中國電建市政建設(shè)集團(tuán)有限公司 天津 300000
新型FBG環(huán)向位移傳感器的研制圖如圖1所示,該新型傳感器由裸FBG傳感器、橡皮筋、FDM打印的保護(hù)套、PVC保護(hù)套管以及鎧裝跳線組成。FBG傳感器用來測量環(huán)向位移,傳感元件為光纖光柵,光柵間距為5mm,光纖總長為600mm。PVC保護(hù)管位于距兩邊光柵端部各1.2mm位置處,長度各為3000mm。橡皮筋長度為120mm,寬度為5mm,厚度為2mm。在FDM打印到50%時,放入FBG傳感器和橡皮筋,打印完成后,F(xiàn)BG傳感器仍具有信號,表明FDM技術(shù)成功封裝FBG傳感器。
圖1 新型FBG環(huán)向位移傳感器研制圖
利用FDM技術(shù)打印PLA封裝外殼如圖2所示,將FBG傳感器一邊緊貼于應(yīng)變傳感帶,另一邊緊貼于FDM材料。打印進(jìn)行到50%時暫停,加入FBG傳感器及橡皮筋,打印密度為80%,傳感器的波長為1543.001nm,最后利用熱縮套管加固,整個打印過程共14min。利用FDM技術(shù)成功封裝新型FBG環(huán)向應(yīng)變傳感器,如圖3所示。
圖2 FDM技術(shù)打印PLA封裝外殼
圖3 FBG環(huán)向位移傳感器
當(dāng)將FBG環(huán)向應(yīng)變傳感器放置在圓柱體上時,F(xiàn)BG環(huán)向應(yīng)變傳感器的受力示意圖如圖4所示。圓柱體徑向截面上的內(nèi)力為
圖4 FBG環(huán)向應(yīng)變傳感器在圓柱體上的受力示意圖
式中:σpe為圓柱體的環(huán)向應(yīng)力;b為圓柱體高度;d為圓柱體內(nèi)徑;δpe為圓柱體壁厚;p為圓柱體內(nèi)壓力;εpe為圓柱體環(huán)向應(yīng)變;Epe為圓柱體的彈性模量。
傳感器位移與波長的關(guān)系圖如圖5所示,標(biāo)定試驗測得的最大位移為60mm。擬合可得中心波長與位移的對應(yīng)關(guān)系為y=0.0218x+1540,傳感器的靈敏度為0.0218nm/mm,由于解調(diào)儀的精度為0.0025nm,則傳感器分辨率均為114μm。標(biāo)定結(jié)果表明:隨著位移的增加,傳感器波長線性增加,相關(guān)系數(shù)達(dá)0.994,線性度良好。
圖5 傳感器位移與波長關(guān)系圖
對FBG環(huán)向位移傳感器在20mm、40mm、60mm時分別做拉伸,每個拉伸條件下各進(jìn)行五個循環(huán)試驗。新型FBG環(huán)向位移傳感器在標(biāo)定試驗下波長隨時間的關(guān)系如圖6所示,傳感器波長呈現(xiàn)周期性變化,而且在各個循環(huán)下,波長的峰值與最小值之差的高度相同。當(dāng)傳感器在20mm、40mm、60mm時分別做拉伸時,傳感器波長分別為 1540.022~ 1540.388nm、1540.025~ 1540.830nm和1539.997~1541.360nm。拉伸位移越大,F(xiàn)BG環(huán)向位移傳感器波長峰值與最低值之差越大。
圖6 時間與波長關(guān)系圖
為了比較在標(biāo)定試驗中傳感器誤差值,在20mm、40mm、60mm作用下,五個循環(huán)波長差的誤差值如圖7所示。從圖7中可以看到最大誤差值分別為0.0132nm、0.0168nm、0.0154nm。誤差值除個別外,80%的波長變化均在0.01nm以內(nèi)。
圖7 不同位移下波長誤差圖
邊坡模型試驗結(jié)果如下:靜荷載監(jiān)測結(jié)果表明FBG傳感器成功監(jiān)測最小位移為0.005mm,測量精度高,利用新型FBG位移傳感器可測量小變形;動荷載監(jiān)測結(jié)果表明傳感器可以快速反映車輛模型荷載產(chǎn)生的豎向壓力,F(xiàn)BG傳感器成功監(jiān)測最小位移為0.003mm,最大位移達(dá)0.021mm,而且當(dāng)列車經(jīng)過傳感器時,傳感器波長突變,F(xiàn)BG傳感器具有高的靈敏性。小荷載作用下,土體發(fā)生彈性變形,位移可恢復(fù)初始狀態(tài),大荷載作用下,土體應(yīng)變有殘留,變形比達(dá)到38%,土體產(chǎn)生塑性變形。
通過將傳感器置于PU棒并放在萬能試驗機(jī)進(jìn)行壓縮試驗,驗證了新型FBG傳感器的性能。該傳感器可用于管道變形及三軸試驗等監(jiān)測試驗中對環(huán)向應(yīng)變測量。三軸壓縮試驗結(jié)果表明:豎向加載下,最大測量壓力為400kPa。通過七組不同豎向壓力,每個豎向力在十組循環(huán)下峰值與最低值一致較高,95%傳感器峰值與最低值差值的誤差均在0.01nm以內(nèi),驗證了FBG新型位移傳感器性能較好,靈敏度為0.0003nm/kPa,豎向加載試驗有效驗證利用FDM技術(shù)制作的新型FBG環(huán)向位移傳感器的可行性。