進行二次固化；②基板在模壓成型時采用預固化成型工藝(環氧樹脂部分固化)，在光纖光柵封裝完成后將預成型的光纖光柵傳感器整體進行二次固化。圖2(a)，(b)為上述兩種玻璃纖維復合材料基板的固化工藝示意圖。

按照圖1(a)，(b)的裝置示意圖和鋪層展開圖布置各類實驗裝置和材料，使底部鋼板、上層真空袋膜以及密封膠條之間形成一個密閉空間。隨后真空輔助灌注室溫固化環氧樹脂，環氧樹脂與固化劑的質量配比為100∶40。在真空輔助灌注過程結束后，整個裝置于室溫下固化，脫模。采用固化工藝方案①的試樣的室溫固化時間為24h，此時室溫固化環氧樹脂完全固化；采用固化工藝方案②的試樣的室溫固化時間為8h，此時的室溫固化環氧樹脂處于部分固化狀態。

圖1 封裝過程的實驗裝置示意圖及鋪層展開圖(a)裝置示意圖；(b)圖(a)中B位置的鋪層展開圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental set-up and the expanded view of layers in packaging process(a)schematic diagram of the experimental set-up;(b)expanded view of layers in site B of fig.(a)

圖2 玻璃纖維/環氧樹脂復合材料基板的兩種固化工藝(a)基板完全固化；(b)基板部分固化Fig.2 Two kinds of curing processes of glass fiber/epoxy composite substrate(a)substrate cured completely;(b)substrate cured partly

將采用固化工藝方案①制備的玻璃纖維復合材料基片式FBG傳感器以光纖光柵所在位置為中心進行裁剪，裁剪后的尺寸為100mm×20mm×0.8mm，編號為1#(中心波長為1531nm)；將采用固化工藝方案②制備的預成型的FBG傳感器置于平板硫化機內進行二次固化，固化過程不加外壓，使光纖光柵傳感器在130℃下恒溫90min后取出，裁剪，得到2#FBG傳感器(中心波長為1536nm)。圖3為裁剪后FBG傳感器的結構示意圖。

圖3 1#和2#FBG傳感器的結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of 1# and 2# FBG sensors

1.4 溫度標定實驗

將上述兩種FBG傳感器放入自制恒溫箱中。溫度標定實驗采用逐步升溫再逐步降溫的方法，升溫標定實驗以10℃為溫度變化的初始點，每10℃為一個溫度變化單位，待恒溫箱內當前溫度顯示值足夠穩定后記錄該溫度點對應的Bragg波長數據，直至升溫到50℃。降溫標定實驗按照同樣的步驟從50℃逐步降至10℃；如此反復進行3次循環實驗，所封裝的FBG未出現封裝裂紋、老化脫落等問題。

1.5 應變標定實驗

通過溫度標定實驗結果的分析完成對FBG傳感器封裝工藝的篩選。同時，為檢測封裝之后FBG傳感器的應變測試穩定性以及應變靈敏度系數，將2#傳感器與裸光纖光柵傳感器(編號0#，中心波長為1515nm)平行且相鄰粘貼于等強度梁上，連接解調設備。

應變標定實驗采用逐步加載再逐步卸載的方法，首先在等強度梁的末端懸掛承重托盤，待其穩定后讀取0#和2#傳感器的中心波長，作為初始狀態的中心波長。隨后按照0.4,0.8,1.2,1.6,2.0,7.1kg的加載順序逐漸給托盤增重，隨后再依次減重，如此循環5次，得到光纖光柵傳感器中心波長隨載荷變化的實驗數據。

2 結果與討論

2.1 溫度標定實驗結果與分析

圖4(a),(b)分別為1#和2#傳感器的中心波長變化量-溫度曲線。圖5(a),(b)分別為1#和2#傳感器在各溫度點的重復性曲線。表1列出了1#和2#傳感器的中心波長變化量-溫度曲線的斜率以及線性相關系數。

圖4 1#(a)和2#(b)傳感器的中心波長變化量-溫度曲線Fig.4 Wavelength variation-temperature curves of 1#(a) and 2#(b) sensors

圖5 1#(a)和2#(b)傳感器的溫度重復特性Fig.5 Temperature repeatability of 1#(a) and 2#(b) sensors

結合圖4,5和表1的數據，可以明顯看出，2#傳感器在多次升降溫過程中表現出更好的測試精度和測試穩定性。表1顯示1#傳感器的溫度靈敏度系數平均值為0.02161nm/℃，中心波長變化量-溫度擬合曲線的線性相關系數的平均值為0.99871，低于2#傳感器的溫度靈敏度系數平均值0.02357nm/℃以及線性相關系數的平均值0.99998。同時，將2#傳感器的溫度標定實驗數據與文獻[26]中光纖光柵傳感器(將光纖光柵固定于碳纖維預浸料層間而后高溫固化封裝)的溫度標定實驗數據(中心波長-溫度擬合曲線的線性相關系數在0.997左右，溫度靈敏度系數平均值為0.01415nm/℃)對比，表明2#傳感器在溫度測試穩定性、精確度等方面都有了較大改善。因此，本工作中先經預固化過程制備復合材料基板、然后真空輔助灌注環氧樹脂、最后進行二次固化的光纖光柵封裝工藝具有更好的創新性和實用價值。

表1 中心波長變化量-溫度擬合曲線的斜率及線性相關系數Table 1 Slopes and linear correlation coefficients ofwavelength variation-temperature fitting curves

對比圖4(a)，(b)可以看出，1#傳感器的3次升降溫曲線的數據差別較大，遲滯現象嚴重，而2#傳感器的3次升降溫曲線則表現出良好的重復性。

對比圖5(a)，(b)可知，1#傳感器在相同溫度下的數據呈現上下起伏的波浪狀，重復性最大相差為100pm，相對重復性誤差為10.90%；2#傳感器在相同溫度下的數據曲線較為平直，重復性最大相差為18pm，相對重復性誤差為1.87%。說明2#傳感器的溫度測試重復性和穩定性較好，而1#傳感器的應用可行性較低。

產生上述實驗結果的原因如下：若玻璃纖維復合材料基板在光纖光柵封裝之前采用預固化工藝，在真空輔助灌注的液態樹脂室溫下部分固化后將整個預成型的FBG傳感器進行二次固化，此時，因室溫固化液態環氧樹脂的分子量小，在室溫放置期間，低分子量的室溫固化環氧樹脂以及其中的小分子固化劑會向玻璃纖維復合材料基板的內部擴散；當在高溫下二次固化時，玻璃纖維復合材料基板中的樹脂和固化劑以及真空輔助灌注的樹脂和固化劑分子運動加劇，進一步交聯固化，二者層間形成較強的化學交聯，界面強度顯著提高，這使得封裝之后的FBG傳感器能有效減小熱應變傳遞的衰減效應，在受到溫度變化影響時可以通過Bragg中心波長的變化精確反映出來，從而提高傳感器的測試精度。此外，高溫下的二次固化可以使FBG傳感器中的殘余內應力通過應力松弛效應得以釋放，提高了FBG傳感器的測試穩定性。

反之，若玻璃纖維復合材料基板采用一次性完全固化工藝，則復合材料基板中的樹脂和固化劑以及真空輔助灌注的樹脂和固化劑分子之間無法有效地擴散，導致底部的復合材料基板與室溫固化環氧樹脂之間的黏結強度相對較低；同時，玻璃纖維復合材料基板以及室溫固化環氧樹脂在固化過程中產生的殘余應力無法通過高溫下的應力松弛效應釋放，它們在升溫和降溫過程中對光纖光柵的影響不同，最終使得1#傳感器在測試重復性、穩定性和精確度等方面低于2#傳感器的。

2.2 應變標定實驗結果與分析

圖6(a),(b)分別為0#和2#傳感器的中心波長變化量-載荷曲線。圖7(a),(b)分別為0#和2#傳感器在各載荷點的重復性曲線。表2列出了0#和2#傳感器中心波長變化量-載荷曲線的斜率以及線性相關系數。對比圖6(a),(b)可知，2#傳感器與裸傳感器在多次增減載荷的過程中都表現出良好的應變測試重復性和穩定性且未出現遲滯現象。由圖7可知，裸傳感器的重復性最大相差為4.6pm，相對重復性誤差為1.43%；2#傳感器的重復性最大相差為4.1pm，相對重復性誤差為1.04%，說明2#傳感器具有良好的應變測試穩定性。表2中數據顯示，無論是裸傳感器還是2#傳感器，其線性相關系數都在0.9999以上，說明傳感器應變測試重復性好；同時，2#傳感器的應變靈敏度系數為0.05514nm/kg，相對裸傳感器的0.04491nm/kg有微弱提高。分析原因如下：基片式FBG傳感器具有一定的厚度，在等強度梁彎曲變形時，根據梁體的平截面假設，其應變要比粘貼于梁表面的裸FBG傳感器的應變大，造成相同載荷下基片式FBG傳感器的中心波長變化量高于裸FBG傳感器的，從而使得基片式FBG傳感器的應變靈敏度系數相對裸FBG傳感器有所提高。但是，在單向受拉或壓變形時不會出現該情況。因此，在實際應用中，應該根據工程結構受力形式的不同，進行必要的誤差修正。此外，文獻[27]中也采用真空下室溫固化等工藝制備復合材料基片式光纖光柵傳感器，但是該傳感器的復合材料基板采用完全固化的方式，且室溫固化完成后未進行二次固化，其制備工藝與本工作中的1#傳感器相似。因此傳感器的層間界面強度相對較差，造成其測試穩定性和重復性都不如本工作中2#傳感器。

圖6 0#(a)和2#(b)傳感器的中心波長變化量-載荷曲線Fig.6 Wavelength variation-load curves of 0#(a) and 2#(b) sensors

圖7 0#(a)和2#(b)傳感器的應變重復特性Fig.7 Strain repeatability of 0#(a) and 2#(b) sensors

Properties ofFBG sensorsSlope (0#)R2 (0#)Slope (2#)R2 (2#)Load (1)0.044690.999910.054900.99997Unload (1)0.044900.999990.055180.99999Load (2)0.045001.00.055050.99999Unload (2)0.045060.999990.055180.99998Load (3)0.044950.999990.055220.99998Unload (3)0.044810.999990.055131.0Load (4)0.045070.999980.055140.99998Unload (4)0.044910.999980.055090.99999Load (5)0.044950.999980.055300.99997Unload (5)0.044770.999980.055221.0Average0.044910.999980.055140.99999

3 結論

(1)當玻璃纖維復合材料基板一次性完全固化時，基片式FBG傳感器溫度響應的相對重復性誤差高達10.90%，線性擬合度為0.99871；而當玻璃纖維復合材料基板采用預固化成型、后期整體進行二次固化時，基片式FBG傳感器的溫度響應的相對重復性誤差為1.87%，線性擬合度為0.99998。即后者具有更好的溫度測試重復性和穩定性，且無遲滯現象，其溫度靈敏度系數為0.02357nm/℃，是裸光纖光柵傳感器溫度靈敏度系數的2.4倍。

(2)當玻璃纖維復合材料基板采用預固化成型、后期整體進行二次固化時，基片式FBG傳感器的應變響應的線性擬合度為0.99999，相對重復性誤差為1.04%，應變靈敏度系數為0.05514nm/kg，表明玻璃纖維復合材料基片式FBG傳感器在測試穩定性、重復性和精確度等方面表現優異。