CFRP/光纤带状应变传感器传感性能研究

黄孟姣　朱萍玉　谢啸博　吴江　王帅斌



CFRP/光纤带状应变传感器传感性能研究

黄孟姣朱萍玉谢啸博吴江王帅斌

（广州大学机械与电气工程学院）

针对分布式光纤封装及与粘贴对象相容性对其传感性能的影响，采用碳纤维预浸料对分布式光纤进行热压封装并作性能验证。通过封装过程中的预拉伸保证分布式光纤的均匀性，增强布里渊分布式光纤传感器的解调有效性，固化后的碳纤维增强复合材料对光纤起保护作用。将封装的CFRP/光纤带状应变传感器粘贴到等强度悬臂梁上作静载实验，同时借助ANSYS软件进行相应载荷的有限元仿真，仿真结果与试验结果一致，验证了CFRP/光纤带状应变传感器封装方法的有效性和良好的传感性能。

分布式光纤；碳纤维增强复合材料；热压封装

0　引言

分布式光纤传感技术具有全尺度分布式测量的优点，在大坝、桥梁以及航天器等大型结构工程中得到广泛应用[1-2]，其中传感光纤多采用特殊制作的光缆或直接植入结构体内部。对于需要粘贴在表面对其监测的对象，裸光纤不适合工程应用，而光缆的圆柱外形与表面线接触的形式不利于粘贴牢固。鉴于光纤传感器具有独特的应变传感性能，并能与碳纤维复合材料兼容，故碳纤维树脂增强复合材料（carbon fiber reinforced plastics, CFRP）成为制作片式光纤传感器的首选[3]。封装后的传感器可用于大范围表面粘贴进行长期状态监测。

本文提出将光纤植入两片碳纤维预浸料中，通过热压制作成CFRP/光纤带状应变传感器。采用等强度悬臂梁加载测试其应变传感性能，并进行有限元仿真分析，比较结果为实际应用提供依据。

1 CFRP/光纤样本的制作及测试装置

1.1 CFRP/光纤样本的制作

裁剪两片同尺寸的窄条状碳纤维预浸料，将其中的一片铺放在四柱热压机的下加热模板上；然后铺放光纤，并通过专门研制的预拉伸架使将光纤绷直；再放上另一片碳纤维预浸料，并轻轻碾压平整；然后将其放在热压机上，根据事先设定的固化工艺流程对其热压，如图1(a)所示，得到的CFRP/光纤带状应变传感器如图1(b)所示。

图1 热压法制备CFRP/光纤带状应变传感器示意图

CFRP/光纤带状应变传感器内光纤布置路径由中间和两端2部分组成。中间段的多条光纤相互平行布置且与碳纤维的纤维方向一致；两端的光纤则形成多个类U型，并将中间的光纤连接。CFRP/光纤带状应变传感器的尺寸可根据需要设计成不同的规格，但设计时光纤的总长度受限于目前的分布式光纤解调仪，一般为30 km~50 km。

1.2 分布式光纤传感及解调

分布式光纤传感技术将光纤作为线性传感元件，利用光纤产生的自然光散射，如瑞利、拉曼和布里渊散射，探测周围环境变化[4]。上述散射均对环境变量敏感，并可对沿光纤分布的温度和应变等物理变量进行探测。常用的探测方法有2种：光时域反射（optical time-domain reflectometry，OTDR）和光频域反射（optical frequency-domain reflectometry, OFDR）。光时域反射方法的空间分辨率较低，仅为0.5 m~1 m，但可实现几十千米光纤的分布式传感；光频域反射方法具有更高的空间分辨率，可达毫米级，但测量长度只有几米~百米。在结构健康监测领域，基于布里渊或瑞利散射的分布式光纤传感器可用于监测大型结构的应变测量。此时，光纤与结构的相容性会更多地影响结构的应变响应[5]。

1.3 等强度悬臂梁测试装置

为验证按本文方法制作的1 m长CFRP/光纤带状应变传感器的应变传感性能，设计一个能满足长度要求的等强度悬臂梁，其尺寸为1285 mm×400 mm×10 mm。该悬臂梁通过螺栓固定在实验平台上，自由端悬伸出平台，用于悬挂重物给悬臂梁施加压力，可在许用载荷下给悬臂梁施加不同载荷。所制作的CFRP/光纤带状应变传感器粘贴在等强度梁的中间部位，并保证分布式光纤方向与悬臂梁中轴线平行，用于测量悬臂梁加载重物时的应变。等强度悬臂梁加载实验装置如图2所示。

图2　等强度悬臂梁加载实验装置

2　有限元分析及测试

2.1 CFRP/光纤加载有限元分析

在有限元软件ANSYS Workbench15.0中，导入悬臂梁CAD几何尺寸，进一步验证粘贴在其表面的CFRP/光纤带状应变传感器对悬臂梁应变的响应灵敏度。一层碳纤维预浸料的厚度约为0.15 mm，2层预浸料的厚度约为0.3 mm；中间放置低水峰单模光纤的参数为：直径约0.27 mm；弹性模量7.4×1010 Pa；泊松比0.3，建立的CFRP/带状应变传感器的几何模型如图3所示。选用悬臂梁弹性模量为2×1011 Pa，泊松比为0.30。因模型的形状较为规整，故采用自由网格划分，Element Size设为18.5 mm，如图4所示。网格划分完成后，在等强度悬臂梁的固定端施加固定约束，即对有限元模型添加固定约束，并对自由端施加集中载荷，以测试独立的悬臂梁的应变响应，如图5所示。

图3　等强度悬臂梁及CFRP/光纤三维模型

图4　联合模型网格划分结果

图5　独立悬臂梁应变云图　

测试时，采用AB胶将CFRP/光纤带状应变传感器贴在等强度悬臂梁上，因涂胶厚度极小，可忽略不计。根据现实情况，选定ANSYS中的Frictional定义等强度悬臂梁与CFRP/光纤带状应变传感器之间的接触关系。尽管该传感器中有很多根光纤，由于采用等强度量，梁上的应变值处处相等。为简化计算，只选取测量应变段的直线平直光纤。因此，在碳纤维板模型中只置入单根直光纤模型，且光纤的长度与碳纤维基底相同。当确立以上数据后进行仿真分析，继续添加固定约束，并在悬臂梁的自由端依次施加1 kg，3 kg，5 kg，7 kg，9 kg和11 kg的集中载荷，得到整体结构的应变响应和光纤应变响应，分别如图6和图7所示。从有限元计算结果中提取光纤的应变值，并对埋入CFRP内部光纤段上的应变值进行平均处理，将该平均值作为仿真结果值与应变片和CFRP/光纤测得值比较。

图6　CFRP/光纤带状应变传感器应变云图

图7　传感光纤应变局部云图

2.2 CFRP/光纤加载实验

为了进一步验证所制作的CFRP/光纤带状应变传感器的应变传感性能，对照有限元分析的模型，将传感器和应变片粘贴于自行设计制作的等强度悬臂梁上。在悬臂梁的自由端依次悬挂与仿真相同的载荷，得到CFRP/光纤实测值和应变片实测值，将2种传感器的实测值与仿真值比较，如表1所示。分别做出CFRP/光纤应变响应和应变片应变响应与负载的关系，如图8(a)和图8(b)所示，得到二者的应变转换系数分别为8.49/kg和8.85/kg。应变片的应变响应转换系统稍高，主要归因于CFRP材料和粘贴传感器的胶层可能导致衰减。图9显示了2种实测结果与仿真结果的关系，由图9可以看出：所研制的CFRP/光纤带状应变传感器随着载荷增大，测量值略小于仿真值和应变片的测量值，但很好地实现光纤的应变传感功能，仿真模型正确。

表1 CFRP/光纤仿真值与实测值和应变片实测值对比表

图8(a) CFRP/光纤传感器应变转换系数

图8(b) 应变片传感器应变转换系数

图9　传感器实测值与仿真结果的对比图

3　结论

本文提出一种采用碳纤维预浸料对分布式光纤进行热压封装得到CFRP/光纤带状应变传感器的方法，并分别采用有限元仿真和应变片实测值对比分析，对该传感器的应变传感器性能进行了深入研究。实验得到所制作的CFRP/光纤带状应变传感器的应变传递系数为8.49/kg，略低于应变片和仿真值。研究结果表明：CFRP封装光纤不仅可以有效保护光纤，提高其现场施工的成活率，具有实际工程应用价值，还能够实现光纤传感系统的大范围表面粘贴，如粘贴在钢轨表面进行长期状态监测。

[1] 钱振东,韩光义,黄卫,等.基于BOTDA的钢桥面铺装裂缝疲劳扩展研究[J].土木工程学报, 2009,42(10):132-136.

[2] Raffaella Di Sante. Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications [J]. Sensors 2015, 15: 18666- 18713.

[3] 张博明,王殿富,杜善义,等.多功能光纤智能复合材料研究[J]. 复合材料学报,2000,17(1):37-41.

[4] Wang M, Jiang L, Wang S, et al. A robust fiber inline interferometer sensor based on a core-offset attenuator and a microsphere-shaped splicing junction[J]. Optics & Laser Technology, 2014, 63: 76-82.

[5] Darwish M N, Darwish A N. Intelligent structures for the future[J]. AEJ-Alexandria Engineering Journal, 2001, 40(4): 573-584.

Study on Sensing Performance of CFRP/ Fiber Banded Strain Sensor

Huang Mengjiao Zhu Pingyu Xie Xiaobo Wu Jiang Wang Shuaibin

(School of Mechanical and Electric Engineering, Guangzhou University)

In view of the influence of the compatibility of distributed optical fiber package and paste object on its sensing performance, carbon fiber prepreg is used to heat-package distributed optical fiber. The uniformity of the distributed fiber is ensured by the pre-stretching in the packaging process to facilitate the effective demodulation of the fiber sensing during the demodulation of the distributed fiber, and the cured carbon fiber reinforced composite material (CFRP) protects the fiber. The packaged CFRP/fiber sensor was attached to a cantilever with the same strength for static load tests, and the finite element simulation of the corresponding load was carried out by Ansys software. The simulation results were consistent with the experimental results, and the strip CFRP/fiber sensor packaging method was verified. The effectiveness and good sensing performance.

Distributed Fiber; Carbon Fiber Reinforced Composite; Thermocompression Package

黄孟姣，女，1995年生，硕士研究生，主要研究方向：机电设备可靠性分析。

朱萍玉（通信作者），女，1971年生，博士，教授，主要研究方向：智能制造与智能维护。E-mail: pyzhu@gzhu.edu.cn