光纤粘贴工艺的实验研究(改后).doc

胶层对分布式光纤应变检测的影响研究宋华丽1，缪长青1, 2（1.东南大学土木工程学院，南京，210096； 2.东南大学 混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京，210096）摘 要：结合应变传递的相关理论，通过实验和有限元建模进行分布式光纤传感器布设工艺与误差的分析研究，研究胶层厚度、胶层长度等因素对裸光纤应变信号传递的影响。光纤传感器的布设工艺与方法对于测量结构应变结果的影响很大，进行光纤布设方法与测量误差的分析对于提高疲劳试验的测试精度具有重要的作用。关键词：分布式光纤传感；胶层厚度；胶层长度；应变传递INFLUENCE OF LAYER OF DISTRIBUTE OPTIC SENSOR ON STRAIN MEASUREMENTSong Huali1 ,Miao Changqing1,2 (1. School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, 210096; 2.Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structure of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China)Abstract：Combined with the theory of strain transfer, the layout techniques and error of distributed optical fiber sensor was analysied by experiment and finite element,about the influence of sheath layer, layer thickness, layer length and other factors on optical signal strain transduction. The layout technology and methods of optical fiber sensor have a large impact on strain measurement results of structure, which plays an important role on improving the accuracy of fatigue test.Keywords: optical fiber sensing; layer thickness; layer length; strain transfer2011东南大学校庆研究生学术报告会1 引言随着我国经济的发展，大型工程结构的建设越多，对在建工程的施工质量监测和对已建工程康诊断的技术要求也越来越高。结构健康监测一个核心技术问题就是如何对结构体系中已现的损伤进行有效的识别、定位和标定。基于损伤的静力识别由于具有较高的精度和稳定性，开始引起国内外学者的重视1。统计规律表明结构应变对结构的损伤比较敏感2。基于布里渊光时域反射计(Brillouin Optic Time-Domain Reflec tometer,BOTDR)的分布式光纤传感器，利用传感光纤中的自然布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变之间的线性关系，可以测量结构的分布式静态应变。因此，BOTDR分布式光纤传感技术术在结构损伤诊断领域具有较广的应用前景。BOTDA采用标准单模光纤作为传感器。单模传感光纤一般由四层组成，即纤芯、包层、涂敷层、护套层组成，而未加护套层的光纤称为裸光纤。光纤传感器理想的监测结果是传感器测量的应变结果与基体结构的应变完全相等，然而，由于粘贴层在应变传递过程中要吸收一部分能量，因此，光纤传感器与基体结构的实际应变是不相等的。其监测应变的准确性取决于光纤传感器的粘贴层等以及基体材料的物理力学性质，即取决于光纤应变传感的界面传递特性3-4。所以为了准确测得结构的应变，对光纤传感的界面传递特性研究尤为重要。尽管对于光纤应变传递的分析和研究已展开了很多工作，但到目前为止大多数都是理论模拟分析，进行实验研究的还非常少。本文将结合表面粘贴式光纤应变传递相关理论，从光纤应变传感机理出发，通过实验和建立有限元的理论模型，进行不同胶层厚度与胶层长度等参数对于裸光纤信号传递规律影响的对比分析；分析胶层厚度、长度等对光纤信号传递影响的规律，提出提高应变传递率、减小测量误差的方法。2 实验分析研究本实验主要分析胶层厚度及胶层长度对于裸光纤应变传递的影响，每种情况重复多次实验，以保证实验结果的准确性。2.1 实验布设装置本实验在一实心铝棒上进行，铝棒分四个面贴光纤，每个面贴两根光纤，每根光纤分为两段。如图1所示为实验光纤布置示意图，其中前四段光纤为胶层厚度实验，每根光纤粘贴段长度为1.2 m，后四段光纤为胶层长度实验，每段光纤长度为1.2m、1.0m。BOTDA仪采集数据时以5cm为单位取一平均值，即每5cm采集一个数据值，所以每段光纤大约有12个数据点，图2所示5为表面粘贴式光纤胶层示意图。图1 光纤布置示意图图2 表面粘贴式光纤胶层示意图2.2 实验结果及分析本次实验中，对结构施加拉伸荷载，然后通过光纤测结构的应变，实验时，对铝棒以大约0.5KN为涨幅进行依次加载，同时每次加载之后都以BOTDA仪记录实验数据，本次实验分析选取的拉力荷载为2.52KN,其对应的标准应变为90。通过实验分析胶层厚度及胶层长度对光纤应变传递的影响。2.2.1 胶层厚度的影响在荷载（拉力为2.52KN，其对应的标准应变为90）、胶层粘贴长度(l=0.58m)相同的情况下，分析胶层厚度（厚度分别为0.5mm、1.0mm）对裸光纤应变传递的影响。图3为裸光纤的胶层厚度比较图。图3 裸光纤胶层厚度比较 当裸光纤胶层厚度为0.5mm时，实验测得的结构应变平均值大约为164.291，其与标准应变值的误差为0.822；胶层厚度为1.0mm时，结构应变实验值为209.247，误差为1.322。与护套光纤所得规律相同，实验测得的应变结果与标准值的误差同样随着胶层厚度的增加而增加。图3可以看出，胶层厚度越小，结构的测量应变值与标准应变值的误差越小，即光纤的胶层粘贴厚度越小，其测量结果越准确。2.2.2 胶层长度的影响在荷载(拉力为2.52KN，其对应的标准应变为90)、胶层粘贴厚度（h=1.0mm）相同的情况下，分析胶层粘贴长度（长度分别为0.45mm、0.7mm、1.0mm）的影响。图4 裸光纤胶层长度比较图4裸光纤的胶层长度比较图所示，当裸光纤胶层长度为0.45m时，实验测得的结构应变平均值约为230.842，其与标准应变值的误差为1.565；胶层长度为0.7m时，结构应变实验值为217.33，误差为1.415；而胶层长度为1.0m时，应变实验值为105.22，误差为0.169。通过以上数据可以看出，裸光纤的应变测量误差都随着胶层长度的增加而减小,即在一定范围内，胶层长度越长，实验测量结果越接近实际。3 有限元理论模拟根据实验工况，通过有限元建模，理论模拟实验，分析比较二者所得结果。3.1 有限元建模纤芯层涂敷层护套层在有限元计算时，选用单模光纤作为研究对象，光纤参数取值如表1所示，基体截面尺寸为20mm10mm。粘结剂是联系基体和光纤应变传递的中间材料，按照实验的实际情况，同时为了保证结构的应变能够充分传递到光纤上，把粘结剂做成一个弧形，把光纤包裹起来。由于纤芯和包层材料相近，所以在建模时把它们作为一层进行处理，统称为纤芯层。光纤放置在基体结构上表面的中间，基体、粘结剂、护套、涂敷层和纤芯层之间没有任何滑移。纤芯层、涂敷层、护套层、基体结构的网格单元都采用8结点三维等参实体solid45单元。在网格划分时，纤芯、涂敷层、护套层部分网格尺寸较小，基体结构网格尺寸较大，网格划分情况如图5所示。 图5 表面粘贴式光纤有限元模型表1 传感光纤基本参数表项目代表符号数值纤芯弹性模量Eg7.2104 MPa涂敷层弹性模量Et2.55 MPa纤芯半径rg62.5mm涂敷层半径rt125mm纤芯泊松比rg0.17涂敷层泊松比rt0.483.2 有限元计算通过有限元计算分析光纤传感器的应变传递规律，基体材料为铝棒，其弹性模量为70GPa，泊松比为0.3，在基体一端同样施加2.52KN的拉力，但此拉应力不施加在光纤上，以使光纤两端保持自由。在计算时，为了研究粘结剂在不同厚度、不同长度下，对光纤应变传递的影响，分别对不同粘结剂厚度和长度进行模拟分析。3.2.1 胶层厚度的影响裸光纤胶层粘贴长度相同，取粘贴剂的厚度h分别为0.5mm、1.0mm，计算所得不同胶层厚度应变传递系数与传感长度关系曲线如图6（a）、（b）所示。图6（a） 不同胶层厚度整体应变传递系数曲线图图6（b） 不同胶层厚度局部应变传递系数曲线图从图中可以看出，应变传递系数也随着粘贴剂厚度的增大而降低，在应变传递充分时，最大应变传递系数分别为:0.9999、0.9997；他们到达低传感长度的距离分别为35.5cm、36.5cm。因此，最大应变传递系数随着粘贴都剂厚度的增大而降低，低传感段长度随着粘贴剂厚度的增大而增长，所以在粘贴光纤时，尽量使粘贴剂的厚度降到最小，以使传感光纤能真实的反应基体的应变。3.2.2 胶层长度的影响裸光纤胶层粘贴厚度（h=0.5mm）相同的情况下，分析胶层粘贴长度（长度分别为0.7mm、1.0mm）应变传递规律的影响。如图7为裸光纤不同胶层长度应变传递系数与传感长度关系的曲线图所示。图7 不同胶层长度整体应变传递系数曲线图当裸光纤胶层长度l为0.7m时，计算所得的最大应变传递系数为0.9734，到达低传感长度的距离为45cm；当胶层长度l=1.0m时，最大应变传递系数为0.9999，到达低传感长度的距离为59cm。分析数据可以看出，裸光纤粘贴剂的长度对应变传递的影响，最大应变传递系数都随着粘贴剂长度的增长而增大，到达低传感段的长度随着粘贴剂长度的增大而增长。所以对于粘贴剂长度的选择，要视情况而定，根据最大应变传递或低传感段长度的不同应用要求进行确定。4 结论本文通过实验和有限元模拟的对比分析，研究了光纤传感器的布设工艺与方法对于测量结构应变结果的影响。由以上分析可以看出，实验结果与有限元模拟结果所得结论一致：（1）对于胶层厚度的影响，胶层厚度越小，结构的测量应变越接近于标准应变，即光纤的胶层粘贴厚度越小，其测量结果越准确，所以在粘贴光纤时，应尽量使粘贴剂的厚度降到最小，以使传感光纤能真实的反应基体的应变；（2）对于胶层粘贴长度的影响，粘贴剂长度越长，其能达到的最大应变传递系数越大，应变传递的越充分，但胶层长度越长，其低传感段的长度也随之增长，所以对于粘贴剂长度的选择，要视情况而定，根据最大应变传递或低传感段长度的不同应用要求进行确定。参考文献：1 崔飞,袁万城,史家钧.基于静态应变及位移测量的结构损伤识别法J.同济大学学报,2000,28(1):58.Cui Fei,Yuan Wancheng,Shi Jiajun.Damage detection of structures based on static responseJ.Journal of Tongji University,2000,28(1):58.(in Chinese)2 董聪,范立础,陈肇元.结构智能健康诊断的理论与方法J.中国铁道科学,2002,23(1):1123.Dong Cong,Fan Lichu,Chen Zhaoyuan.Theory and method for structural intelligent health diagnosisJ.China Railway Science,2002,23(1):1123.(in Chinese)3 刘浩吾，吾