電熱循環(huán)次數(shù)對(duì)光纖傳感器封裝材料的耐久性試驗(yàn)研究*

饒 蘭， 劉永莉， 肖衡林， 黃思璐

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430064)

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電熱循環(huán)次數(shù)對(duì)光纖傳感器封裝材料的耐久性試驗(yàn)研究*

饒 蘭， 劉永莉， 肖衡林， 黃思璐

(湖北工業(yè)大學(xué) 土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430064)

針對(duì)電熱循環(huán)次數(shù)對(duì)光纖耐久性的影響，選取英國(guó)進(jìn)口光纖，采用循環(huán)通電加熱光纖金屬鎧的室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了不同電熱循環(huán)次數(shù)下光纖的拉力—位移曲線，得到不同電熱循環(huán)次數(shù)下光纖金屬鎧最大抗拉力；分析了光纖極限抗拉力—加熱循環(huán)次數(shù)關(guān)系，得到光纖金屬鎧耐久性推算公式。研究結(jié)果表明：隨著電熱循環(huán)次數(shù)的增加，光纖金屬鎧最大抗拉力不斷減少且減少的速度越來(lái)越快。研究結(jié)果對(duì)相應(yīng)工程合理選擇與之耐久性相適應(yīng)的傳感光纖有重要的指導(dǎo)意義。

光纖； 金屬鎧; 耐久性； 電熱循環(huán)次數(shù)； 試驗(yàn)

0 引 言

光纖傳感器由于具有耐腐蝕、抗電磁干擾、長(zhǎng)距離和高精度等諸多優(yōu)點(diǎn)[1,2]，在軍事、航空、民用建筑健康監(jiān)測(cè)、冶金、能源化工領(lǐng)域、溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，近十幾年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn)[3～5]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為兩大方向：光纖傳感技術(shù)的研究及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)研究[6]，然而關(guān)于光纖材料耐久性方面的研究卻很少。

裸光纖外形纖細(xì)，外徑約為125 μm，質(zhì)地特別脆弱，抗剪能力差，難以直接用于工程監(jiān)測(cè)，因此需要對(duì)光纖進(jìn)行封裝保護(hù)[7]。光纖封裝材料可分為金屬材料和非金屬材料，金屬材料一般為銅和鋁等，非金屬材料一般為環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠等[8，9]。封裝后的光纖傳感器可以看作由傳感基體、光纖光柵、封裝部分等構(gòu)成的有機(jī)整體，而使光纖傳感器喪失穩(wěn)定性和可靠性的最主要影響因素是封裝材料的失效。隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)和環(huán)境的變化，金屬材料會(huì)漸漸銹蝕，非金屬材料會(huì)漸漸老化，再加上光纖傳感器工作環(huán)境的惡劣性，如酸雨、土壤、混凝土等酸堿性，溫度變化，干濕變化，菌蟲(chóng)，電化學(xué)，凍融循環(huán)等，勢(shì)必會(huì)加劇老化的速度，影響傳感器的壽命。孟匯等人[10]通過(guò)酸堿加速試驗(yàn),得出不同封裝材料的光纖光柵在酸堿環(huán)境下耐久性不同，并對(duì)其壽命進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

大型工程一般體積巨大且使用年限長(zhǎng)，光纖傳感器埋入其結(jié)構(gòu)內(nèi)部，難以更新替換[11]。一旦光纖過(guò)早地出現(xiàn)耐久性問(wèn)題，不但會(huì)影響監(jiān)測(cè)的結(jié)果，嚴(yán)重的還會(huì)危及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以，對(duì)光纖耐久性研究十分必要。

本文通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)電熱循環(huán)次數(shù)對(duì)光纖傳感器封裝材料金屬鎧耐久性的影響進(jìn)行了研究。得到了不同電熱循環(huán)次數(shù)下光纖金屬鎧最大抗拉力，確定了受電熱循環(huán)次數(shù)影響的光纖金屬鎧耐久性推算公式。這對(duì)工程監(jiān)測(cè)中光纖傳感器合理選擇具有重要意義和參考價(jià)值。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)原理

光纖在工作狀態(tài)下，通常會(huì)不斷通電加熱，非工作狀態(tài)則停止加熱。因此，在長(zhǎng)期的電熱循環(huán)過(guò)程中，封裝保護(hù)層，特別是金屬材料就會(huì)產(chǎn)生劣化，從而影響光纖耐久性。因此，電熱循環(huán)次數(shù)對(duì)光纖金屬鎧耐久性有重要影響。假如光纖在無(wú)不良條件，如酸堿性、溫度、干濕變化等的環(huán)境下工作，影響光纖耐久性僅為電熱循環(huán)次數(shù)，因此，可以認(rèn)為其耐久性指標(biāo)主要由強(qiáng)度來(lái)控制，于是可以用抗拉力來(lái)評(píng)價(jià)其耐久性。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用50/125英國(guó)進(jìn)口鎧裝光纖，纖芯為SiO2，包層為不銹鋼金屬鎧，涂覆層為塑料保護(hù)層。在恒溫環(huán)境下進(jìn)行，采用型號(hào)為T(mén)DGC2—5的高精度高功率調(diào)壓儀對(duì)光纖通電加熱，假設(shè)光纖受熱過(guò)程中對(duì)恒溫室環(huán)境溫度沒(méi)有影響，在電熱之前將光纖連接分布式光纖測(cè)溫儀，測(cè)得光纖溫度與恒溫室溫度相同。對(duì)光纖進(jìn)行電熱處理，設(shè)置加熱功率為13 W/m，加熱時(shí)間為15 min，通電加熱完成后冷卻至初始溫度，通過(guò)分布式光纖測(cè)溫儀可以讀出光纖溫度。冷卻后的光纖重復(fù)以上操作，以此為一個(gè)電熱循環(huán)來(lái)模擬電熱次數(shù)對(duì)光纖強(qiáng)度的影響。循環(huán)次數(shù)選擇0～256次。

剝掉電熱后的光纖表面黃色塑料保護(hù)層，保留光纖金屬鎧。分別對(duì)電熱循環(huán)0，2，4，8，16，32，64，128，160，192，256次的光纖金屬鎧進(jìn)行受載拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為帶微機(jī)處理器的電子拉力機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

通過(guò)上述試驗(yàn)，取出典型的受載拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖1為不同電熱循環(huán)次數(shù)下光纖的拉力—位移曲線。由圖1電熱循環(huán)8，64，256次的3組拉力—位移曲線可以很清楚地看出，3組試件的拉力隨著電熱循環(huán)次數(shù)的增加而不斷減少。電熱循環(huán)8，64，256次的3組試件拉力—位移曲線的形狀類似。不同電熱循環(huán)次數(shù)下拉力—位移曲線分為：拉力隨位移快速增長(zhǎng)階段(原點(diǎn)到a點(diǎn))；拉力隨位移緩慢增長(zhǎng)階段(a到b點(diǎn))；拉力保持不變階段(b點(diǎn)以后)。在快速增長(zhǎng)階段，拉力與位移成正比。在電熱循環(huán)8,64,256次 3組的位移基本保持在28 mm，說(shuō)明金屬鎧的延續(xù)基本沒(méi)有發(fā)生變化。

由表1可得出：隨著電熱循環(huán)次數(shù)的增加光纖金屬鎧極限抗拉力不斷下降。0～4次范圍內(nèi)，光纖金屬鎧極限抗拉力沒(méi)有變化。在加熱循環(huán)4次后，極限抗拉力開(kāi)始下降，到第8次循環(huán)時(shí)，抗拉力下降了1.3 %；在8～32次循環(huán)范圍內(nèi)，極限抗拉力一直保持為原始極限抗拉力的98.7 %；循環(huán)加熱64次后，極限抗拉力下降速度變快，下降了26.2 %；循環(huán)加熱次數(shù)達(dá)到256次時(shí)，極限抗拉力降為0.516 7 kN，比初始抗拉力的50%還少。

圖1 不同電熱循環(huán)次數(shù)下光纖的拉力—位移曲線

表1 不同電熱循環(huán)次數(shù)光纖極限抗拉力

為了進(jìn)一步推演光纖的抗拉力，以指數(shù)函數(shù)y=a·ebx對(duì)其進(jìn)行擬合，得到擬合曲線,如圖2所示。

圖2 極限抗拉力與電熱循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線及指數(shù)擬合曲線

該模擬曲線方差為R2=0.965,相當(dāng)接近1。所以用曲線y=1.056 7e-0.003x來(lái)估算光纖在不同電熱循環(huán)次數(shù)下的極限抗拉力是可行的。以該式計(jì)算，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為500次時(shí)，極限抗拉力為0.236kN；當(dāng)循環(huán)次數(shù)為2 500時(shí)，極限抗拉力為0.58N(比一根頭發(fā)絲斷裂強(qiáng)力還小)，此時(shí)極限抗拉力僅為原始的0.005 5 %，在微小工程擾動(dòng)下，就可能發(fā)生斷裂，不再適用于工程監(jiān)測(cè)。因此加熱次數(shù)越多，光纖金屬鎧的極限抗拉力越小。

3 結(jié) 論

1)周而復(fù)始的電熱循環(huán)，會(huì)使光纖金屬鎧保護(hù)層產(chǎn)生劣化，進(jìn)而對(duì)光纖的耐久性產(chǎn)生影響。

2)電熱循環(huán)次數(shù)越多，光纖金屬鎧保護(hù)層抗拉力越小，其耐久性能越差。

3)光纖在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)考慮到這些因素的影響。當(dāng)光纖需要長(zhǎng)期電熱循環(huán)時(shí)，可預(yù)先估算光纖所需的最小拉力，從而選擇與結(jié)構(gòu)所需檢測(cè)時(shí)間相適宜的光纖類型。

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劉永莉，通訊作者，E—mail:maryroseli@126.com。

Experimental research on durability ohmic heating cycle index for fiber-optic sensor package material*

RAO Lan, LIU Yong-li, XIAO Heng-lin, HUANG Si-lu

(School of Civil，Architecture and Environment,Hubei University of Technology,Wuhan 430064,China)

Aiming at effect of ohmic heating cycle times on durability of optical fiber,select optical fiber imported from Britain,laboratory test by circulated ohmic heating metal-clad optical fiber,obtain pull-displacement curve of optical fiber under different ohmic heating cycle times,the maximum tensile resistance of metal-clad optical fiber under different ohmic heating cycle times is obtained.Relationship between ultimate tensile resistance of optical fiber and ohmic heating cycle times is analyzed,durability of optical fiber prediction equation is obtained.Research result indicates that with the increase of ohmic heating cycle times,metal-clad optical fiber maximum tensile resistance continues to decline at an increasingly rapid pace.The results has an important guiding significance to the corresponding project make a reasonable choice to detect sensing optical fiber with same durability.

optical fiber; metal-clad; durability; ohmic heating cycle times; test

10.13873/J.1000—9787(2017)07—0068—02

2016—07—20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51578219) ; 湖北工業(yè)大學(xué)高層次人才項(xiàng)目(BSQD12054)

TU 473

A

1000—9787(2017)07—0068—02

饒 蘭(1990-) ，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感研究。