凹槽內嵌式封裝光纖光柵應變傳感器的溫度特性

覃荷瑛 汪文琪

（1.桂林理工大學土木與建筑工程學院，廣西桂林 541004；2.廣西巖土力學與工程重點實驗室，廣西桂林 541004）

鋼絞線常作為橋梁拉索和吊桿、大跨度建筑、巖土錨索、天文臺索網支撐體系（FAST 工程）［1］等大型工程的核心受力構件，長期處于高應力服役狀態和惡劣環境中，對其進行健康監測是保證結構功能和安全使用的重要前提。用于局部預應力監測的傳統方法有千斤頂油壓表、電阻應變計［2］、鋼弦式應變計、磁通量式傳感器［3］、加速度間接測試［4］等，但這些方法不能同時滿足分布式測量、耐久、高精度、長距離、低成本等要求，且操作較繁瑣。光纖光柵傳感器［5］因其體積小、重量輕、低損耗高精度、耐高溫及腐蝕、抗電磁干擾等優點，受到廣泛關注且逐漸替代傳統方法，成為結構健康監測［6-9］的重要手段。工程用光纖光柵傳感器一般需經封裝來保護纖細質脆、抗剪能力差的光纖光柵。為滿足監測性能的需求，還會采取增敏或減敏、溫度補償等措施。常用的封裝方式［10-11］為管式封裝和表面粘貼式封裝，封裝工藝會對光纖光柵傳感器的監測性能造成影響。

光纖光柵主要受其軸向應變和溫度特性影響，當用于構件應變測量時，必須考慮溫度的干擾。郭永興等［12］研究了不同封裝方式的光纖光柵傳感與溫補特性，發現光柵在表面式全部粘貼和兩端粘貼封裝下的感測特性均良好，自差分溫度補償效果優于裸光纖光柵，兩端粘貼封裝的溫度補償效果更好。耿勝各［13］建立數學模型研究光纖光柵溫度傳感器中應變與溫度交叉敏感問題。Kuang等［14］研究了應變傳感用光纖布拉格光柵封裝及溫度補償，重點介紹了全粘貼光纖光柵、雙端固定預拉伸光纖光柵和金屬封裝，分析了不同封裝方法的優缺點。黃建明等［15］通過試驗樣本訓練建立神經網絡結構來降低溫度對測量誤差的影響，發現在整個FBG 傳感器溫度測量范圍內，使用BP 神經網絡可以有效降低由溫度引起的應變最大測量誤差，使誤差可以控制在一定范圍內。

本文提出一種鋼絞線凹槽內嵌“預壓”封裝［16］FBG 的方法，基于溫度對鋼絞線應變測量的交叉影響，通過試驗研究溫度影響下FBG 傳感器的變化，為FBG 自感知鋼絞線的實際工程應用提供可靠依據。

1 內嵌式封裝工藝

凹槽內嵌FBG傳感器封裝結構如圖1所示。機械打散鋼絞線取得中心絲，設置0.5 mm深、1 mm寬的凹槽。在中心絲張拉持荷狀態下用環氧樹脂類黏結劑將FBG 傳感器粘貼封裝于凹槽內，粘貼長度不少于70 mm。待黏結劑達到足夠強度后卸載中心絲，對端部引出的光纖進行封裝保護，將封裝好FBG 傳感器的中心絲與邊絲扭絞成型，制得自感知鋼絞線（圖2）。

圖1 凹槽內嵌FBG傳感器封裝結構

圖2 自感知鋼絞線實物

采用以上封裝方式將FBG 粘貼嵌入鋼絞線內，一方面可以避免FBG 在惡劣施工環境下受到損傷，提高傳感器的布設存活率以及使用壽命，另一方面FBG 傳感器在預壓下提高了監測量程，能更好地實時跟蹤鋼絞線應力應變情況。

2 FBG水浴恒溫試驗

2.1 恒溫試驗概況

試驗采用1×7 標準型鋼絞線的中心絲，公稱直徑5.2 mm，橫截面積21 mm2，截取長度100 mm 的中心絲作為封裝的基底材料。選用3種不同初始中心波長的光纖光柵，分別記為P0（11 536 nm），P0（21 540 nm），P0（31 544 nm）。光纖光柵解調儀為Agilent86142B光譜儀，波長解調范圍1 525～1 560 nm，波長精度2.5 pm，分辨率1 pm；環氧樹脂彈性模量大于2.5 GPa。

將3根不同初始中心波長的裸FBG浸沒于裝有水的燒杯中進行水浴恒溫試驗，初始溫度為5 ℃，隨后升溫至10 ℃，再按每級10 ℃逐級升溫至100 ℃，溫度保持穩定時采集傳感器的中心波長，記為A 組。因試驗無擴大量程需求，水浴恒溫試驗結束后，將FBG 在鋼絞線中心絲無應力狀態下內嵌封裝于中心絲凹槽內，制得自感知中心絲并重復進行水浴恒溫試驗，記錄中心波長，記為B組。試驗現場如圖3所示。

圖3 試驗現場

2.2 試驗結果分析

FBG 具有交叉敏感特性，應力應變和溫度同時影響其中心波長的漂移，且與中心波長的漂移量成線性關系，可以表示為

式中：?λB和λB分別為FBG 的中心波長漂移量和初始波長；Kε和KT分別為FBG 的應變靈敏度和溫度靈敏度；εz為軸向應變；?T為溫度變化值。

當FBG 傳感器用于測量構件應變時，溫度會造成不可忽略的誤差。溫度變化引起的反射波長變化可表示為

式中：ζs為光纖的熱光系數；αs為光纖的熱膨脹系數。

由于裸FBG 對溫度和應變的靈敏度都不高，通常將其粘貼于靈敏度較大的基底材料上并封裝起到增敏的作用。凹槽內嵌式封裝的FBG 作為應變傳感元件，對溫度的靈敏度也隨之提高。粘貼后的FBG 反射波長隨溫度的變化關系為

式中：Pe為光纖的彈光系數；αsub為基底材料的熱膨脹系數。

以FBG的中心波長λ為縱坐標、溫度變化值ΔT為橫坐標，對不同組別的試驗數據進行線性擬合（圖4），其擬合直線的斜率即為FBG的溫度靈敏度KT。

圖4 FBG中心波長與溫度變化值的擬合曲線

由圖4 可知，封裝前后FBG 的中心波長與溫度均具有良好的線性關系，溫度靈敏度與FBG 的初始波長基本不相關。在20 ℃以下，FBG 傳感器的中心波長普遍低于初始波長，粘貼封裝于凹槽后，3根FBG 的溫度靈敏度均有所提高。

將每組3 個試件的試驗數據取平均值進行擬合，得到FBG 封裝前后中心波長與溫度關系曲線，見圖5。封裝前FBG 其平均溫度靈敏度為0.010 4 nm/℃，封裝于凹槽后的平均溫度靈敏度為0.024 5 nm/℃，增長了0.014 1 nm/℃，約為粘貼封裝前的2 倍。這是由于FBG 粘貼于鋼絞線中心絲上，作為基底材料的鋼絞線熱膨脹系數相對較大，溫度通過黏結劑的傳遞對其有一定的增敏作用，采用溫度補償的措施可以減小溫度帶來的誤差。

圖5 FBG封裝前后中心波長與溫度關系曲線

內嵌封裝的FBG 傳感器主要用于測量自感知鋼絞線的應變，應變靈敏度［16］一般為1.21×10-3nm/10-6，鋼絞線的極限應變可達到8 000×10-6。當其應用于實際工程時，必然會受外界溫度變化的影響。以B 組試件的平均溫度靈敏度為參考，當晝夜或季節交替，外界環境溫差達到30 ℃以上時，傳感器中心波長會隨之變化0.735 nm，溫度帶來的波長變化造成測量應變的誤差可達到7.6%以上，且應變越小溫度影響越大。

水浴恒溫試驗完成后，自感知鋼絞線中心絲內的FBG 傳感器封裝完好，仍可重復測量中心波長，黏結劑未出現剝離、移位等現象，說明內嵌式封裝對溫度適應性良好。

3 結論

1）在鋼絞線中心絲設置凹槽粘貼FBG 傳感器的封裝工藝，提高了FBG 傳感器的布設存活率及使用壽命，實現了鋼絞線應變的實時監測。

2）對FBG 進行水浴恒溫試驗，在5～100 ℃變化過程中，FBG 的中心波長隨溫度升高呈線性增長。FBG傳感器的溫度靈敏度與初始波長無關，裸FBG 粘貼封裝于鋼絞線中心絲凹槽后，溫度靈敏度增大了1 倍多。

3）FBG 受溫度和應變的交叉影響，對于自感知鋼絞線，溫度會造成傳感器對鋼絞線應變的測量誤差。當鋼絞線的使用環境溫差達到30 ℃時，FBG 傳感器的應變測量誤差可達到7.6%以上，且應變越小影響越大。建議在鋼絞線中心絲不受力部位串聯封裝1 個FBG傳感器，以實現溫度補償減少誤差。

4）試驗完成后，FBG 傳感器封裝完好，試驗數據仍具有較好的線性度和重復率，黏結劑未出現剝離、移位等現象，凹槽內嵌式粘貼封裝對溫度的適應性較好。