一种光纤光栅智能夹层的实验研究

付 静，权王民，程犁清

（西北工业大学理学院陕西省光信息技术重点实验室教育部空间应用物理与化学重点实验室，陕西西安 710129）

0 引言

在复合材料中埋入驱动元件和传感元件，构成一种能感知自身状态变化并能发出自诊断信号，从而进行自适应、自修复的拟生命系统—智能结构。目前，智能结构在航空航天、舰船武器和机械结构、土木工程等军民用结构中得到了广泛应用。光纤具有径细柔软、耐腐蚀、抗电磁干扰、工作中不发热及易与复合材料结构相容等独特优点，故光纤传感器一直是智能结构自诊断系统的首选对象和发展方向。但在国内外的大量研究和应用中，都是直接将光纤传感器排布在复合材料结构中，构成智能结构的光学神经，用于监测结构的应变、温度及损伤等［1］。这种方法存在难以解决的诸多问题［2，3］:1）当光纤嵌入复合材料内时容易破裂，光纤接口部分缺乏必要的保护，影响结构外形且难以加工;2）传感器阵列嵌入复合材料内之前，缺乏一个标定环节—如何确保传感器性能的一致性;3）嵌入光纤传感器网络后，复合材料结构性能受到较大影响;4）复杂的嵌入工艺不易广泛地使用。解决上述问题途径之一是设计和制作标准化、模块化和集成化的光纤智能夹层。

1 理论基础

光纤Bragg光栅（fiber Bragg grating，FBG）传感器是在光纤的一小段范围内沿轴向使纤芯折射率发生周期性变化而引起的芯内体光栅，具有波长编码特性，即一宽带光经过FBG时，满足中心波长λB（Bragg条件）的光波被反射回来，见图1。

图1 FBG工作原理图Fig 1 Working principle diagram of FBG

由耦合模理论可知［4］

式中neff为导模的有效折射率，Λ为光栅周期。

当应变变化Δε和温度变化ΔT同时作用时，FBG中心波长的改变是两者的线性叠加，温度和应变变化独立或只有微弱扰动，则可得［5，6］

式中Kε和KT分别为光纤光栅的轴向应变和温度灵敏度系数，pε为导模有效弹光系数，α为热膨胀系数，ξ为热光系数。

由式（2）知，当测量点的温度、应变同时变化时，单个FBG不能区分它们各自引起的波长移动，无法给出精确的测量值，可采用双波长矩阵法解决交叉敏感问题［7］。双重FBG具有温度自补偿效应。所谓双重FBG，是在光纤同一位置经两次紫外曝光写入2个不同周期的光栅，结合式（2），其中心波长的变化可表示为［5］

2 FBG智能夹层的制作

2．1 双重FBG毛细钢管封装工艺

本实验中选用的双重 FBG的中心波长为1 530，1560 nm，标定栅区长为20 mm。将栅区用改性丙烯酸酯封装在外径0．5mm、内径0．25mm、长27mm的不锈钢毛细管内。封装时，通过移动微位移平台给双重FBG施加一定的微应变;然后用镊子夹住毛细钢管将其轻轻移向栅区，使栅区处于管的正中部位［8］;再在管的两端分别施下改性丙烯酸酯胶体而将栅区封装于管中间，清理余胶;0．5 h后将封装好的FBG放入烘箱进一步烘干、固化。封装过程中使用由日本ANDO生产的型号为AQ6317C（分辨率为0．01 nm）观测Bragg反射波长漂移，见图2，光源为EXFO公司ASE宽带光源FLSA—2300B。

封装毛细不锈钢管的主要作用:1）钢管的膨胀系数大于SiO2，可起到温度增敏效应［9］;2）增强栅区机械强度，保护栅区，保证FBG传感器信号的准确性。封装后传感头体积很小，便于埋入光纤智能夹层。

2．2 FBG智能夹层的制作工艺

图2 双重FBG封装实验系统图Fig 2 Experimental system diagram of double FBG packaging

所谓FBG智能夹层是指预制了FBG传感器网络的层状铺层，其中含有FBG传感器和基体材料［10］。按照自诊断系统的要求，FBG传感器网络排布在夹层中间。

光纤智能夹层埋入复合材料层合板并随之一同固化时，需要耐受一定的温度和压力，因此，基体材料应满足该温度和压力要求，具有良好的介电性能，并能够与复合材料良好结合，不对结构性能造成太大影响［11］。聚酰亚胺薄膜具有优良的耐高低温性（长期耐温:－269～280℃）、介电性、耐辐射性及高韧性和与复合材料良好的结合性能，适宜作基体材料。PET薄膜是一种高透明薄膜，韧性强，热稳定好，电气绝缘性能优良，耐腐蚀，适用温度为－60～120℃，是基体材料的良好选择。

智能夹层制作过程如下:分别将1张200 mm×200 mm、厚为0．025 mm的聚酰亚胺薄膜和PET薄膜用无水乙醇清洗干净，备用;将聚酰亚胺薄膜平铺于平板上，并把UV胶涂于薄膜上，厚度约0．3mm;将由毛细钢管封装好的FBG传感器理顺粘接定位;再在其上涂一层厚约0．3mm的UV胶;将PET薄膜平铺其上;最后，用电熨斗熨平夹层表面，将夹层内多余的UV胶挤出并清理，再将其置于365 nm的紫外灯下固化30 s，灯距为120 mm，见图3。

图3 光纤智能夹层示意图Fig 3 Schematic diagram of fiber-optic smart layer

制作中使用的固化胶为5802T1的单组分UV无影胶，具有气味低、固化快、粘结强度高、机械性能好、耐腐蚀、固化后胶层无色透明、体积收缩率小等特点，适用温度范围为－54～150℃。对夹层内FBG传感器的测试表明:FBG传感器性能完好，即使在承载过程中仍具有良好性能，轴向拉伸与压缩试验表明:较之未埋入光纤光栅智能夹层的玻璃纤维复合材料试件而言，埋入智能夹层试件的轴向抗拉和抗压强度均有所降低，约6%～10%。

3 FBG智能夹层的传感性能实验

3．1 温度测量

采用水浴方法，对双重FBG智能夹层的温度传感特性进行标定，用光谱仪观测反射波长的漂移，并用温度计记录温度变化情况，实验结果见图4。

图4 双重FBG智能夹层的温度标定图示Fig 4 Diagram of temperature calibration of double FBG smart layer

由图4可见，Bragg光栅波长漂移与温度变化之间具有良好的线性关系，温度灵敏度系数分别为KT1=0．023 nm/℃和KT2=0．021nm/℃，较裸光栅的高出2 倍多。为获得更高的测量精度，在温度变化范围较大时，应考虑非线性效应对折射率的影响［12］。

3．2 应变测量

采用钢质矩形悬臂梁结构，对双重FBG智能夹层的应变传感特性进行标定。把智能夹层用502胶粘贴于靠近固定端的栅长为20 mm的应变计旁边，应变计的引线接应变仪检测其输出的应变，在实验室封闭环境下，短时间内温度变化很小，可认为是恒温，室温22℃，实验结果如图5所示。

从图5可知，双重FBG智能夹层应变传感的线性度较好，应变灵敏度系数分别为Kε1=0．00085 nm/10－6和Kε2=0．00059 nm/10－6，比裸光栅的略微降低。由于智能夹层内的传感头为栅区和一段毛细不锈钢套管构成，在智能夹层固化过程中套层接头处可能出现胶体富集，使传感器受载时产生滞后，可通过改进FBG智能夹层的制作工艺解决，也可进一步通过稳定温度、减小悬臂梁结构内部和外表面温度梯度现象的影响（如可采用等强度悬臂梁）、选择应变传递性能更好的胶和粘贴工艺等进一步提高智能夹层内FBG传感器的应变灵敏度系数。

4 结束语

图5 双重FBG智能夹层的应变标定图示Fig 5 Diagram of strain calibration of double FBG smart layer

本文提出的双重FBG智能夹层制作工艺简单易行，稳定性和重复性好，有较高的测量精度，且智能夹层的埋入对复合材料结构力学性能影响较小，可满足工程测量要求。利用智能夹层中的FBG传感器网络和先进的信息处理技术，结合复合材料力学性能分析，可建立材料固化、结构损伤等主动、在线和实时监测系统。

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