碳纖維復合材料封裝光纖Bragg光柵

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定性好等一系列優點，近幾年已廣泛應用于土木工程結構中，起加固的作用。

光纖傳感器有許多突出的優點：靈敏度高、動態范圍大、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影響甚小，能實現無損埋設，與待測材料有著良好的相容性，并且可以以網絡鋪設實現全方位監測，極大提高安全監測的有效性。

結合碳纖維增強復合材料和光纖傳感技術的優點，可以制成先進的光纖智能結構／智能蒙皮。在以往的智能結構中采用點式傳感器，收集和處理這些數據比較復雜，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)會對光纖中傳輸的光進行調制，將有關信息調制在光纖中傳輸，通過解調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合，既能起到增強結構的作用，又能隨時監測被測物體。

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構受力Fig.1 Microstructural force analysis of CFRP

圖1為碳纖維復合材料微結構受力分布圖。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光柵是一種集結構保護和結構監測于一體的傳感結構，該結構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。其封裝結構如圖2所示。

圖2 碳纖維材料封裝Bragg光柵結構圖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，在將整個結構粘貼于碳纖維材料時，利用環氧樹脂填充因光纖、緊套光纖和護套等結構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生形變時，粘貼在其上的光纖Bragg光柵隨之產生應變響應。此方案既能加固被測結構體，又能監測結構體的應力變化，形成了集加固與監測功能于一體的智能結構。

3 光纖Bragg光柵埋入碳纖維復合材料中的界面傳遞特性分析

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，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 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，減小對其結構的破壞。

（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層的性能越穩定、界面粘接效果越好，光纖Bragg光柵傳感器的對應變的監測越穩定，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，通過監測相對波長的變化，可以準確地表征結構的應變，可實現對結構的應力應變在線監測。

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