GFRP封裝光纖光柵應變傳感器疲勞性能研究

吳禹希　周智　馬文龍　肖開乾　梁冠亭　白石

摘要：針對光纖光柵傳感器疲勞性能不佳制約其工程化應用的問題，該文對一種高疲勞玻璃纖維增強聚合物（glassfiber reinforced plastic，GFRP）封裝的光纖光柵應變傳感器進行疲勞性能研究。首先，介紹該傳感器的結構型式，并進行靜態性能標定。然后，通過疲勞實驗研究傳感器在長期荷載作用下的疲勞性能，設置應變為10000，8000，7000，6000，2000με，采用等幅正弦波加載方式，加載頻率為10Hz。實驗結果表明：傳感器的非線性誤差均小于2%，重復性誤差均小于0.5%，靈敏度系數略有波動，其值均小于2%，在6000με條件下疲勞壽命可達200萬次以上。傳感器各項性能參數滿足結構長期安全監測需求，具有較高的抗疲勞能力。最后給出的傳感器疲勞壽命曲線，可為傳感器剩余壽命預報及傳感器的更換提供參考。

關鍵詞：光纖布拉格光柵;應變傳感器;疲勞;纖維增強樹脂;疲勞實驗

中圖分類號：TP212 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0094-05

0 引言

重要工程結構的老化伴隨著結構智能化的發展趨勢，令結構健康監測得到越來越多的重視及發展[1]。光纖布拉格光柵（FBG）傳感器以其體積小、質量輕、靈敏度高、抗電磁干擾、耐酸堿腐蝕能力強、易于組成準分布式傳感器網絡等優異特性，成為現階段土木工程結構健康監測的主要方式之一，被廣泛應用于混凝土結構監測、橋梁隧道監測、石油管道泄漏、地下管道腐蝕監測等諸多方面，實時監測結構內部應變、應力、裂紋等參數評估結構損傷程度和服役狀態[2-3]。

光纖布拉格光柵傳感器的服役時間以及長期疲勞可靠性逐漸引起研究者關注。土木工程結構造價昂貴，設計使用壽命長，FBG傳感器受到長期交變荷載作用，各部位都有可能產生疲勞損傷，導致傳感器靈敏度下降、應變傳遞損失，甚至失效;因此，傳感器疲勞可靠性在結構安全監測領域的研究至關重要。目前，已有學者對埋人復合材料的FBG應變傳感器[4]、嵌人單向復合材料封裝光纖光柵傳感器[5]進行了疲勞性能的研究，舒岳階[6]提出了基于等強度梁的光纖光柵傳感器應力疲勞極限傳感壽命評估方法。但目前關于FBG傳感器的抗疲勞性能分析多集中于低應變狀態，對于高疲勞光纖光柵傳感器的研究文獻報道較少。

FBG應變傳感器的核心構件是一段刻有光柵的纖芯，纖芯質地非常脆，易發生折斷，需采用保護層包裹住纖芯[7]。常用的封裝材料主要包括金屬材料如鋁合金，和非金屬材料如橡膠、纖維增強樹脂（FRP）等[8-10]。相對于其他封裝材料，FRP是一種典型的線彈性材料，具有強抗腐蝕性、高疲勞限值，且其線膨脹系數與混凝土、鋼材接近，有利于與被測基體間的變形協調[11]。已有研究開發出片式FRP封裝光纖光柵傳感器、埋人式FRP封裝光纖光柵傳感器和FRP智能筋等一系列適用于土木工程結構長期監測的智能部品[12-14]，為使傳感器與被測基體能很好的協同變形，需在封裝后的FRP中心件兩端設置錨頭，起到限位作用。

本文提出了一種GFRP封裝的光纖光柵應變傳感器，采用夾片式錨具對GFRP中心件進行錨固，避免錨頭內部因膠黏劑作用發生疲勞、蠕變等問題，具有較高的抗疲勞性能。通過靜態標定實驗驗證傳感器的錨固穩定性并進行性能測試。同時，通過疲勞實驗研究傳感器在長期荷載作用下的疲勞性能，為傳感器剩余壽命預報及傳感器的更換提供參考。

1 FRP封裝光纖光柵傳感器

1.1 傳感器結構型式

本文使用的傳感器由GFRP中心件和錨固端兩部分組成，如圖1所示。

采用GFRP封裝后的光纖光柵作為傳感中心件既可提高光纖光柵的測量范圍又可增強其耐疲勞性能。為方便實際應用，需在GFRP中心件兩端設計合適的夾持方式，常用的錨固方式如灌膠式、正壓式易造成GFRP筋體損壞、大張拉應變下松弛蠕變等問題，導致傳感器很難實現結構全壽命監測。為使傳感器結構具有更高的使用壽命，采用夾片式錨固方法錨固傳感中心件。錨具由錨杯和夾持件組成，頂推時先將夾持件抱住GFRP中心件，套人錨杯，在端部施力，使其產生一定的擠壓位移，將內部結構頂推至錨杯中。夾持件采用軟金屬層，在頂推過程中受環向擠壓力作用變形，與GFRP中心件緊密貼合，使環向壓力趨于均勻，避免夾傷中心件。利用錨具與筋體表面產生的摩擦力和機械咬合力進行錨固。端部錨具錨固效果良好，未發生GFRP中心件夾斷破壞。此種傳感器結構形式簡單，長期交變荷載對其造成的疲勞損傷較小，能夠更好地對結構進行長期監測。

1.2 傳感器靜態特性

為探究封裝后傳感器的靜態性能指標，對其進行拉伸性能測試。實驗均在靜態拉伸裝置上進行，傳感器測試方法參考行業標準JG/T421-2013《土木工程用光纖光柵溫度傳感器》[15]，圖2為靜態拉伸裝置實物。

1）量程實驗

對3根傳感器進行量程實驗。初始階段每級拉伸步長設為500με，達到10000με后設定步長為100με，直至拉伸破壞，此時的應變值即為傳感器的量程。測得的3根傳感器的量程分別為12600με、13300με、12200με，由此可得，該傳感器的量程約為12000～13000με。其中傳感器破壞形式為GFRP中心件撕裂，光纖光柵波長示數消失，錨固端與GFRP中心件未發生滑移破壞，說明該傳感器采用的夾片式錨固方法是一種有效的夾持方式。

2）靜態性能標定

實驗前，先對傳感器進行3個循環的預加載，待波長示數穩定后記錄初始波長值，設定每級步長為500με，在每個載荷點約停留5s后記錄光柵的中心波長，拉伸至3000με后完全卸載，重復實驗3次，求取傳感器的應變靈敏度、線性相關系數。傳感器初始狀態感知特性如圖3所示，可以看出傳感器的線性擬合系數可達到0.999，靈敏度系數為1.003pm/με。

2 光纖光柵應變傳感器疲勞性能分析

2.1 疲勞實驗

將傳感器通過專用支座夾持在100 kN電液伺服動態疲勞試驗機上，確保試樣中心線與上下夾具中心線保持一致。在正式測試前，預拉伸傳感器以消除殘余內應力對實驗結果的影響。試驗采用控制應變的加載方式對試件進行循環加載，設置應變為10000，8000，7000，6000，2000με，每種工況進行3組測試。整個實驗過程均采用等幅正弦波加載方式，加載頻率為10Hz。傳感器的反射光信號由光纖光柵解調儀采集。實驗過程中為除去環境溫度因素對應變測量結果的影響，設置參考FBG進行溫度補償。在每組實驗開始前，先對傳感器進行拉伸實驗，測定傳感器初始性能參數。實驗開始后，每隔特定次數（10萬次和50萬次）停機，再次測定性能參數。當傳感器波長發生明顯異常漂移、傳感器夾持部位失效或GFRP桿撕裂等情況，終止實驗，并記錄此時循環次數為傳感器的疲勞壽命。

2.2 實驗結果與數據分析

圖4為傳感器時程曲線，在未失效破壞前，傳感器的振幅均未發生太大變化，波長值無明顯漂移，具有良好的工作穩定性。實驗中，隨著疲勞次數的增加，GFRP桿顏色逐漸加深，傳感器破壞時伴有清脆響聲，中心波長發生突變。大部分傳感器的破壞形式為GFRP中心件撕裂，如圖5所示。而在10000με的振幅條件下，少數傳感器因錨固端根部發生剪切破壞而失效，該現象是由于在錨固端制作時擠壓力施加不均勻造成應力集中，在反復加載作用下，損傷累積，最終導致非正常破壞。下文均選擇GFRP中心件撕裂的數據進行分析。

為衡量傳感器在疲勞試驗過程中的感知特性，每隔特定次數對傳感器進行拉伸實驗，測試傳感器的線性度、重復性和靈敏度等參數作為考察傳感器性能的重要指標。

1）線性度隨循環次數變化。線性度用非線性誤差表示，在不同振幅條件下傳感器的感知特性變化規律基本一致，限于篇幅，僅將6000με振幅條件下的非線性誤差列于表1中。結果表明，傳感器的非線性誤差均小于2%，隨著振動次數的增加非線性誤差僅有輕微波動，滿足傳感性能要求。

2）重復性隨循環次數變化。在不同應變幅值條件下，傳感器重復性誤差隨振動次數的變化曲線如圖6所示。在實驗初始階段隨著振動次數的增加傳感器的重復性誤差波動比較明顯，小幅上升后隨著內部結構在荷載作用下相互協調而有所回落，但由于持續的疲勞作用對傳感器的影響，傳感器的重復性誤差會略有增大，但整體上其值小于0.5%，滿足傳感性能需求。

3）靈敏度隨循環次數變化。在不同應變條件下，隨著振動次數的增加傳感器的靈敏度系數變化情況如表2所示。靈敏度系數在循環初期明顯上漲后略有下降，而后緩慢上升，在約達到疲勞壽命一半次數時達到最高點，之后又逐漸下降。靈敏度系數上升的可能原因是隨著振動次數的增加，光纖光柵自身產生一定的松弛導致在同等應變條件下產生更大的輸出量，在傳感器失效前靈敏度誤差均小于2%，整體上傳感性能滿足要求。

為預測給定條件下傳感器的疲勞壽命，本文采用經典的冪指數循環規律來刻畫傳感器的應變一疲勞壽命曲線（ε-N曲線），根據實驗所得數據，擬合出ε-N曲線。如圖7所示，圖中的散點為實測數據，實線為數據的擬合曲線。由此，可根據疲勞壽命曲線預測在不同工況下傳感器的失效時間并在傳感器失效前及時更換。其中，在實驗6000με條件下疲勞壽命可達200萬次以上，而正常情況下結構的應變只有幾千微應變，可認為該傳感器滿足鋼結構、混凝土結構長期監測需求，有著較高的抗疲勞性能。

3 結束語

本文介紹了一種GFRP封裝的光纖光柵應變傳感器，以夾片式錨頭對GFRP中心件進行錨固，避免了膠黏劑的使用，提高了傳感器的測量范圍和抗疲勞性能。靜態標定試驗給出傳感器的靈敏度為1.003pm/με，線性擬合系數為0.999。通過疲勞試驗，驗證在不同應變幅值下，GFRP封裝光纖光柵應變傳感器均能夠實時、穩定地監測構件。傳感器失效前非線性誤差均小于2%，一直保持著良好的線性度;重復性誤差、靈敏度系數在試驗過程中有小幅波動，但整體上傳感性能滿足要求。在6000με條件下傳感器疲勞壽命可達200萬次以上，可認為滿足結構長期監測需求。實驗給出傳感器疲勞壽命曲線，為傳感器的剩余壽命預報及更換提供參考。GFRP封裝光纖光柵應變傳感器結構簡單，測量應變范圍大、抗疲勞性能好、測量精度高，適用于土木工程惡劣環境長期在線損傷監測，具有良好的工程應用前景。

參考文獻

[1]李惠，鮑躍全，李順龍，等.結構健康監測數據科學與工程[J].工程力學，2015，32（8）：1-7.

[2]JIANG M S，SUI Q M.Application of fiber brag gratingsensor network in aluminum reduction tank shell temperaturemonitoring[J].Journal of Central South University，2013，20（4）：924-930.

[3]何銳，吳文飛，陳華鑫，等.光纖光柵傳感器在道路測試及工程應用的研究進展[J].硅酸鹽通報，2017，36（6）：1911-1920.

[4]萬里冰，李凱旋.FBG應變傳感器的疲勞性能研究[J].傳感器與微系統，2015，34（12）：13-15.

[5]PEREIRA G，FRIAS C，FARIA H，et al.On the improvementof strain measurements with FBG sensors embedded inunidirectional composites[J].Polymer Testing，2013，32（1）：99-105.

[6]舒岳階，吳俊，周世良，等.FBG應變傳感器應力疲勞極限傳感壽命評估方法[J].光子學報，2017，42（1）：1-6.

[7]王倩.復雜受力狀態光纖光柵應變傳遞及工程化設計ID].大連：大連理工大學，2016.

[8]陳昊，閆光，莊煒，等.光纖光柵應變傳感器預緊封裝及傳感特性研究[J].激光與紅外，2016，46（9）：1128-1132.

[9]李科.基于光纖Bragg光柵技術的瀝青路面動載測試分析的試驗研究[D].南京：南京航空航天大學，2012.

[10]羅小東，喬學光，馮德全，等.基于碳纖維復合材料FBG加速度傳感器[J].光通信技術，2016，40（7）：47-49.

[11]吳智深，唐永圣，黃磺.利用自傳感FRP筋實現結構性能全面監測和自診斷研究[J].建筑結構，2013（19）：5-9.

[12]李冬生，周智，歐進萍.FRP-FBG橋梁智能拉索開發和傳感特性研究應用[J].預應力技術，2013（2）：3-7.

[13]田石柱，曹長城，王大鵬.光纖光柵傳感器監測混凝土簡支梁裂縫的實驗研究[J].中國激光，2013，40（1）：218-222.

[14]魏謙.應用在建筑工程中的基于光纖傳感技術的應變傳感器研究[D].濟南：山東建筑大學，2015.

[15]土木工程用光纖光柵溫度傳感器：JG/T421-2013[S].北京：中國標準出版社，2013.