光纤粘贴工艺的实验研究(改后)

1、胶层对分布式光纤应变检测的影响研究宋华丽打缪长青3(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屋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冇重要的作用。关键词：分布式光纤传感；胶层疗度；胶层长度；应变传递influence of layer of distribute opticsenso

2、r on strain measurementsong huali1 ,miao changqing1,2(1. school of civil engineering, southeast university, nanjing, 210()96;2.key laboratory of concrete and prestressed concretestructure of ministiy of education, southeast university, nanjing, jiangsu 210096, china)abstract： combined w让h the theory

3、 of strain transfer, the layout techniqucs 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 opt

4、ical 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 transfer1引言随著我国经济的发展，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丿隶诊 断的技术要求也越來越高。结构健康监测一

5、个核心 技术问题就是如何对结构体系屮已现的损伤进行有 效的识别、定位和标定。棊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。统计规律表明结构应变対结构的损伤比较 皱感。基丁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，利用传感光纤屮的h然布里渊散射光的频 移变化量与光纤所受的轴向应变z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，

6、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屋，因此， 光纤传感器耳棊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o所以为了准确测得结构的应 变，对光纤传感的界而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，但到口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

7、理岀发，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、长度等対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，铝棒分四个血贴 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，其屮前四段光纤 为胶层厚度实验，每根光纤粘贴段长度为1.2 m, 后山段光纤为胶层长度实验，每段光纤长度为 1.加、1. omo botd

8、a仪釆集数据时以5cm为单位取 一平均值，即每5cm采集一个数据值，所以每段光 纤人约有12个数据点，图2所示为表面粘贴式光 纤胶层示意图。料細j1吨ij1图2农ili粘贴式光纤胶层示总图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，対铝棒以大约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 u e。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,英对应的标准应变为 90 u £

9、 ）、胶层粘贴长度（1=0. 58m） ffl同的情况下, 分析胶层厚度（厚度分别为0. 5mm、1. 0mm）対裸光 纤应变传递的影响。图3为裸光纤的胶层厚度比较 图。20043卜325 4-64.6 454-7 4-8 4-8 4-标准应变h=0.5mmhzl. omni10954321095414u13la187 i 62c)9506598ii 12 13 】4 15 16 17 18 19 20图1光纤布置示意图12345678910111213no图3裸光纤胶层乃度比较当裸光纤胶层厚度为0. 5min时，实验测得的 结构应变平均值大约为164. 291 u e ,其与标准应 变值的误

10、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 套光纤所得规律和同，实验测得的应变结果与标 准值的课差同样随着胶层厚度的增加而增加。no图4裸光纤胶层长度比较5所示。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 90m £)、胶层粘贴厚度(h=l. 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

11、纤的胶层长度比较图所示，当裸光纤 胶层长度为0. 45m吋，实验测得的结构应变平均值 约为230. 842 h e ,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. 33八,误差为1. 415；而胶层长度为1. 0m时, 应变实验值为105. 22 u e，误差为0. 169o通过以上数据可以看出，裸光纤的应变测量误 差都随著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有限元建模在有限元计算时，选用单模光纤作为研究对象, 光纤参数収值

12、如表1所示，基体截面尺寸为 20mmx lomiiio粘结剂是联系基体和光纤应变传递的 屮间材料，按照实验的实际悄况，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，把光纤包裹起來。山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而的屮间，基 体、粘结剂、护套、涂敷层和纤芯层z间没冇任何 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人，网格划分悄况如图图5表血粘贴式光纤冇限元模型表1传感光纤棊木参数表

13、项目代表符号数值纤芯弹性模量ek7. 2x104 mpa涂敷层弹性模量et2. 55 mpa纤芯半径rk62. 5|im涂敷层半径rt125|im纤芯泊松比0. 17涂敷层泊松比i-0. 483.2有限元计算通过冇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

14、> 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 (b)不同胶层厚度局部应变传递系数曲线图1.1图6 (a)不同胶层厚度整体应变传递系数曲线图图7不同胶层长度整体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：09999、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

15、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二0. 5mm)相同的情况卜 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不。当裸光纤胶层长度1为0. 7m时，计算所得的最 人应变传递系数为0. 9734,到达低传感长度的距离 为45cm；当胶层长度1=1. 0m时，最大应变传递系 数为0. 9999,到达低传感氏度的距离为59cm。分析数据町以看111,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 度的增长而增人，到达低传感段的长度随着粘贴剂 长度的增人而增

16、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反度 的不同应用要求进行确定。4结论本文通过实验和冇限元模拟的对比分析，研究 了光纤传感器的布设工艺少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 构的测虽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，其能达到的最犬应变传递系数越人，应变传递 的越充分，但胶层长度越长，其低

17、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，根据最人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(l):5-8.cui fei,yuan wanchcng,shi jiajun.damage detection of structures based on static response(j .journal of tongji university,2000,28( 1 ):5-8.(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(l):ll-23.dong cong,fan lichu,chcn zhaoyuan.theory and method for structuralintelligent health diagnosisj.chinarailwayscience,2002,23( 1):11 23(