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        碳纖維復合材料封裝光纖Bragg光柵

        2010-07-03 10:23:54田高潔
        大壩與安全 2010年1期
        關鍵詞:光柵碳纖維波長

        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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