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1 光纤Bragg光栅应变传感特性 FBG的基本原理是,利用外界待测量的变化, 按照一定的映射关系,调制Bragg中心波长λB,通过对中心波长变化量的监测,实现待测参数的测量。光纤Bragg光栅中心波长λB满足Bragg定理,可表示为 λB=2neffΛ(1) 由式(1)和弹光效应可知 ΔλB λB=ε-n2eff2[p12-ν(p11+p12)]ε(2) 式中:ΔλB为光栅中心波长变化量;neff为有效折射系数;Λ为光栅间距;p11、p12为光纤的弹光系数;ε 为应变;ν为石英光纤的泊松比。在式(2)中引入常数Kε,则有 Kε=ε-n2eff2[p12-ν(p11+p12)] (3) 可得到 ΔλB λB= Kεε(4) ΔλB= KελBε(5) 对于本文中所用FBG,经过等强度梁法标定为 Kε=0.774×10-6/με,λB=1 549.6 nm,代入式(5) 得应变灵敏度系数为1.2 pm/με。由于采用的光纤不同以及写入光栅的工艺、退火工艺的差别,不同光纤光栅的传感灵敏度有差异, 尤其是光纤光栅经过封装后,封装材料会极大地改变光纤光栅的传感特性。因此,封装后的光纤光栅必须经过标定才能用作实际测量。
2 光纤Bragg光栅传感器设计与性能 2.1 传感器设计结合沥青混凝土路面的特点,设计了一种光纤 Bragg光栅传感器,如图1所示。图1 FBG传感器结构根据道路施工的特点,传感器需要满足抗压、耐高温的要求。传感器的外观是圆柱形,使用直径为 4 mm的钢条。在钢条上开槽,将FBG布设在所开槽内,沿轴向用502胶粘贴在已开的槽道中点位置, 待粘贴牢固后,用环氧树脂将槽道封死,以保护光栅。考虑到沥青混凝土的应变通常取最大骨料3倍距离的平均应变,故将杆件长度定为130 mm,两端分别套入螺帽,可起到固位和保护光纤的作用。为防止尾端受力破坏,外部套入铠装电缆。车轮对路面产生的压力传递到钢条上,钢条发生变形,引起 FBG中心波长漂移,通过监测漂移量,便可以得到沥青混凝土内部沿传感器轴向的应变值。
2.2 传感器性能试验试验使用的FBG栅区长度为10 mm,使用砝码进行加载,采用光谱仪(型号AQ 6317C)进行数据采集。不锈钢弹性模量为198 GPa,泊松比为0.3。 18长安大学学报(自然科学版) 2011年加载试验从荷载0 N开始,每116 N一级,一直加载至1 044 N;然后进行卸载,重复3次循环。每次加载后稳定3 min,再进行数据采集。在试验进行过程中,始终保持室内恒温,以免温度变化影响测试结果[8]。试验标定结果如图2所示,R2为判定系数。图2 波长与应变的关系离散点为所测数据,根据最小二乘法拟合直线, 即有 λ=0.001 1εFBG+1 549.6 R2=0.998 8(6) 式中:λ为波长;εFBG为传感器发生的应变。从图2拟合曲线可以看出,线形拟合直线斜率为1.1 pm/με,重复性好。在该种封装工艺下,光纤光栅的应变灵敏度系数与裸光纤光栅的理论应变灵敏度系数基本吻合,说明此种光纤光栅封装工艺基本没有改变光纤光栅的应变传感特性,能够满足沥青混凝土内部现场应力、应变的测量需求。
3 试验与分析 3.1 静态试验为了验证光纤光栅传感器测量应变的可行性, 采用SMA-13沥青混凝土制作车辙试件,油石比为 6.0%[9]。将传感器埋入制作好的试件中,传感器铺设于距表面1.5 cm处的试件中间位置,如图3所示。试验在恒温下进行,静载试验采用砝码进行加载,加载区域直径为200 mm,加载从0 N开始,按照每一级102 N进行,一直加载到1 530 N;然后进行卸载,试验一共进行了3个循环,如图4所示。通过静态试验可知,荷载(x)与传感器监测到内部结构应变(y)的曲线拟合公式为 y=0.038 7x-0.556 6(7) 由式(7)可知,荷载与沿传感器轴向的微应变之间对应的系数为0.038 7με/N,该试验数据点相关系数R为0.99以上,线性与重复性好。在传感器埋图3 传感器的铺设图4 荷载与应变的关系入位置,随着加载力的增大,该点轴向应变增大,很好地反映出该点单向应变场的变化。传感器铺设时与沥青混凝土之间出现很小的缝隙,初步加载时荷载没有完全传递到传感器,开始阶段采集数据存在误差;随着荷载的增大,沥青混凝土逐渐密实,后期采集数据趋于正常。由于沥青混凝土与传感器不是同一种材料,之间并不是刚性连接,弹性模量存在匹配问题。但在实际应用中,通过对传感器进行标定, 这个偏差对实际测量没有影响。
3.2 动态试验在实验室进行了车辙试验,模拟汽车轮载动态作用下,沥青混凝土内部应变场响应情况。采用胶轮加载,轮宽为50 mm,橡胶厚度为15 mm,胎压为 0.7 MPa。试验进行时,室内密闭,保持恒温,不需要温度补偿。动载试验系统如图5所示。解建光,等:光纤Bragg光栅监测沥青混凝土应变试验启动试验机,采用美国MOI公司生产的si425 光纤光栅解调仪采集数据,分辨率为1 pm,采样频率为250 Hz。胶轮对试件往返碾压,试验进行了5 h,大约采点450×104个,数据量巨大。为了绘图方便,按照每隔600 s采集2 s的方法,剩余大约 32 000个点,绘制图形如图6所示。得到中心波长变化规律,反应了沥青混凝土内部结构的变化趋势。图6 沥青混凝土5 h变化趋势通过5 h的动载试验以后,结构动载响应接近稳定,中心波长在5 h之内发生变化大约为180 nm,中心波长变化与应变的变化之间呈现一个对应的关系,故计算出混凝土结构发生了约为198个微应变。
将前5 h波形变化趋势分为3个阶段S1、S2、 S3。S1阶段加载时波长响应增加趋势较陡,波长变化剧烈,由于开始阶段混凝土结构不密实,因此趋势变化较大;随着动载作用次数的增加,在S2阶段可以看出,波形趋势比S1阶段偏缓,呈线性变化,混凝土处于线性变化,沥青混合料处于弹性变化阶段;随着时间的增加,波形增长趋势减缓,在S3阶段,沥青混合料内部结构应变趋于稳定,不再发生变化。前期5 h数据经过拟合之后,得到中心波长随着时间t 变化的发展规律,即 λB=-1.48×10-9t2+1.28×10-5t+1 549.292 (8) 从式(8)可以看出:整个变化趋势呈现一个二次多项式的规律,其中二次项系数很小,可以忽略,因此可以看成一个接近线性的变化趋势;整个变化趋势反映了沥青混凝土内部在受到外部长期荷载以后的一个变化趋势,为研究沥青内部结构响应趋势变化规律提供了依据。经过5 h的动载作用,传感器波形响应良好,传感器自身没有发生破坏,具有较高强度,能够满足道路施工和沥青路面应变监测的要求。
3.3 ANSYS仿真分析为了研究传感器现场测试精度,选用有限元 ANSYS模拟计算传感器布设到车辙试件中的静态加载情况下的应变,并与测量结果进行对比。结构的求解过程分为:①建模、设置属性;②网格划分;③ 加载求解结果。选用ANSYS中的Solid45的8节点实体单元进行网格划分,荷载作用区域网格加密, 一共划分4 500个单元。通过计算,得到沥青混凝土内部结构传感器轴向应变值,将仿真计算值与实测值进行分析比较,分析结果如图7所示。有限元分析与采集数据的比较荷载Q与传感器轴向应变εANSYS之间的关系为 εANSYS=0.041 7Q-0.748 9 (9) 其中,R2=0.999 8,斜率为0.041 7με/N。在聚合物封装前,由于光纤光栅表面不完全清洁,使得光栅和聚合物不能充分接触,导致光纤光栅和聚合物之间不能产生较强的摩擦力,并且由于在封装过程中聚合物内部有一些气泡,影响了新型传感器的灵敏度。再者,由于聚合物稳定性能的问题,以及传感器与混凝土之间并不是完全粘结,故在碾压成型过程中传感器位置发生了微小的位移,造成试验数据的变动,但依然能够反映沥青混凝土内部结构的应变情况,满足对沥青混凝土应变监测的要求。对于设计的传感器需要对荷载与应变进行必要的修正,增加一个修正因子,即传感器应变灵敏度修正因子η,将试验值与理论值相比较,η=0.928。
