洪成雨黃金生陳偉斌李家聰楊國強(qiáng)

(1.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060；3.深圳大學(xué)未來地下城市研究院，廣東 深圳 518060；4.濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518060)

增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing，AM)俗稱3D打印，作為一種快速成型的技術(shù)，其原理是以數(shù)字三維模型為基礎(chǔ)，通過材料的逐層打印構(gòu)造成一個(gè)完整的物體，其材料選用可粘合材料[1-2]。近年來，3D打印技術(shù)受到了業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，各行各業(yè)逐漸引入3D打印技術(shù)，全球也引發(fā)了一輪3D打印熱潮。當(dāng)前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于包括機(jī)械設(shè)備、航空航天、電子產(chǎn)品、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的制造業(yè)，3D打印技術(shù)無需使用傳統(tǒng)的操作方法與加工工具，可直接將三維產(chǎn)品模型精確轉(zhuǎn)化為實(shí)體，從而可以實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的產(chǎn)品制造。同時(shí)利用3D打印技術(shù)能夠快速制作出產(chǎn)品樣品，從而便于檢驗(yàn)產(chǎn)品的合理性，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期和研發(fā)成本[3-4]。

土壓力測量是土力學(xué)領(lǐng)域持續(xù)探索研究的課題，是工程監(jiān)測中的重要內(nèi)容。土體壓力是解決工程實(shí)際問題及推進(jìn)相關(guān)科學(xué)研究的重要依據(jù)[5-6]。土壓力傳感器常被用于邊坡、堤壩、擋土墻、路基等結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，近年來，已設(shè)計(jì)出大量的壓力傳感器用來測量土壓力，在實(shí)際工程及科研中運(yùn)用得較多的為電阻式土壓力計(jì)、振弦式土壓力盒[7]。電阻式土壓力計(jì)的工作原理是利用金屬絲片電阻與結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，將結(jié)構(gòu)的物理量轉(zhuǎn)為可測電量，從而達(dá)到測量土壓力的目的。振弦式土壓力盒的工作原理是土體壓力發(fā)生變化時(shí)，傳感器上的鋼線自振頻率將會發(fā)生改變，從而達(dá)到測量土體壓力的目的。常規(guī)壓力傳感器具有使用簡便、成本低等優(yōu)勢，同時(shí)也具有很多缺點(diǎn):傳統(tǒng)的電阻式傳感器件及金屬封裝材料，常常難以應(yīng)對復(fù)雜惡劣的工程環(huán)境，從而影響傳感器的使用壽命和穩(wěn)定性；傳統(tǒng)傳感器的制造工藝不夠靈活，不同工程工況下調(diào)整壓力傳感器的靈敏度與量程，往往需要通過復(fù)雜的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。而增材制造技術(shù)可克服傳統(tǒng)傳感器這些生產(chǎn)上的缺點(diǎn)，結(jié)合3D打印技術(shù)制備的傳感器具有生產(chǎn)成本低、整體性好、研發(fā)與生產(chǎn)周期短和裝配高效的優(yōu)勢[8-9]。

應(yīng)用較多的光纖傳感技術(shù)主要包括兩種:①基于布里淵散射原理的光纖傳感技術(shù)。布里淵光時(shí)域反射計(jì)(Brilloun Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR)是利用激光在傳輸過程中，后向自發(fā)布里淵光來感測不同位置的應(yīng)變和溫度變化。布里淵光時(shí)域分析計(jì)(Brilloun Optical Time Domain Analyzed，BOTDA)是利用光纖中的布里淵散射光頻率的變化量與光纖軸向變形實(shí)時(shí)傳感，其需一個(gè)感測回路進(jìn)行感測[10]。BOTDR和BOTDA皆可進(jìn)行長距離的測量，可達(dá)到幾十公里的量級，缺點(diǎn)是空間分辨率較低，約為0.5 m，而且系統(tǒng)較復(fù)雜，測試的時(shí)間較長；②基于光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)的光纖傳感技術(shù)。光纖布拉格光柵是通過紫外光曝光技術(shù)，使具有光敏性光纖纖芯產(chǎn)生周期性的折射分布，其對波長有選擇性，能使特定波長的光反射，而其他的光則透過[11]。當(dāng)光纖布拉格光柵所處的外界環(huán)境溫度或應(yīng)力發(fā)生變化，在外力的作用下就會導(dǎo)致柵區(qū)長度或有效折射率改變，從而引起光纖內(nèi)特定中心波長發(fā)生移動。光纖布拉格光柵傳感技術(shù)是準(zhǔn)分布式測量，由于受限于光源的帶寬，目前傳感點(diǎn)的數(shù)量有限，空間分辨率有限。而光頻域反射(Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR)傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)分布式測量，在50 m傳感范圍內(nèi)，其空間分辨率可達(dá)1 mm。OFDR傳感技術(shù)的空間分辨率與探測器的帶寬無關(guān)，與頻譜分析的精度有關(guān)，可得到遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光時(shí)域反射/分析類分布式感測技術(shù)的空間分辨率和精度[12-13]。

目前，結(jié)合光纖與增材制造技術(shù)制作傳感器的相關(guān)研究還較少，尚屬于比較新穎的領(lǐng)域，Hong等[14]發(fā)現(xiàn)光纖布拉格光柵不僅可以成功嵌入到3D打印的模型中去，而且光纖光柵傳感器在打印封裝的過程中不會發(fā)生任何性能的損失。LIN等[15]采用ABS作封裝材料，將FBG傳感器進(jìn)行封裝，使用于測靜水壓力。Hong等[16]結(jié)合3D打印技術(shù)與FBG傳感器成功設(shè)計(jì)并研發(fā)出壓力傳感器，通過室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)，測試得到壓力傳感器在不同封裝密度下的靈敏度。Zhang等[17]利用FBG傳感器與3D打印技術(shù)成功研制出液壓傳感器，并通過現(xiàn)場測試與傳統(tǒng)傳感器的對比，驗(yàn)證了此液壓傳感器的可行性。施令飛等[18]設(shè)計(jì)了使用3D打印技術(shù)封裝的光纖布拉格光柵測斜傳感器，通過標(biāo)定試驗(yàn)得到了角度與光纖布拉格光柵波長的線性關(guān)系，模型邊坡試驗(yàn)與軟件模擬結(jié)果趨于一致。

這些研究都結(jié)合了3D打印與光纖布拉格光柵研制傳感器，但還沒有利用OFDR分布式光纖與3D打印結(jié)合研發(fā)壓力傳感器的相關(guān)研究。本研究將OFDR分布式光纖嵌入聚乳酸脂(Polylactic Acid，PLA)模型內(nèi)制作OFDR分布式壓力傳感器，通過選用不同的打印密度，研究不同的打印參數(shù)對壓力傳感器的性能影響，從而實(shí)現(xiàn)利用打印參數(shù)調(diào)控傳感器測量性能的目的。基于OFDR分布式光纖的壓力傳感器具有諸多優(yōu)勢，比如，相對于與FBG壓力傳感器的點(diǎn)式測量，OFDR分布式光纖可實(shí)現(xiàn)打印模型內(nèi)全分布式測量(空間分辨率可達(dá)1 mm)，在測量時(shí)不受核輻射和電磁干擾、測量精度高(應(yīng)變±1με)、使用壽命長。

1 OFDR感測技術(shù)原理

OFDR的分布式光纖采用背向瑞利散射的技術(shù)，利用相干探測手段進(jìn)行信號處理，工作原理如圖1所示。光源發(fā)出光經(jīng)過耦合器后分為兩路，一路進(jìn)入待測光纖，在光纖的各個(gè)位置上不斷產(chǎn)生瑞利散射信號，信號光是背向反射的，與另一路參考光發(fā)生干涉，兩者產(chǎn)生的拍頻信號被光電探測器檢測到，拍頻與待測光纖的位置成正比。待測光纖某一位置受壓力、溫度等的影響會發(fā)生瑞利散射頻移。通過測量瑞利散射得頻移量，可以實(shí)現(xiàn)對某一位置的溫度和應(yīng)變測量以及整根光纖的分布式測量[19-21]。

圖1 OFDR原理

2 增材制造制備壓力傳感器結(jié)構(gòu)研究

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)打印

利用增材制造技術(shù)與OFDR感測技術(shù)制作土壓力傳感器的器材如圖2(a)所示，包括采集光信號的OFDR(型號:OSI-S)設(shè)備、3D打印機(jī)(型號:finder，無熱床版)、PLA打印耗材、分布式光纖等，其中OFDR設(shè)備的采集頻率為10 Hz，傳感精度為±1με，空間分辨率為3.62 mm；3D打印機(jī)的噴嘴溫度為220℃，噴嘴直徑為0.4 mm。打印機(jī)對模型的打印方式、填充速度、填充密度、支撐方式等都具有靈活的調(diào)節(jié)方式。如圖2(b)所示，本研究的模型打印方式為線型打印，即噴嘴的出絲堆疊軌跡為線型，內(nèi)部呈網(wǎng)狀填充，并與邊界夾角呈現(xiàn)45°，且所有打印模型均采用60 mm/s的填充速度，此速度可以保證光纖穩(wěn)定地封裝在模型內(nèi)部。本研究采用20%、40%、60%、80%、100%五種不同密度試樣，探究填充密度對土壓力傳感器性能的影響。最后土壓力傳感器所建模型為直徑30 mm，厚度10 mm的圓柱體，因此不需要設(shè)置支撐。

利用增材制造技術(shù)對OFDR分布式光纖進(jìn)行封裝的過程中，當(dāng)模型打印到50%厚度時(shí)(圖2(b)所示)暫停打印，并迅速植入OFDR分布式光纖，此過程中，在模型兩端的卡槽處使用膠水固定光纖。布置好OFDR分布式光纖后繼續(xù)進(jìn)行打印封裝，直至模型剩余部分封裝完畢。在對分布式光纖進(jìn)行封裝的過程中，使用OFDR設(shè)備保持記錄分布式光纖的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，利用OFDR設(shè)備的應(yīng)變與溫度測量特性，以便后續(xù)對打印模型的內(nèi)部溫度與應(yīng)變的特征展開分析。

圖2 3D打印制作模型

圖3(a)是OFDR分布式光纖在打印的過程中植入模型的內(nèi)部圖，原料采用聚乳酸脂耗材，封裝模型采用圓柱體模型(R＝15 mm，h＝10 mm)。布置分布式光纖采用膠水錨固(圖3(a)中的錨固卡槽)。將OFDR分布式光纖封裝到模型的內(nèi)部(如圖3(a)所示)當(dāng)圖3(a)中的OFDR分布式光纖固定完畢后，從模型50%的高度繼續(xù)打印。打印模型內(nèi)部耗材以線性打印，堆積較為均勻，保證了模型內(nèi)部的應(yīng)變與應(yīng)力傳遞是均勻的，無應(yīng)力集中現(xiàn)象。最終成型的OFDR土壓力傳感器如圖3(b)所示。

圖3 OFDR壓力傳感器模型圖

2.2 基于OFDR技術(shù)的壓力傳感器傳感原理

結(jié)合增材制造技術(shù)制作土壓力傳感器，由于分布式光纖的直徑小于1 mm，將分布式光纖封裝到圓柱體(直徑30 mm，厚度10 mm)的打印模型中，其尺寸可忽略不計(jì)。打印的PLA圓柱體模型結(jié)構(gòu)是線性層疊打印結(jié)構(gòu)，這種層疊結(jié)構(gòu)在沿線性運(yùn)動方向的縱向斷面具有一致性，而橫斷面與縱向斷面明顯不一樣，即具有不同模量與泊松比，因此傳感器具有各向異性特征；PLA材料經(jīng)過3D打印機(jī)噴出后具備較高的粘結(jié)力，PLA材料之間堆疊粘結(jié)形成了良好的整體，因此傳感器可視為連續(xù)的實(shí)體。

將傳感器模型的垂直受力方向，橫軸方向，縱軸方向分別標(biāo)注為1、2、3，由廣義胡克定律可得到具有九個(gè)獨(dú)立彈性常數(shù)Cij的關(guān)系:

式中:εij和σij分別是三個(gè)方向的應(yīng)變分量和應(yīng)力分量。應(yīng)變不垂直于壓力傳感器的情況下，可由一般形式的胡克定律求出應(yīng)力，當(dāng)壓力傳感器在土中受到垂直荷載，即ε22＝ε33且σ22＝σ33＝0，考慮到彈性常數(shù)E和泊松比υ，該式可簡寫為:

式中:Ei為打印耗材在方向i(i＝1，2，3)上的模量。υij為泊松比，表示橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。

嵌入模型內(nèi)部的分布式光纖在受到垂直壓力的影響時(shí)，采用OFDR技術(shù)可直接得到應(yīng)變值，則通過式(2)可計(jì)算出作用于壓力傳感器上方的垂直壓力Δσ11。

2.3 傳感器內(nèi)部變形特征分析

放置在模型中間的OFDR分布式光纖實(shí)時(shí)反映了打印過程中內(nèi)部不同點(diǎn)位的變形信息，圖4所示為分布式光纖放置在50%高度的模型上，繼續(xù)打印直至封裝結(jié)束，不同密度的模型內(nèi)部應(yīng)變隨封裝時(shí)間的變化曲線。

圖4 壓力傳感器在3D打印過程中不同密度的應(yīng)變量曲線

圖4所示模型封裝過程中不同密度不同位置點(diǎn)的應(yīng)變變化，打印過程中的應(yīng)變由耗材打印高溫和耗材堆積所引起，從圖中可以看出，PLA耗材在增材制造過程中，同一密度的不同位置點(diǎn)的應(yīng)變變化趨勢是一致的，都呈現(xiàn)出循環(huán)變化現(xiàn)象，每一個(gè)循環(huán)代表一層打印耗材的堆積，其循環(huán)特征都是應(yīng)變量先上升再下降，然后循環(huán)往復(fù)變化。通過分析封裝過程的打印路徑，發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象是由打印機(jī)的高溫噴嘴的打印模式所致，可將噴嘴打印路徑分為兩個(gè)階段，第一階段為噴嘴由模型邊緣向分布式光纖正上方運(yùn)動階段，當(dāng)噴嘴打印到分布式光纖正上方時(shí)，此處是光纖接收熱量最大處，從而應(yīng)變量達(dá)到峰值；第二階段為噴嘴慢慢由光纖正上方向模型邊緣運(yùn)動階段，隨著距離的增大，光纖接收到的熱量也隨之減少，應(yīng)變波峰呈下降趨勢。隨著每一層打印耗材的堆積，每層應(yīng)變量的峰值是呈下降趨勢的，因?yàn)殡S著每一層打印耗材的堆積，遠(yuǎn)離分布式光纖的耗材高溫傳遞到光纖處的溫度會降低，從而引起應(yīng)變量減少。封裝結(jié)束后，在室溫下，耗材溫度逐漸降低導(dǎo)致模型材料收縮，因此分布式光纖測到應(yīng)變呈下降趨勢。

3 壓力傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

通過室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)建立壓力傳感器所受到的外界壓力變化與OFDR感測到的應(yīng)變變化之間的函數(shù)關(guān)系。由于壓力傳感器的厚度只有10mm，其尺寸相對于土體內(nèi)部是比較微小的，其所受到的四周壓力可忽略，傳感器所受到的壓力主要來自于土體的垂直壓力，因此室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)采用萬能試驗(yàn)機(jī)單軸施壓。圖5所示為OFDR壓力傳感器的室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)圖，標(biāo)定試驗(yàn)全程在恒溫試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，本試驗(yàn)使用的OFDR壓力傳感器采用的是PLA耗材封裝，為直徑30 mm、厚度10 mm的圓柱體模型。

圖5 OFDR壓力傳感器室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)

首先使用1 T萬能試驗(yàn)機(jī)對OFDR壓力傳感器進(jìn)行壓壞試驗(yàn)，確定壓力傳感器的量程與靈敏度，圖6(a)所示為各個(gè)密度對應(yīng)的壓壞試驗(yàn)曲線，當(dāng)應(yīng)變開始出現(xiàn)異常噪點(diǎn)，表明已達(dá)到該密度的量程最大值，20%、40%、60%、80%、100%密度的模型分別對應(yīng)的壓壞應(yīng)力為4.00 MPa、8.80 MPa、11.88 MPa、7.92 MPa、3.828MPa。各壓壞應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變量分別為1 077.48με、17 82με、1 965.16με、1 182.6με、332.88με。壓壞曲線斜率即為傳感器的靈敏度，在填充密度分別為20%、40%、60%、80%、100%時(shí)，OFDR壓力傳感器的靈敏度分別為:0.269με/kPa、0.203με/kPa、0.165με/kPa、0.149με/kPa、0.101 με/kPa，如圖6(b)所示，隨著模型填充密度的增大，傳感器的靈敏度呈逐漸減小的趨勢。因此結(jié)合增材制造技術(shù)制作OFDR壓力傳感器，通過計(jì)算機(jī)的三維建?？焖賹鞲衅鞯奶畛涿芏冗M(jìn)行更改，從而靈活調(diào)節(jié)傳感器的量程與靈敏度，可以依據(jù)實(shí)際的測量需求，快速定制化地進(jìn)行不同類型傳感器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)。

圖6 OFDR壓力傳感器壓壞試驗(yàn)

本標(biāo)定試驗(yàn)采用了填充密度為40%的模型，逐級采用2.83 MPa(F＝2 kN)、5.66 MPa(F＝4 kN)、8.49 MPa(F＝6 kN)三級垂直應(yīng)力對該模型進(jìn)行循環(huán)加卸載的標(biāo)定試驗(yàn)，每級應(yīng)力進(jìn)行10次循環(huán)加卸載。如圖7所示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖，在各級應(yīng)力下，OFDR壓力傳感器的各個(gè)點(diǎn)位都具有穩(wěn)定的應(yīng)變變化量，且10次加卸載的應(yīng)變變化量趨于一致，這表明PLA封裝耗材具有良好的彈性恢復(fù)能力。

圖7 標(biāo)定試驗(yàn)中，壓力傳感器應(yīng)變量隨三級循環(huán)荷載的變化

如圖8正方形圖標(biāo)所示，三級應(yīng)變變化量分別為:137.24με、572.32με、1103.76με，通過進(jìn)一步對數(shù)據(jù)擬合得出OFDR壓力傳感器的應(yīng)變變化與相對應(yīng)的加載應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，其線性度達(dá)到0.99。三級壓力加卸載試驗(yàn)對應(yīng)于壓壞試驗(yàn)的應(yīng)變量分別210.24με、744.39με、1 415.61με，其與標(biāo)定試驗(yàn)的應(yīng)變變化量具有一定誤差，差值分別為73με、172.07με、311.85με，由于三級循環(huán)荷載試驗(yàn)控制萬能試驗(yàn)機(jī)的加壓方式是等值加壓，而壓壞試驗(yàn)控制萬能試驗(yàn)機(jī)是通過控制橫梁位移加壓，兩個(gè)試驗(yàn)的加壓方式不同導(dǎo)致了傳感器測量到的應(yīng)變值存在一定的差異。如圖8三角形圖標(biāo)所示，通過數(shù)據(jù)擬合得出OFDR壓力傳感器的循壞加載試驗(yàn)與壓壞試驗(yàn)應(yīng)變變化量的差值與加載壓力之間的函數(shù)關(guān)系，其線性度達(dá)到0.98。

圖8 壓力傳感器應(yīng)變量與應(yīng)力之間的函數(shù)擬合

4 結(jié)論

本研究結(jié)合增材制造技術(shù)制作OFDR壓力傳感器，利用3D打印技術(shù)的靈活調(diào)節(jié)性，改變模型的填充密度，進(jìn)行本傳感器的研究與制作，得出以下結(jié)論:

①分布式光纖可成功地在3D打印的過程中嵌入到打印模型的內(nèi)部，從而實(shí)現(xiàn)3D打印OFDR分布式壓力傳感器的制備。分布式光纖在打印封裝的過程中實(shí)時(shí)記錄的封裝模型應(yīng)變數(shù)據(jù)表明:打印耗材堆積過程中，溫度變化和耗材堆積所引起的耗材拉伸與收縮變化較為均勻，因此采用增材制造技術(shù)以及PLA打印耗材對壓力傳感器進(jìn)行打印封裝是合適的。

②本傳感器制作中，當(dāng)封裝密度分別為20%、40%、60%、80%、100%，且封裝材料與封裝尺寸分別為PLA打印耗材、圓柱體(直徑30 mm，厚度10 mm)模型時(shí)，應(yīng)力傳感器的最大量程分別為4.00 MPa、8.80 MPa、11.88 MPa、7.92 MPa、3.828MPa。其對應(yīng)的靈敏度依次為:0.269με/kPa、0.203με/kPa、0.165με/kPa、0.149με/kPa、0.101με/kPa。隨著密度增大，靈敏度呈現(xiàn)減小趨勢。

③傳感器標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)力傳感器應(yīng)變變化與應(yīng)力變化呈線性相關(guān)；在10次循環(huán)加卸載測試中，傳感器在各級應(yīng)力下的應(yīng)變變化始終保持良好的穩(wěn)定性，PLA打印耗材彈性恢復(fù)能力良好。

采用增材制造技術(shù)可制備不同封裝材料、封裝密度、封裝尺寸的OFDR壓力傳感器，從而靈活調(diào)節(jié)壓力傳感器的量程、靈敏度等，適用于不同的工況。