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结构健康监测中光纤光栅传感技术(四)光纤光栅应变传感器

更新时间:2016-04-25 08:53:09点击次数:6013次字号:T|T

与一般传感器的设计类似,光纤光栅传感器的设计也要遵循以下的基本原则

1)相容性

将光纤传感器成功应用于工程结构领域,其最重要的技术难点之一就是传感器与被测结构之间的相容性问题,即传感器与被测结构的变形匹配问题,传感器以与被测结构材料基质的性质越相近越好。尽量避免或减小对被测对象物理特性的影响,必须从以下几个方面考虑:

强度相容:埋设或粘贴的传感器不能影响被测结构的强度或者影响很小。

界面相容:传感器的材料外表面与结构材料要有相容性。

尺寸相容:传感器的长度要与结构构件相比体积应尽量小,保证传感器与待测结构变形相匹配。

场分布相容:传感器材料不能影响待测结构的各种场分布特性,如应力场。

2)传感特性

裸光纤光栅是优良的传感元件,在封装后要尽量保持其固有的优良特性,而其传感特性与封装结构、封装材料和封装工艺密切相关。

3)工艺性

传感器的设计要尽量简单、便于加工,封装的各个传感器的各项性能指标要保证基本一致,以达到对传感器的一致性和重复性的要求,便于批量生产。

4)使用性能

传感器的安装、保护和调试要简单、方便,最好可重复使用,并满足大型工程结构现场的施工要求。

光纤光栅传感器的设计最终目的,是为了在实际工程上的应用。因此在光纤光栅传感器的设计过程中,除了需要考虑光纤光栅传感的基本原理外,还应当考虑到实际工程应用过程中的复杂情况。归纳起来,实际工程化对光纤光栅传感器的设计工作提出了以下的要求:

一、性能指标要求

即传感器的感测物理量与传感器中心波长之间的函数关系要准确,产品一致性、量程和测量精度满足工程要求。

二、稳定性和重复性要求

要求传感器的稳定性高,尤其是长时间测量的稳定性与重复性保证在1%FS

三、工程适应性

便于工程安装,安装过程不影响传感器性能。传感器保护好,传感器本身和串接的光纤连接安全科学,正常工程施工活动不会对传感器和连接光缆造成损坏。

四、寿命要求

与建筑结构的使用寿命相关,一般建筑设计使用寿命30年,大型桥梁50年,大坝100年。传感器产品寿命目前没有国家标准要求,一般根据测试需要确定。

五、符合标准和使用习惯

产品符合国家标准和工程的使用习惯,对尚没有国家标准的新产品,应尽可能参照传统产品的标准和尺寸。

工程化光纤光栅传感器件的设计主要从三个方面着手:一是结构设计,二是材料选择,三是工艺选择。虽然光纤光栅传感器是一种新型传感器,但在设计产品时应尽可能的参考传统传感器。如此,一方面可以吸收传统传感器在设计上的优点,另一方面做出的传感器在性能和外观上使客户容易接受。

一、结构设计

传感器的结构设计的目的,是使传感器对被测物理量敏感,同时尽量对其他物理量减敏,并使传感器的结构具有良好的稳定性,易于加工和生产。针对不同的被测物理量,需要采用不同的结构设计方法。

二、材料选择

由于不同材料的物理性质和化学性质不同,如弹性模量不同(即受力不同)。因此,需要针对具体应用场合选择合适的材料。若应用在高温环境中,则需要采用耐高温材料对光纤光栅进行封装。

三、工艺选择

在确定了传感器的结构并选定了使用材料后,选择合适的封装工艺就成为决定光纤光栅传感器质量的重点。为此,必须进行大量的技术探索和工艺实验,以便获得工程化光纤光栅传感器的实际研制经验。

1.1     光纤光栅应变传感器

作为传感用的光纤光栅最初是应用于航空、航天等军事领域。它能测量多种物理量,如应变、应力、温度、振动、压力等。其中应变是反映材料和结构力学特征的重要参数之一,从材料和结构中的应变分布情况能够得到构件的强度储备信息,确定构件局部位置的应力集中以及构件所受实际载荷状况。在对钢筋混凝土结构的监测中,通常是利用电阻应变计进行应变监测。但是由于电阻应变计的诸多缺点,如易受电磁信号干扰、易受外界环境腐蚀、埋入工艺复杂、寿命短、导线埋入数量多等,所以使其无法满足实时、在线的结构监测要求。近年来,人们进行了大量的工作,利用光纤光栅(FBG)替代电阻应变计,将之埋入到混凝土结构中来监测应变。美国多伦多大学的Measures等人在1993年在Calgurg市的世界首座预应力碳纤高速公路桥上埋入了光纤Bragg光栅,并对其内部的应变变化状况进行了监测。香港理工大学的Chan等人利用布拉格光栅测量了被复合材料包裹的矩形截面混凝土梁的应变。

由于裸光纤光栅非常纤细,直径只有125μm,其抗剪能力很差,在混凝土浇注过程中难以存活,将之单独埋入到混凝土中非常困难,所以一般是将裸光栅粘贴在受力筋、结构表面或者采用特殊方式封装光纤光栅后埋入混凝土;在表面粘接测量时,裸光纤光栅安装工序比较繁琐,而且需要现场的光纤焊接工作,在粗放式的施工条件下,安装工作很难进行。

目前,国际上光纤光栅传感器主流的封装方式为表面粘贴式和细径管保护式。表面粘贴式将光纤光栅首先粘贴在胶基基片或者刻有凹槽的刚性基板上,做成传感器并保护好接头后使用。有时也将光纤光栅直接粘贴在待测结构表面,但由于粘贴工艺复杂成功率低而较难在实际工程中大范围应用。细径管保护式通过将裸光纤光栅放入直径较小的钢管中,中间灌满环氧树脂等胶加以保护。由于具体的实际封装工艺和措施一般是各公司的保密技术,文献中鲜有介绍。英国的Smart Fibers公司将FBG粘在胶基板上;而瑞士的Smartec通过管式封装以补偿温度的影响;Whelan等将FBG封装在钢管中两端固定在大理石板上,监测意大利Como湖畔的大教堂。国内,周智博士等开发了不锈钢毛细管式封装的光栅光纤传感器,李东升等将光纤光栅封装在有机玻璃板上对同样是有机玻璃材料的单立柱导管架海洋平台模型进行了试验测试。

应变直接影响光纤光栅的波长漂移,在工作环境较好或是待测结构要求精小传感器的情况下,人们将裸光纤光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面或者是埋设在结构的内部。由于光纤光栅比较脆弱,在恶劣工作环境中非常容易破坏,因而需要对其进行封装后才能使用。

1.1.1         基片式封装

基片式封装包括金属基片封装和树脂基片封装。如图4.1所示,封装结构主要由金属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。该封装结构的基本思想是将光纤光栅封装在刻有小槽的基片上,通过基片将被测结构的应变传到光栅上。小槽的主要目的是增大光纤光栅与基片的接触面积,使其形成有机的整体,同时起到保护光栅的目的。

图4. SEQ 4. \* ARABIC 1 基片式封装的光纤光栅应变传感器示意图

这种传感器结构简单,易于安装,但容易产生应变传递损耗,使得测量精度有所降低。另外,光纤的保护也是这类型传感器需要注意的问题。

1. 树脂基片封装

图4. SEQ 4. \* ARABIC 2 树脂基片式封装的光纤光栅应变传感器外观图

4.2MOI公司推出的一种采用树脂薄片封装的光纤光栅应变传感器。该封装结构的基本思路是将光纤光栅封装于树脂薄片内部中。树脂薄片粘贴于被测物体表面。当被测物体发生形变时,应变传递到树脂薄片上,再传递于光纤光栅上,使其波长发生变化。

2. 钢片封装


提出了一种基于钢片封装的光纤光栅应变传感器。封装结构如
4.3所示。厚度为2mm的工字型钢片,中部钢片宽5mm,长100mm。两侧钢片宽20mm,长30mm。在中部钢片的两侧各焊接厚度5mm,直径20mm的圆形钢片以增加封装结构与基体混凝土材料的锚固。在圆形钢片上预留3mm×3mm方孔以方便光纤的布设。他们将封装结构用固定在钢筋架上的金属丝固定在试验梁跨中混凝土截面中,这样就避免了振捣棒与之接触。实验证明,这种封装结构的传感器存活率高,应变变化与波长变化的线性度好,但测量点应变的传递损耗为21%,这与封装结构所选的衬底、粘接层以及固定方法都有关系。


3. 钛合金片封装


于秀娟等人开发了一种基于钛合金基片封装的光纤光栅应变传感器。传感器的钛合金片封装工艺如图4.4所示。将FBG用双组分的M-Bond 610胶封装在刻有细槽的钛合金片内部,钛合金的编号为TC4。封装时,保证FBG平直并位于细槽的地面中轴线上。用注射器向槽内注入M-Bond胶时,要适当加热以增加胶的流动性,保证槽内充满密实,并减小形成气泡的可能性,还要保证胶不溢出槽外。为了保护两端的光纤,分别在两端加上保护套,而保护套可以固定在钛合金片两端预先加工的开孔内。

为了研究钛合金片封装后的FBG传感器的应变传感特性,把封装好的2FBG传感器(分别为1550.4nm1550.6nm)和裸FBG(1546.5nm)502胶粘帖于经过抛光处理的等强度梁上,同时在相应的位置布设高精度的电阻应变片,通过砝码加载,得到的波长应变曲线如图4.5所示。从图可以看出,2个钛合金片封装FBG传感器应变传感的线性很好,经过线性拟合和得到波长和应变的相关系数分别为0.999870.99990。与裸FBG的波长应变相关系数1.00000相比,说明钛合金片封装FBG具有良好的应变传感性能。

为了研究钛合金片封装FBG的温度传感特性,把封装好的FBG放温控箱中,温控箱的温度分辨率为0.1℃。从室温开始加热,加温间隔为5℃,一直加热到70℃。为了减小由温度不平衡带来的误差,均在恒温后1h记录数据,实验结果如 4.6所示。测得的钛合金片封装FBG的温度灵敏度系数为19.7pm/℃

这种钛合金片封装FBG传感器结构简单,而且很容易安装到被测物的表面,通过复用可以监测大范围空间内的应变情况,在航空航天结构、飞机蒙皮、海洋平台和大型建筑结构的健康监测中有着很好的应用前景。

1.1.1  嵌入式封装

1. 高分子材料

图4. SEQ 4. \* ARABIC 7 嵌入式光纤光栅应变传感器

Moyoa等人开发了一种碳纤维材料为基体的光纤光栅应变传感器,结构图如图4.7所示。传感器长度为50mm,厚度为5mm。光纤光栅嵌入了碳纤维材料中,由于存在应变传递损耗,改变了光纤光栅的应变灵敏度,因此需要对该应变传感器进行标定实验。将光纤光栅传感器和电阻应变片相互紧贴的安装在钢筋上,使用万能试验机对钢筋进行拉伸实验,同时记录光纤光栅和电阻应变片的响应。图4.8为该传感器的应变标定结果图。这两种传感器的相关系数为0.99,光纤光栅应变传感器的应变灵敏度系数为1.06pm/με

图4. SEQ 4. \* ARABIC 8 嵌入式光纤光栅应变传感器标定结果

金属管式封装

管式封装应变传感器主要由封装管、光纤光栅、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。有的传感器设计者考虑到传感器埋入结构中使用的便利性,还在钢管两端设置限位金属环。有人设计了一种带金属环的半金属套管用以封装光纤光栅,这里的定位环起固定光纤光栅的作用。当用丙酮溶解特种胶分离光纤光栅时,会将光纤光栅与半金属套管粘贴初的特种胶溶解,由于光纤光栅本身有一定的弹性和强度,光纤光栅会弹起并移动位置,而定位环使半金属套管取下后光纤光栅与半金属套管仍然固定在一起,因而再次粘贴光纤光栅过程中当需要移动光纤光栅时只需移动与光纤光栅固定在一起的半金属套管即可。图4.19给出用于封装光纤光栅的半金属套管。



管式封装工艺应注意以下问题

(1) 光纤光栅毛细管封装的核心工作是封装工艺,封装时必须保证光纤光栅准确平直的在毛细管的正中间,若光栅不在毛细管的正中间,就会导致传感器本身与待测结构之间存在一个夹角,从而不能准确的传递应变。

(2) 传感器外部的管式材料必须具有:耐腐蚀、疲劳特性好、弹性范围宽、与基体材料粘接性能好等特点。考虑到不锈钢与土木工程中常用到的混凝土或钢材等材料有很好的粘接性,其温度膨胀系数也基本一致,而且具有较好的抗腐蚀性能,推荐采用不锈钢材料。

(3) 胶粘剂的选择也必须考虑结构应变传递和长期监测需要,因此胶粘剂必须适用于光纤和不锈钢的粘接性能,需要具有较高的抗剪强度和耐久性,能够满足封装过程的顺利进行,而且需要具有一定的耐高温的性能。

(4) 采用注胶法封装光纤光栅时,应避免胶粘剂内产生微气泡,否则当胶粘剂固化时,会使光纤光栅产生不均匀变形,从而产生反射波长多峰值现象。

1.       传感器结构

任亮、李宏男等人开发了一种毛细钢管封装的光纤光栅应变传感器,既可以粘贴于被测物体表面,也可以埋入结构内部测量其应变变化情况。

光纤光栅管式封装应变传感器的基本结构形式如图4.20所示。这种传感器的结构主要由毛细钢管、光纤光栅、传输光纤、光纤套管以及胶粘剂组成。



光纤光栅管式封装的核心工作是封装工艺,因为该工艺必须保证光纤光栅封装后准确平直地在钢管的中心位置。若光纤光栅不对直,就会与待测方向存在一个夹角而不能准确传递真实的应变。此外,封装工艺还必须具有可重复性,保证封装传感器传感特性的一致性。在这里采用了光纤精密调整架作为封装平台,可以高精度的调整光纤光栅位置,极大的提高了光纤光栅在封装过程中的准直度;采用高压注胶法将环氧树脂胶均匀的灌入,且完全充满毛细管。待胶高温固化后,传感器即制作完成。

这种管式封装光纤光栅应变传感器封装工艺不仅可以充分保证光纤光栅准确对中的处于毛细钢管的正中央,而且可以保证胶粘剂完全充满毛细钢管。这种封装工艺简单易行,重复性好,可以使同批生产的光纤光栅应变传感器基本上具有相同的传感特性,只需部分标定就可以用于实际应变测量工作。该封装工艺具有加工方便、成品率高、成本低廉等优点,可以满足工业化大批量生产需要。


1)粘贴于金属钢板上的应变传感试验 采用的毛细钢管外径为1.2mm,内径为0.8mm,长度为40mm。粘贴胶接剂采用普通环氧树脂胶。将封装好的管式光纤光栅应变传感器使用环氧树脂胶粘贴于经过抛光处理的弹簧钢板上,在相应位置布置裸光纤光栅,然后将钢板在万能试验机上进行拉伸,钢板从0με逐点拉伸至500με,然后逐点卸载至0με;有机玻璃板从0με逐点拉伸至500με,随即逐点卸载至0με。试验过程如图4.21所示。在线弹性范围内,管式封装光纤光栅传感器与裸光纤光栅可以视为相同的应变值。试验结果如图4.22所示。


从管式封装光纤光栅传感器的波长变化应变关系曲线可以看出,管式封装光纤光栅传感器具有良好的线性关系,相关系数均达到了0.999以上。与裸光纤光栅对比,灵敏度存在一定的差异。

2)粘贴于有机玻璃板上的应变传感试验 为了研究不同基体材料对光纤光栅传感器应变传递率的影响,我们将一只管式光纤光栅应变传感器粘贴于有机玻璃板上对其应变特性进行研究。所采用的毛细钢管外径为1.2mm,内径为0.8mm,长度为40mm。粘贴胶接剂采用普通环氧树脂胶。将封装好的管式光纤光栅应变传感器使用环氧树脂胶粘贴于有机玻璃板上,在相应位置布置裸光纤光栅,然后将钢板在万能试验机上进行拉伸,钢板从0με逐点拉伸至500με,然后逐点卸载至0με;有机玻璃板从0με逐点拉伸至500με,随即逐点卸载至0με。试验过程如图4.21所示。在线弹性范围内,管式封装光纤光栅传感器与裸光纤光栅可以视为相同的应变值。试验结果如图4.23所示。

在有机玻璃板的应变标定实验中,管式光纤光栅和裸光纤光栅的应变灵敏系数均有着显著的降低。这说明对于不同的基体材料,光纤光栅传感器具有不同的应变灵敏系数aε。相对于裸光纤光栅,管式光纤光栅传感器的应变灵敏系数降低的更为明显。这是由于管式光纤光栅的芯径比较大,在传感器的位置形成了一个加强区域,使得应变传递滞后,降低了传感器的应变灵敏系数。


金属材料具有可焊、耐久、性能相对稳定等特性,是理想的光纤光栅封装方案。但是,金属材料一般具有熔点高、硬度大、与非金属石英光纤表面浸润性不好等性能,不能直接将金属材料用于融焊封装光纤光栅。随着近代技术的发展,目前已经出现非金属表面金属化的多种工艺方法,如真空蒸镀法、溅射法、离子镀法、离子束沉积法、电子束沉积法、准分子激光蒸镀法等物理的非金属表面金属化方法以及诸如化学还原法、化学气相沉积法(CVD)、高温分解法(热喷涂法)、溶胶-凝胶法、电浮法、电化学沉积法、化学沉积法等化学的非金属表面金属化方法。

就光纤表面金属化问题而言,国外一些学者较早注意到这个问题,美国的Bnbel等于1989年对用于密封处理的表面金属化光纤的力学性能的可靠性进行了研究,表明其结果可靠;1998年,美国的Robert等人开发出石英光纤表面金属化封装化学镀技术并进行了专利保护。国内对这方面的的研究较国外晚,电子科技大学的迟兰洲、张声峰最早从事这方面的研究,初步提出了光纤表面金属化预处理的基本工艺流程及其机理、南京航天航空大学的杨春等人研究了在光纤端面镀镍膜和银膜,并对镀后的镍膜和银膜进行了稳定的热处理,提高了镀膜与基体的结合强度,福州人学的旷戈研究了银活化、把活化、银把混合活化对光纤表面镀层质量的影响,李小甫等从通讯光纤的保护角度对光纤表面的金属化下艺,如表面镀镍合金等下艺方法进行了有效的研究,并形成了较好的下艺方法。光纤表面金属化下艺改变了光纤保护、粘结必须依靠胶粘剂的被动局面。

针对工程化应用光纤光栅封装传感器的要求,光纤光栅的金属化封装工艺必须满足:低温(小于300℃);生成的膜可导电,以满足后续的电镀加厚工艺要求;附着力高,疲劳性能好;镀层本身延展性好等要求。由于光纤光栅采用的光纤经过载氢和紫外光写入照射,其强度有所下降,因此其金属化工艺要求严格。根据目前己有的光纤金属化工艺技术,实现光纤光栅表面的金属化处理。

1. 光纤光栅的预处理

光纤是非导体,为了获得理想的镀层,需要对光纤进行预处理,这一步非常重要,因为它的好坏决定着后面镀层的好坏。预处理包括去保护层、粗化、除油、粗化、敏化和活化。

1)去保护层(Removing coating):由于光纤外面包裹有一层硅烷树脂或环氧树脂等类的保护层。为了以后的埋入效果,必须去除这层保护层。可以使用丙酮浸泡光纤25 分钟左右除去这层保护层。

2)除油(Removing grease):在粗化之前,必须清除裸光纤表面上的油污。经过除油的光纤表面能很快被水浸润,为化学粗化作好准备,这对提高镀层的结合力与维护粗化液的纯洁性是有很大好处的。本实验用超声波酒精清洗,最后用超声波蒸馏水洗。

3)粗化(Coarsening):未经粗化的光纤表面很光滑、平整,镀层很难上去,粗化目的是增大光纤的表面微观粗糙度和接触面积,以及亲水能力,以此来提高光纤与镀层的结合力和湿润性。粗化有机械粗化和化学粗化等方法,光纤又细又脆,只能使用化学粗化的方法。一般来说。化学粗化有两种作用:第一是浸蚀作用。强酸、强氧化性的粗化溶液对光纤表面产生化学浸蚀,使光纤表面形成凹槽和微观粗糙度及多孔性结构。第二是氧化作用。强酸、强氧化性的粗化液,还能使光纤表面的部分分子链断裂,促使光纤更加的亲水性。可使用的粗化液配方为:氢氟酸:氟硅酸:=1:1:3。粗化时间不宜长,否则会破坏光纤,一般10min 左右。粗化后用超声波蒸馏水清洗。

4)敏化(Sensitization):经粗化后的光纤,表面达到了亲水,敏化就是在经过粗化后的光纤表面上,吸附一层容易还原的物质,以便在下面活化处理时通过还原反应,使塑料表面附着一层金属薄层,它能胜任化学镀的载荷电流。氯化亚锡(SnCl2)是最普遍使用的一种敏化剂。配方和工艺条件如下:氯化亚锡10g/l,盐酸40ml,锡条一根,温度2535°C,时间10minpH 12。光纤经过敏化处理,表面吸附的敏化液在清洗时发生水解反应,反应式为

SnCl2+H2O→Sn(OH)Cl+HCl

同时SnCl2+H2O → Sn(OH)2+2HCl

Sn(OH)Cl +Sn(OH)2→Sn2(OH)3Cl

这种产物沉积在光纤表面,形成一层几十埃到几千埃凝胶状物质。敏化后用蒸馏水清洗。

5)活化(Activation):活化处理就是给光纤表面一层很薄而具有催化性的金属层。经过敏化后的零件,表面吸附了还原剂,需要在含有氧化剂的溶液中进行反应,使贵金属离子(如钯)还原成金属,在光纤表面形成催化中心,以便在化学沉积中加速反应。所以活化处理过程的实质是播晶种之意。 常用氯化钯进行活化。

2、光纤光栅化学镀镍

化学镀镍(Electroless Ni-plating)技术是在不加外电流的情况下,溶液中的镍离子在具有催化活性的固体表面上被还原剂还原,生成的镍金属原子沉积在固体表面上,形成连续金属镀层的化学工艺技术。化学镀镍技术在材料表面改性领域具有极大的应用前景,是当今发展速度最快的表面处理工艺技术之一。

目前使用最多的镍盐是硫酸镍(NiSO4•7H2O),还原剂通常用次亚磷酸钠(NaH2PO2•2 H2O)。镀液中除了镍盐和还原剂外,通常还有络合剂,缓冲剂等。络合剂用于控制槽液中用于还原反应的游离镍,防止生成氢氧化镍沉淀。缓冲剂用于防止沉积过程中由于析氢所引起的槽液pH值激剧变化。



3、光纤光栅金属化后处理

化学镀镍层厚度比较薄,仅为几个微米。因此有必要对镀镍层进行增厚。另外,镍在空气中容易氧化而失去光泽,通常在镍层上镀上一层金以防止氧化。张文禹等人研究了光纤表面的电镀镍增厚技术,对电镀基本成分及工艺条件对镀层的影响,光亮剂对镀层光亮的影响、电流密度对镀层质量的影响、温度对镀层质量的影响进行了细致的实验分析。

4、镀层性能检测

结合力:热震实验方法,将镀镍光纤放在120℃ 的烘箱中热处理,镀层无开裂、无起皮或剥落现象。

电学性能:用万用电表检测,其导电性能良好。