田高潔 ，李 川 ， 由 靜 ，張 晨

(1.昆明理工大學信息工程與自動化學院，云南 昆明 650051；2.中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江 杭州 310014)

0 引 言

碳纖維復合材料具有比強度高、比模量高、耐疲勞性能和尺寸穩(wěn)定性好等一系列優(yōu)點，近幾年已廣泛應用于土木工程結(jié)構(gòu)中，起加固的作用。

光纖傳感器有許多突出的優(yōu)點：靈敏度高、動態(tài)范圍大、抗電磁干擾、電絕緣性好、無火花、耐高溫、抗腐蝕、化學性能穩(wěn)定、測量范圍廣等等。另外，光纖本身纖柔輕細，光纖傳感器體積小、重量輕、幾何形狀可塑，不僅便于布設安裝，而且對埋設部位的材料性能和力學參數(shù)影響甚小，能實現(xiàn)無損埋設，與待測材料有著良好的相容性，并且可以以網(wǎng)絡鋪設實現(xiàn)全方位監(jiān)測，極大提高安全監(jiān)測的有效性。

結(jié)合碳纖維增強復合材料和光纖傳感技術的優(yōu)點，可以制成先進的光纖智能結(jié)構(gòu)／智能蒙皮。在以往的智能結(jié)構(gòu)中采用點式傳感器，收集和處理這些數(shù)據(jù)比較復雜，因此人們致力于分布式光纖傳感器的研究。分布式光纖傳感器是指用一根光纖敷設于待測場，待測量(如溫度、壓力等)會對光纖中傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，將有關信息調(diào)制在光纖中傳輸，通過解調(diào)即可獲知光纖周圍任一點的待測量的情況。但待測物有時熱脹冷縮較大，有時變形較大，使光纖承受較大作用，所以將碳纖維復合材料與光纖結(jié)合，既能起到增強結(jié)構(gòu)的作用，又能隨時監(jiān)測被測物體。

1 碳纖維復合材料的力學特性

碳纖維復合材料是通過氧化有機聚合物（通常是聚丙烯硝胺纖維或乳化瀝青），只留下碳素材料，其碳原子沿原有纖維長度排列整齊而形成碳素纖維。每根碳纖維絲由3 000～12 000個碳原子絲以絞線或麻繩的方式排列而成，其粗細僅相當于人的1根頭發(fā)絲。

碳纖維成品可以制成不同的型材，如纖維布、纖維板、棒材、短纖維等，根據(jù)不同工程的不同部位和需要而定。在加固工程中，應用量最大和最普通的還是碳纖維布（片材）。

圖1 碳纖維復合材料微結(jié)構(gòu)受力Fig.1 Microstructural force analysis of CFRP

圖1為碳纖維復合材料微結(jié)構(gòu)受力分布圖。δ1，δ2，δ3分別代表三個垂直方向上的正應力，τ12表示在垂直δ1面上與方向2同向的剪力，τ13，τ23以相同的方式被定義。另外，ε1表示δ1作用在方向1上產(chǎn)生的應變，同理定義 ε2，ε3。 γ12為剪力 τ12在 1-2平面上引起的角應變。

根據(jù)虎克定律可得：

其中 E1，E2，E3，G23，G13，G12為彈性模量和剪切模量，其值由廠家提供。然而在纖維方向上的楊氏模量E1是在方向2和方向3的楊氏模量E2，E3的十多倍?？梢?方向上的不易變形程度遠大于2，3方向，即纖維方向上的加固特性更為優(yōu)越。

對于平面應力問題，這時有：

可得：

由式（3）可通過應力計算出相應碳纖維各個方向上的應變大小。

2 碳纖維復合材料封裝光纖Bragg光柵

利用碳纖維復合材料封裝光纖Bragg光柵是一種集結(jié)構(gòu)保護和結(jié)構(gòu)監(jiān)測于一體的傳感結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)通過檢測光的波長變化來測量碳纖維復合材料所受應力的變化。其封裝結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 碳纖維材料封裝Bragg光柵結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the fiber Bragg grating packaged by CFRP

光纖Bragg光柵沿碳纖維方向粘貼于碳纖維復合材料的中心位置，并用裁剪好的頂層碳纖維復合材料將光纖Bragg光柵完全覆蓋進行保護封裝，粘貼時頂層碳纖維復合材料的纖維方向保持與碳纖維方向一致。其中，光纖Bragg光柵直徑為125 mm，在裸纖外表面涂覆一層均勻的保護材料構(gòu)成直徑為250 mm的一次涂覆光纖，在涂覆光纖的外部再緊緊包裹一層橡膠護套即為緊套光纖，三者之間緊密相連不能移動。然后將緊套光纖從橡膠導管制成的護套中穿出，在將整個結(jié)構(gòu)粘貼于碳纖維材料時，利用環(huán)氧樹脂填充因光纖、緊套光纖和護套等結(jié)構(gòu)外徑不一所帶來的空隙，并且向護套中灌注膠體，減小與緊套光纖的可移動性，達到更為有效地保護光纖的目的。當碳纖維復合材料因應力發(fā)生形變時，粘貼在其上的光纖Bragg光柵隨之產(chǎn)生應變響應。此方案既能加固被測結(jié)構(gòu)體，又能監(jiān)測結(jié)構(gòu)體的應力變化，形成了集加固與監(jiān)測功能于一體的智能結(jié)構(gòu)。

3 光纖Bragg光柵埋入碳纖維復合材料中的界面?zhèn)鬟f特性分析

應變對光纖光柵波長的影響分為軸向和橫向。光纖Bragg光柵在受到拉升或壓縮時，其軸向和橫向同時有應變產(chǎn)生。由于光纖光柵對縱向應力較橫向應力更為敏感，而且在軸向應力δ1的作用下，ε1／ε2=1／-v12=-62.5，所以在計算時可以忽略垂直于軸向的應變ε2對光纖光柵波長位移產(chǎn)生的影響。均勻軸向應變引起的波長移位縱向應變靈敏度公式為：

其中pe為有效彈-光系數(shù)，ε1為軸向應變量。

當碳纖維復合材料僅在軸向應力δ1的作用下，碳纖維復合材料應變響應由式（3）簡化為：

光纖Bragg光柵的波長位移-應力關系為：

由此可以得出，光纖Bragg光柵的Bragg波長移位與外加縱向應力的傳感靈敏度為6.68 pm／MPa。光纖Bragg光柵解調(diào)儀的波長分辨率為1 pm時，傳感器的理論分辨率為0.2 MPa。

4 結(jié) 語

（1）在使用碳纖維復合材料的同時埋入光纖，既可以起到加固的作用，又可以進行測量，減小對其結(jié)構(gòu)的破壞。

（2）光纖Bragg光柵傳感器直埋CFRP的聚合物基體中，由于不存在粘貼層的界面的影響，應變測量值無需修正。CFRP層的性能越穩(wěn)定、界面粘接效果越好，光纖Bragg光柵傳感器的對應變的監(jiān)測越穩(wěn)定，誤差越小。

（3）光纖Bragg光柵傳感器的相對波長與應變具有很好的線性關系，通過監(jiān)測相對波長的變化，可以準確地表征結(jié)構(gòu)的應變，可實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)的應力應變在線監(jiān)測。

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