內(nèi)嵌預(yù)壓式大量程光纖光柵智能鋼絞線的標(biāo)定試驗(yàn)

覃荷瑛，張賀麗，沈全喜，朱萬(wàn)旭

(1.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004)

光纖光柵傳感器具有重復(fù)性好、體積小、耐高溫、抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用到各種工程中[1，2]。鋼絞線作為斜拉橋拉索、大型水壩、大跨度構(gòu)件的體內(nèi)外預(yù)應(yīng)力筋以及大空間結(jié)構(gòu)如體育場(chǎng)、天文臺(tái)等索網(wǎng)支撐體系(FAST工程[3])的索網(wǎng)等結(jié)構(gòu)的核心構(gòu)件，由于使用環(huán)境、荷載作用的不同導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞效應(yīng)、腐蝕效應(yīng)和材料老化等不利因素造成工程的失效，因此必須對(duì)其應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測(cè)[4-7]，防止突發(fā)性事故。在工程上，利用光纖光柵應(yīng)力應(yīng)變傳感器對(duì)鋼絞線進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)已有諸多研究[8-11]。由于光纖光柵自身較脆，抗剪能力差，在承受較大應(yīng)變時(shí)很容易斷裂，通過(guò)對(duì)不同傾斜角度的光纖光柵進(jìn)行研究[12]，并基于ANSYS有限元軟件對(duì)設(shè)置不同角度凹槽的鋼絲進(jìn)行應(yīng)力分析[13]，為提高光纖光柵監(jiān)測(cè)量程及存活率，設(shè)計(jì)了一種內(nèi)嵌預(yù)壓式大量程光纖光柵智能鋼絞線[14]，將光纖光柵粘貼到中心絲的凹槽內(nèi)，以保護(hù)光纖光柵。然而此封裝方法在較大測(cè)量范圍進(jìn)行加載卸載時(shí)，因基底材料的彈性滯后和彈性后效而產(chǎn)生彈性遲滯誤差[15]。

彈性遲滯是測(cè)量過(guò)程中引起傳感器重復(fù)性誤差與穩(wěn)定性誤差的主要原因之一。為確保內(nèi)嵌預(yù)壓式大量程光纖光柵智能鋼絞線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿足工程應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)監(jiān)測(cè)需要，則需對(duì)智能鋼絞線按相關(guān)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，收集準(zhǔn)確可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)其生產(chǎn)方法的可行性和可靠性。因此，本文進(jìn)行了內(nèi)嵌預(yù)壓式大量程光纖光柵智能鋼絞線的標(biāo)定試驗(yàn)，主要研究了光纖光柵應(yīng)變傳感器的主要傳感性能。

1 光纖光柵傳感器應(yīng)變傳感理論

光纖布拉格光柵的中心波長(zhǎng)與介質(zhì)折射率有關(guān)，光波傳輸通過(guò)FBG時(shí)，滿足Bragg條件的光波將被反射回來(lái)，由光譜特性可知，F(xiàn)BG的反射譜中心波長(zhǎng)為

λB=2neffΛ

(1)

式中，λB為光柵中心波長(zhǎng)；neff為光柵有效折射率；Λ為相位掩膜光柵的周期。

由式(1)可知，光柵中心波長(zhǎng)隨光柵有效折射率或光柵周期改變而改變。當(dāng)光纖光柵受到外界應(yīng)變作用時(shí)，光柵周期會(huì)發(fā)生改變，同時(shí)光彈效應(yīng)導(dǎo)致光柵有效折射率發(fā)生改變；當(dāng)光纖光柵受到外界溫度影響時(shí)，熱膨脹會(huì)使光柵周期發(fā)生改變，同時(shí)熱光效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致光柵的有效折射率變化。目前已有的基于光纖光柵的各種傳感器基本上都是直接或間接的利用應(yīng)變或溫度改變光柵的中心波長(zhǎng)，以達(dá)到對(duì)超聲波、加速度、力等物理量進(jìn)行監(jiān)測(cè)的目的[16]。

當(dāng)只考慮光纖受到軸向應(yīng)力的情況下，其光柵中心波長(zhǎng)變化與應(yīng)變的關(guān)系為

λB(1-P)·ε=Kε·ε

(2)

式中，Δλ為波長(zhǎng)的變化值；P11、P12為彈光效應(yīng)系數(shù)；μ為泊松比；ε為應(yīng)變；P為彈光系數(shù)，Kε為FBG應(yīng)變靈敏度。

對(duì)于普通單模石英光纖，P=0.22，按式(2)可計(jì)算出中心波長(zhǎng)1 510～1 590 nm的FBG傳感器應(yīng)變靈敏度系數(shù)平均值為1.21 pm/με。

2 標(biāo)定試驗(yàn)

圖3 智能鋼絞線光纖光柵零點(diǎn)漂移

取3根長(zhǎng)約2 m的鋼絞線作為試件，抽出其中心絲，在中心絲上開(kāi)直線式凹槽，對(duì)中心絲進(jìn)行預(yù)張拉，在持荷狀態(tài)下用環(huán)氧樹(shù)脂將光纖光柵粘貼于凹槽，待環(huán)氧樹(shù)脂達(dá)到足夠強(qiáng)度時(shí)卸載，使光纖光柵傳感器在服役前產(chǎn)生一定壓應(yīng)變，做成智能中心絲，再將智能中心絲與外絲捻制成智能鋼絞線，如圖1所示。

圖1 智能鋼絞線

2.1 預(yù)載試驗(yàn)和零點(diǎn)漂移試驗(yàn)

試驗(yàn)開(kāi)始前，先進(jìn)行預(yù)載試驗(yàn)，彈性元件經(jīng)過(guò)若干次重復(fù)加卸載循環(huán)后，可減少應(yīng)力損失使變形關(guān)系趨于穩(wěn)定。對(duì)智能鋼絞線加載至0.2Pb，再緩慢的卸載，重復(fù)3次。

零點(diǎn)漂移是指當(dāng)輸入信號(hào)為零時(shí)，輸出信號(hào)出現(xiàn)緩慢變化的現(xiàn)象。當(dāng)光纖光柵粘貼后，由于會(huì)受到環(huán)境中各種因素的影響，粘貼層從固化到穩(wěn)定期間，光纖光柵中心波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生零點(diǎn)漂移。為了保證智能鋼絞線的傳感性能指標(biāo)穩(wěn)定精確，必須加以控制零點(diǎn)漂移造成的誤差。因此，要在智能鋼絞線不受力的情況下，等到波長(zhǎng)穩(wěn)定后才可以進(jìn)行加、卸載試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，取出試件后靜放在地面上，開(kāi)始記錄光柵波長(zhǎng)，每3 min記錄1次，至少記錄10次，觀察波長(zhǎng)是否穩(wěn)定；如果波長(zhǎng)不穩(wěn)定則繼續(xù)記錄，直到波長(zhǎng)穩(wěn)定后停止記錄，光纖光柵波長(zhǎng)數(shù)據(jù)采用解調(diào)儀進(jìn)行采集，試驗(yàn)工作照如圖2所示。

圖2 智能鋼絞線張拉試驗(yàn)

對(duì)試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合的結(jié)果如圖3所示，由圖3可知，前4次記錄的波長(zhǎng)不斷減小，即零漂現(xiàn)象明顯，第5次即15 min后波長(zhǎng)變化趨于穩(wěn)定。導(dǎo)致此現(xiàn)象發(fā)生的最主要原因是智能鋼絞線的應(yīng)變完全釋放不在荷載結(jié)束后，而是在荷載卸載后的一個(gè)緩慢過(guò)程中，從而導(dǎo)致光纖光柵感受應(yīng)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象。

2.2 智能鋼絞線加、卸載試驗(yàn)

零漂試驗(yàn)后，進(jìn)行智能鋼絞線的加、卸載試驗(yàn)。每根智能鋼絞線進(jìn)行5次加、卸載試驗(yàn)，具體加載步驟為：(1)先對(duì)鋼絞線加載至0.2Pb=52 kN，取50 kN進(jìn)行預(yù)張拉，再卸載至0.05Pb=13 kN，取10 kN；(2)由0.05Pb取10 kN開(kāi)始每級(jí)10 kN加載，加載速度不大于100 MPa/min，持荷5 min后記錄荷載、解調(diào)儀讀數(shù)和千分表讀數(shù)；(3)3根鋼絞線分別逐級(jí)加載至100、150 kN和200 kN，持荷5 min；(4)再逐級(jí)卸載至0.05Pb取10 kN；(5)重復(fù)(2)～(4)過(guò)程加卸載5次。其中Pb取為鋼絞線極限承載力260 kN。

在加、卸載試驗(yàn)過(guò)程中得到大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以傳感器荷載為橫坐標(biāo)，光柵中心波長(zhǎng)為縱坐標(biāo)，對(duì)不同組別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，能夠清晰直觀分析試驗(yàn)結(jié)果，如圖4所示。

圖4 智能鋼絞線加卸載光纖光柵波長(zhǎng)與荷載關(guān)系

通過(guò)圖4分析可知，當(dāng)加載時(shí)，光纖光柵的中心波長(zhǎng)不斷增大；卸載時(shí)，波長(zhǎng)減小。與理論上的光柵受拉波長(zhǎng)增加、受壓波長(zhǎng)減小相吻合。

2.3 智能鋼絞線張拉試驗(yàn)

重復(fù)加卸載循環(huán)張拉后，進(jìn)行靜力張拉試驗(yàn)。具體加載步驟為：由0.05Pb取10 kN開(kāi)始每級(jí)10 kN加載，加載速度不大于100 MPa/min，持荷5 min，記錄數(shù)據(jù)，逐級(jí)加載直至解調(diào)儀讀數(shù)消失即光柵拉斷以及鋼絞線破壞。

以鋼絞線應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)，光纖光柵波長(zhǎng)變化為縱坐標(biāo)，對(duì)不同組別的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，如圖5所示。

圖5 光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化與應(yīng)變關(guān)系

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器的主要靜態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算方法》(GB/T18459—2001)中靜態(tài)性能指標(biāo)的計(jì)算方法對(duì)光纖光柵應(yīng)變傳感器的傳感性能指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，光纖光柵應(yīng)變傳感器的靜態(tài)特性是指輸入的被測(cè)量不隨時(shí)間而變化，或者隨時(shí)間變化很緩慢時(shí)，傳感器的輸出量與輸入量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，主要傳感性能指標(biāo)有應(yīng)變靈敏度、遲滯、線性度、重復(fù)性等。

3.1 應(yīng)變靈敏度

光纖光柵傳感器的應(yīng)變靈敏度是指靜態(tài)工作情況下光柵中心波長(zhǎng)輸出變化量與應(yīng)變輸入變化量的比值。由圖5可得：

Y30-1試件光纖光柵傳感器波長(zhǎng)變化值與應(yīng)變關(guān)系如式(3)所示，線性相關(guān)系數(shù)為99.83%；

y=0.001 18x

(3)

Y30-2試件二者之間的關(guān)系如式(4)所示，線性相關(guān)系數(shù)為99.88%；

y=0.001 17x

(4)

Y30-2試件二者之間的關(guān)系如式(5)所示，線性相關(guān)系數(shù)為99.88%；

y=0.001 20x

(5)

由圖5及線性相關(guān)系數(shù)可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的線性度，內(nèi)嵌式預(yù)壓光纖光柵智能鋼絞線的應(yīng)變靈敏度不小于1.17 pm/με，最大應(yīng)變可達(dá)9 450 με。

由試驗(yàn)所得的FBG傳感器應(yīng)變靈敏度與理論計(jì)算值存在一定的差異。產(chǎn)生差值的原因可能是：鋼絞線中心絲設(shè)置凹槽，其理論計(jì)算代入?yún)?shù)與實(shí)際參數(shù)存在一定的誤差；粘結(jié)材料的彈性模量可能影響光纖光柵的應(yīng)變傳遞；光纖光柵對(duì)溫度比較敏感，在試驗(yàn)過(guò)程中，外界溫度的變化對(duì)光纖光柵造成了一定的影響。

3.2 遲滯

遲滯表示傳感器在輸入量由小到大及由大到小變化期間，其輸入輸出特性曲線不重合的現(xiàn)象。通過(guò)圖4的加、卸載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，3根智能鋼絞線的5次加卸載光纖光柵中心波長(zhǎng)變化的算術(shù)平均值及其之間的偏差值，參見(jiàn)表1～表3。

表1 Y30-1加、卸載FBG波長(zhǎng)的算術(shù)平均值及其偏差值

表2 Y30-2加、卸載FBG波長(zhǎng)的算術(shù)平均值及其偏差值

表3 Y30-3加、卸載FBG波長(zhǎng)的算術(shù)平均值及其偏差值

光纖光柵傳感器的遲滯以傳感器在加載和卸載中的累計(jì)波長(zhǎng)變化平均值的最大偏差值與滿量程的波長(zhǎng)變化值的比值來(lái)表示

(6)

式中，ΔλH，max為加載和卸載過(guò)程中最大波長(zhǎng)偏差值；(Δλ)FS為試驗(yàn)滿量程波長(zhǎng)輸出值。

根據(jù)表1～表3可得，3根智能鋼絞線在加載和卸載過(guò)程中最大波長(zhǎng)偏差值分別為ΔλH，max，1=0.049 6 nm，ΔλH，max，2=0.030 4 nm，ΔλH，max，3=0.107 6 nm。由式(7)計(jì)算得3根智能鋼絞線傳感器的遲滯分別為ξH，1=1.28%，ξH，2=0.51%，ξH，3=1.29%。

3.3 線性度

線性度，又稱非線性誤差，是衡量線性傳感器線性特性好壞的指標(biāo)，表示校準(zhǔn)曲線(輸入量與輸出量的實(shí)際曲線)與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出的百分比。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出該傳感器在荷載作用下，荷載與光柵波長(zhǎng)移位值的校準(zhǔn)曲線與其擬合直線之間的吻合程度的指標(biāo)。非線性誤差通常用相對(duì)誤差來(lái)表示，即

(7)

式中，ΔλL，max為加、卸載光柵波長(zhǎng)移位算術(shù)平均值與光柵波長(zhǎng)移位擬合值之間的最大偏差值，(Δλ)FS為試驗(yàn)滿量程光柵波長(zhǎng)輸出值。根據(jù)表1～表3數(shù)據(jù)采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合直線，如圖6所示。

圖6 光纖光柵波長(zhǎng)變化平均值與荷載關(guān)系

由圖6中3個(gè)試件的加卸載擬合曲線方程，可得出3個(gè)試件的加卸載擬合值，并由表1～表3可算出5次加卸載光纖光柵波長(zhǎng)的平均值與擬合值的差值，如表4～表6所示。

由表4～表6得到，F(xiàn)BG波長(zhǎng)擬合值與平均值的最大差值分別是：Y30-1加載時(shí)為0.024 nm，卸載時(shí)為0.018 nm，所以加載時(shí)非線性誤差為ζL，1=0.62%，卸載時(shí)非線性誤差為ζL，1′=0.47%；Y30-2加載時(shí)為0.023 nm，卸載時(shí)為0.017 nm，所以加載時(shí)非線性誤差為ζL，2=0.39%，卸載時(shí)非線性誤差為ζL，2′=0.28%；Y30-3加載時(shí)為0.063 nm，卸載時(shí)為0.054 nm，所以加載時(shí)非線性誤差為ζL，3=0.76%，卸載時(shí)非線性誤差為ζL，3′=0.64%?？梢?jiàn)光纖光柵傳感器的非線性誤差不大于1%。

表4 Y30-1加、卸載FBG波長(zhǎng)平均值與擬合值的偏差值

表5 Y30-2加、卸載FBG波長(zhǎng)平均值與擬合值的偏差值

表6 Y30-3加、卸載FBG波長(zhǎng)平均值與擬合值的偏差值

3.4 重復(fù)性

重復(fù)性是指在相同的工作條件下，并按同一方向作滿量程變化時(shí)，在同一輸入量下進(jìn)行重復(fù)測(cè)試所得的一組輸出量，校核這一組輸出量的重復(fù)程度。該傳感器的重復(fù)性誤差是用來(lái)反映在滿量程的條件下重復(fù)加、卸載，中心波長(zhǎng)輸出值是否能重復(fù)一致的性能指標(biāo)，可表示為

(8)

式中，ΔλR，max為5次加、卸載試驗(yàn)波長(zhǎng)之間的最大偏差值，(Δλ)FS為試驗(yàn)滿量程波長(zhǎng)輸出值。

由圖4可得到3根鋼絞線5次加、卸載試驗(yàn)中每級(jí)光纖光柵波長(zhǎng)的最大偏差值，試件Y30-1加載時(shí)的最大偏差為0.084 nm，卸載時(shí)的最大偏差為0.095 nm；試件Y30-2加載時(shí)的最大偏差為0.094 nm，卸載時(shí)的最大偏差為0.131 nm；試件Y30-3加載時(shí)的最大偏差為0.166 nm，卸載時(shí)的最大偏差為0.177 nm；根據(jù)式(9)可計(jì)算出：試件Y30-1的重復(fù)性誤差分別為加載時(shí)ζR，1=2.17%，卸載時(shí)ζR，1′=2.46%；試件Y30-2的重復(fù)性誤差分別為加載時(shí)ζR，2=1.58%，卸載時(shí)ζR，2′=2.19%；試件Y30-3的重復(fù)性誤差分別為加載時(shí)ζR，3=1.98%，卸載時(shí)ζR，3′=2.12%。

3.5 總精度

為更全面及綜合地評(píng)價(jià)傳感器的可靠性，一般用總精度或總不確定度?？偩确从车氖莻鞲衅鞯膶?shí)際輸出在一定置信概率下對(duì)其理論特性或工作特性的偏離皆不超過(guò)的一個(gè)范圍。下面采用方和根法進(jìn)行計(jì)算，公式為

(9)

通過(guò)對(duì)預(yù)壓式光纖光柵智能鋼絞線的5個(gè)循環(huán)的重復(fù)式試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到遲滯、線性度、重復(fù)性指標(biāo)，將3個(gè)指標(biāo)代入式(10)得到總精度，并將所有指標(biāo)歸納到表7。

表7 預(yù)壓式光纖光柵智能鋼絞線傳感性能參數(shù)

綜合考慮表7中的各項(xiàng)指標(biāo)，內(nèi)嵌式預(yù)壓光纖光柵智能鋼絞線具有優(yōu)良的感知性能，目前，該光纖光柵智能鋼絞線在佛清從高速公路樂(lè)平樞紐北段互通跨線橋中進(jìn)行試用監(jiān)測(cè)，橋梁結(jié)構(gòu)為裝配式后張法預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁橋，光纖光柵對(duì)有效預(yù)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與質(zhì)檢站的檢測(cè)的數(shù)據(jù)相差較小，且規(guī)律性很強(qiáng)，說(shuō)明此光纖光柵監(jiān)測(cè)鋼絞線的受力狀態(tài)是有效且安全的，能夠滿足實(shí)際工程的需要。

4 結(jié)論

本文對(duì)內(nèi)嵌式預(yù)壓FBG智能鋼絞線的傳感特性進(jìn)行了標(biāo)定試驗(yàn)，得出如下結(jié)論。

(1)該內(nèi)嵌式預(yù)壓光纖光柵智能鋼絞線的應(yīng)變靈敏度不小于1.17 pm/με，與理論計(jì)算值相近，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，為傳感器后期的穩(wěn)定性做好鋪墊。

(2)通過(guò)加、卸載試驗(yàn)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合處理，處理結(jié)果表明傳感器遲滯≤1.5%、線性度≤1%、重復(fù)性誤差≤2.5%、總精度≤3%，該智能鋼絞線具有優(yōu)良的感知性能，能滿足實(shí)際工程的需要。

(3)光纖光柵應(yīng)變傳感器應(yīng)變達(dá)9 000 με以上，大大增加了光纖光柵監(jiān)測(cè)量程，可監(jiān)測(cè)到鋼絞線公稱破斷力的90%?？梢?jiàn)，該內(nèi)嵌式預(yù)壓光纖光柵智能鋼絞線能有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼絞線和拉索使用過(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，更好的保證結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性。

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