基于光纤布拉格光栅的玄武岩纤维智能片材研究

于海鹰等

摘要： 提出了一种掺入光纤布拉格光栅（fiber bragg grating，FBG）的玄武岩纤维增强塑料（basalt fiber reinforced plastics，BFRP）智能片材，将其作为传感器用于混凝土结构应变监测。将FBG掺入BFRP可实现对FBG良好保护，改善FBG传感性能。提出了FBGBFRP智能片材的制备方法，测试并分析了FBGBFRP智能片材的传感特性，证明FBGBFRP智能片材具有较好的传感性能。

关键词： FBG； BFRP； 结构健康监测

中图分类号： TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.008

Abstract： The paper proposes basalt fiber reinforces plastics （BFRP） intelligent sheet based on a fiber bragg grating （FBG）. It can be used as sensors for strain monitoring of concrete structure. The incorporation of FBG with BFRP can not only protect FBG， but also improve the sensing properties of the FBG. The paper puts forward the method of preparing FBGBFRP intelligent sheet， and analysis of the sensing properties of FBGBFRP intelligent sheet. The test proves that the FBGBFRP has better performance of intelligent sensing sheet.

Keywords： FBG； BFRP； structural health monitoring

引言自从20世纪70年代光纤布拉格光栅（fiber bragg grating，FBG）技术出现并应用于结构监测以来，FBG技术发展迅速。FBG具有良好的传感性能、时间耐久性能及抗干扰性能，适合在建筑结构监测领域使用。FBG传感器不易受电磁干扰影响，FBG传感器与单模光纤组成的传感网络信号传输距离长，覆盖范围广，无需信号中途放大。FBG传感器可以串联形式实现相互连接，节约了大量线缆。基于FBG的传感技术已经广泛应用于建筑或桥梁的结构健康监测中[1]。FBG的封装技术一直受到关注，良好的封装不仅可以对FBG有良好保护，也可提高 FBG传感性能。现阶段出现了一些以金属材质[2]及高聚物片状材料[3]，管状材料[4]封装形式为主的传感器，但此类传感器与混凝土结构材质特性差别较大，力学耦合不佳，传感性能不理想。近几年建筑结构加固技术发展迅速，对老旧建筑、古代建筑[5]、新建建筑的关键结构部件进行建筑加固能够极大提高建筑结构性能。纤维增强塑料（fiber reinforced plastics，FRP）在结构加固领域也得到了大量应用[6]，利用FRP对建筑结构进行加固能够极大提高结构的承载力和延性，优化结构性能。常见的FRP有芳纶纤维增强塑料（aramid FRP，AFRP）[7]、玻璃纤维增强塑料（glass FRP，GFRP）[8]、碳纤维增强塑料（carbon FRP，CFRP）[9]、玄武岩纤维增强塑料（basalt FRP，BFRP），现有的建筑结构加固工程多采用CFRP。而近几年BFRP因其低廉的价格及优异的综合性能越来越受到结构加固市场的青睐[10]，BFRP的力学性能要远远优于GFRP，抗老化性能要优于AFRP。BFRP某些力学性能也较CFRP优良[11]。将FBG传感器封装进建筑加固使用的复合纤维材料中，不仅对建筑结构有加固作用，而且FBGBFRP智能片材亦可对加固结构进行有效的应变监测[12]。在目前的研究中，对掺入FBG的CFRP、GFRP的传感性能研究较多，而掺入FBG的BFRP片材传感性能研究较少，BFRP力学特性及表面特性与CFRP、GFRP有较大区别，因此研究FBGBFRP智能片材传感特性意义很大。

1.1FBG应变传感原理由耦合波理论可得，当满足相位匹配条件时，光纤光栅的布拉格波长为 λB=2nΛ，式中：λB为布拉格波长；n为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅周期。图 1所示为 FBG传感原理示意图。光纤光栅温度、应力改变都会导致反射光的中心波长的变化，光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测量的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为ΔλBλB=（1-Pe）ε+（α+ξ）ΔT（1）式中：ΔλB为波长变化量；α为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤的热光系数；Pe为光纤材料的弹光系数；ε为应变；ΔT为温度变化。假定光纤仅受外界力作用产生应变，在此过程中保持温度不变化，则光纤传感的方程式可简化为ΔλBλB=（1-Pe）ε（2）易见，当FBG受到外力作用产生应变ε时，FBG的波长变化ΔλB与ε为线性关系，即ΔλBλB=kε（3）式中k=1-Pe为灵敏系数。当FBG被封装进FRP中并粘贴于被加固表面测量其应变时，与在光纤两端受轴向拉力不同，光纤沿轴向表面每个点都受到应力作用，因此存在应变传递系数kt，kt与封装材料、封装形式有关，影响FBG的传感灵敏度。经过应变传递系数修正后，工程应用中灵敏度表示为[13]ΔλBλB=ktkε（4）1.2BFRP掺入FBG的意义BFRP由玄武岩岩石高温熔融拉丝制备而成，其原料本身是天然材料，绿色环保，符合当今绿色建筑的发展趋势。BFRP与混凝土在材料特性上有较高的相似性，且温度膨胀系数一致，易与基底混凝土材料界面紧密结合，即使发生较大的温度变化也不易产生界面剥离现象。因此将传感原件掺入BFRP中能够准确感知混凝土结构的应变。BFRP中的纤维部分为无机非金属材料，化学性质稳定，耐腐性及耐久性好。BFRP造价相对低廉，与建筑结构加固中广泛应用的CFRP相比，其造价约为CFRP的3/5[14]，有市场推广价值。BFRP材料具有广阔的应用前景，将FBG与BFRP片材结合，使用环氧树脂浸润并固化，制备成具备传感功能的复合材料的形式。智能片材实现了对FBG的完善保护并提高了传感性能。BFRP能对FBG完善保护。首先，BFRP能提高传感器整体的机械强度，FBG自身抗剪切能力不佳，而BFRP可对FBG形成良好保护，提高FBG抗剪切作用能力，有效抵御传感器安装及后期施工过程对FBG造成的冲击。其次，BFRP也能提高传感器抗化学腐蚀的作用，混凝土中的离子及空气中的酸性气体对金属材质及非金属材质传感器都存在化学腐蚀，BFRP中的环氧树脂可有效隔绝来自混凝土及空气中酸性气体的化学腐蚀，延长了传感器的使用寿命。将FBG掺入BFRP也提高了传感器的传感性能。首先BFRP可提高FBG传感灵敏性。未封装的FBG直接贴在被测混凝土结构表面时，传感器仅有一个侧面与混凝土接触，即一个界面带动FBG产生应变。当被金属片状封装时，主要存在上下两个界面带动FBG产生应变，利用BFRP封装FBG，BFRP较软，包裹性好。封装后形成FBG被四周与之平行的玄武岩纤维包裹的结构，即四周都可带动FBG产生应变，因此传感器传感灵敏性提高。其次BFRP可提高FGB受力均匀性。混凝土结构在100 mm线度以上可以作为连续均匀弹性体，但在小于100 mm线度内，由于混凝土内的气泡、石子、沙砾等材料分布不均匀因素存在，导致混凝土各局部面应变不均匀，不能视作均匀弹性体。若简单采用未封装10～20 mm长，0.015～0.050 mm宽FBG作为传感器，监测数据不能代表实际面应变，且由于栅区各处应变不均，易产生啁啾现象，难以准确测量。BFRP在1 mm线度内为均匀弹性体，各局部力学特性均匀，FBG与之结合后增大了与被测结构表面的接触面积，混凝土表面的应变经过BFRP传递给FBG后变均匀。封装后的FBG测量数据更具代表性，也避免了啁啾现象[15]。2FBGBFRP智能片材结构设计及测试

2.1FBGBFRP智能片材结构在设计中采用建筑加固中的单向玄武岩纤维布，单向玄武岩纤维布的纤维方向即为被加固结构的方向[16]，玄武岩纤维布为30 mm×16 mm的矩形，能够将FBG较好地覆盖并封装保护。图2FBGBFRP智能片材封装示意图

Fig.2Package of FBGBFRP intelligent sheetFBGBFRP智能片材的制备流程参考建筑加固施工工艺。将FBG使用环氧树脂胶粘贴在剪裁好的玄武岩纤维布上，在制备中，保证FBG径向方向与纤维方向一致，FBG栅区位置位于BFRP材料中央，便于FBGBFRP智能片材测试时安装标定。施加调配好的加固用环氧树脂胶，覆盖上层BFRP材料。采用软质重物压合片材，环氧树脂完全浸润上下两层BFRP。待环氧树脂完全固化，最终形成复合材料形式，完成FBGBFRP智能片材制备。封装示意图如图2所示。

2.2FBGBFRP智能片材静态特性测试采用等强度悬臂梁作为测试平台[17]，检测FBGBFRP智能片材应变传感性能。等强度悬臂梁尖端加载的力与其表面应变呈线性关系。传感性能计算：λB=1 541.1 nm，弹光系数Pe=0.78，根据式（2）理论灵敏度k=0.001 202 nm/με。由于智能片材厚度的存在，在采用等强度悬臂梁实验时，FBG应变理论上略大于等强度悬臂梁表面应用，因此光纤实际理论灵敏度系数修正为0.001 413 nm/με（应变：物体局部的相对变形为相对物理量，单位为με即微应变）。传感性能测试：依次施加等质量砝码，从而制造等量增加的应变，施加砝码同时观测FBG返回峰值波长变化；按上述方式连续施加并减少砝码多次并记录数据，图3为FBGBFRP智能片材波长功率特性曲线。根据实验数据得到传感性能：实测灵敏度为0.001 460 nm/με，kt=1.03，FBGBFRP部分传感特性曲线如图4所示。

2.3FBGBFRP智能片材测试结果分析测试结果表明，FBGBFRP智能片材的灵敏度比未封装的FBG传感器高，线性度良好，重复性好。FBG在经过封装后未出现啁啾现象，证明封装流程可靠，避免了其他干扰应力对FBG的作用。总之FBGBFRP智能片材能够作为较为可靠的传感器并可被结构监测系统采用。FBGBFRP的传感线性良好，量程亦超过了常见混凝土结构可耐受的应变范围。3结论根据实验测试，ΔλB与ε之间仍保持较好的线性关系，并未出现原有类似封装过程中由于FBG受应力不均匀出现的啁啾现象，证明封装方法可靠。虽然灵敏度系数与理论FBG灵敏度系数之间存在微小差异，FBGBFRP智能片材仍能够作为较为可靠的传感器对建筑结构应变进行监测。在未来的研究中，可将掺有FBG的BFRP用于混凝土结构加固实验，通过研究初始加载到破坏全过程FBG波长信号变化，进一步研究其用于建筑加固及结构健康监测的有效性。参考文献：

[1]张矿伟，张少杰，赵晓霞，等.光纤Bragg光栅应变传感器在桥梁结构监测中的应用[J].光学仪器，2014，36（1）：1519.

[2]刘春桐，涂洪亮，李洪才，等.全金属封装光纤光栅的温度传感特性研究[J].传感器与微系统，2008，27（10）：5859.

[3]赵洪霞，鲍吉龙，陈莹.光纤光栅聚合物封装及传感特性研究[J].光电子技术与信息，2005，18（5）：3942.

[4]王跃，张伟刚，杨翔鹏，等.光纤布拉格光栅的半金属管封装及挠度实验研究[J].传感技术学报，2002（3）：203207.

[5]LIMA H F，DA SILVA VICENTE R，NOGUEIRA R N，et al.Structural health monitoring of the church of santa casa da misericórdia of aveiro using FBG sensors[J].Sensors Journal，IEEE，2008，8（7）：12361242.

[6]吴刚，刘海洋，吴智深，等.不同纤维增强复合材料加固钢梁疲劳性能试验研究[J].土木工程学报，2012，45（4）：2128.

[7]钱洋.预应力AFRP筋混凝土梁受弯性能试验研究[D].南京：东南大学，2004.

[8]欧阳煜.玻璃纤维（GFRP）片材加固混凝土框架结构的性能研究[D].杭州：浙江大学，2001.

[9]吕志涛，梅葵花.国内首座CFRP索斜拉桥的研究[J].土木工程学报，2007，40（1）：5459.

[10]欧阳利军，丁斌，陆洲导.玄武岩纤维及其在建筑结构加固中的应用研究进展[J].玻璃钢/复合材料，2010（3）：8488.

[11]吴刚，魏洋，蒋剑彪，等.玄武岩纤维与碳纤维加固混凝土矩形柱抗震性能比较研究[J].工业建筑，2007，37（6）：1418.

[12]田高洁，李川，由静，等.碳纤维复合材料封装光纤 Bragg光栅[J].大坝与安全，2010（1）：2830.

[13]胡显奇，申屠年.连续玄武岩纤维在军工及民用领域的应用[J].高科技纤维与应用，2005，30（6）：713.

[14]杨君琦.应变传感器的应变传递理论及传感特性研究[D].长沙：中南大学，2013.

[15]顾兴宇，沈新，陆家颖.玄武岩纤维筋拉伸力学性能试验研究[J].西南交通大学学报，2010，45（6）：914919.

[16]YASHIRO S，OKABE T，TOYAMA N，et al.Monitoring damage in holed CFRP laminates using embedded chirped FBG sensors[J].International Journal of Solids and Structures，2007，44（2）：603613.

[17]高宇飞，刘超，牟海维.基于平膜片和悬臂梁的光纤光栅压力响应特性研究[J].光学仪器，2014，36（4）：333336.

（编辑：刘铁英）