光頻域分析光纖壓力傳感技術(shù)研究*

洪成雨黃金生陳偉斌李家聰楊國強

(1.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2.深圳市地鐵地下車站綠色高效智能建造重點實驗室，廣東 深圳 518060；3.深圳大學(xué)未來地下城市研究院，廣東 深圳 518060；4.濱海城市韌性基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點實驗室，廣東 深圳 518060)

增材制造技術(shù)(Additive Manufacturing，AM)俗稱3D打印，作為一種快速成型的技術(shù)，其原理是以數(shù)字三維模型為基礎(chǔ)，通過材料的逐層打印構(gòu)造成一個完整的物體，其材料選用可粘合材料[1-2]。近年來，3D打印技術(shù)受到了業(yè)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，各行各業(yè)逐漸引入3D打印技術(shù)，全球也引發(fā)了一輪3D打印熱潮。當(dāng)前，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用于包括機械設(shè)備、航空航天、電子產(chǎn)品、醫(yī)療服務(wù)等領(lǐng)域。相比于傳統(tǒng)的制造業(yè)，3D打印技術(shù)無需使用傳統(tǒng)的操作方法與加工工具，可直接將三維產(chǎn)品模型精確轉(zhuǎn)化為實體，從而可以實現(xiàn)具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的產(chǎn)品制造。同時利用3D打印技術(shù)能夠快速制作出產(chǎn)品樣品，從而便于檢驗產(chǎn)品的合理性，極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期和研發(fā)成本[3-4]。

土壓力測量是土力學(xué)領(lǐng)域持續(xù)探索研究的課題，是工程監(jiān)測中的重要內(nèi)容。土體壓力是解決工程實際問題及推進(jìn)相關(guān)科學(xué)研究的重要依據(jù)[5-6]。土壓力傳感器常被用于邊坡、堤壩、擋土墻、路基等結(jié)構(gòu)體內(nèi)部，近年來，已設(shè)計出大量的壓力傳感器用來測量土壓力，在實際工程及科研中運用得較多的為電阻式土壓力計、振弦式土壓力盒[7]。電阻式土壓力計的工作原理是利用金屬絲片電阻與結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系，將結(jié)構(gòu)的物理量轉(zhuǎn)為可測電量，從而達(dá)到測量土壓力的目的。振弦式土壓力盒的工作原理是土體壓力發(fā)生變化時，傳感器上的鋼線自振頻率將會發(fā)生改變，從而達(dá)到測量土體壓力的目的。常規(guī)壓力傳感器具有使用簡便、成本低等優(yōu)勢，同時也具有很多缺點:傳統(tǒng)的電阻式傳感器件及金屬封裝材料，常常難以應(yīng)對復(fù)雜惡劣的工程環(huán)境，從而影響傳感器的使用壽命和穩(wěn)定性；傳統(tǒng)傳感器的制造工藝不夠靈活，不同工程工況下調(diào)整壓力傳感器的靈敏度與量程，往往需要通過復(fù)雜的設(shè)計實現(xiàn)。而增材制造技術(shù)可克服傳統(tǒng)傳感器這些生產(chǎn)上的缺點，結(jié)合3D打印技術(shù)制備的傳感器具有生產(chǎn)成本低、整體性好、研發(fā)與生產(chǎn)周期短和裝配高效的優(yōu)勢[8-9]。

應(yīng)用較多的光纖傳感技術(shù)主要包括兩種:①基于布里淵散射原理的光纖傳感技術(shù)。布里淵光時域反射計(Brilloun Optical Time Domain Reflectometry，BOTDR)是利用激光在傳輸過程中，后向自發(fā)布里淵光來感測不同位置的應(yīng)變和溫度變化。布里淵光時域分析計(Brilloun Optical Time Domain Analyzed，BOTDA)是利用光纖中的布里淵散射光頻率的變化量與光纖軸向變形實時傳感，其需一個感測回路進(jìn)行感測[10]。BOTDR和BOTDA皆可進(jìn)行長距離的測量，可達(dá)到幾十公里的量級，缺點是空間分辨率較低，約為0.5 m，而且系統(tǒng)較復(fù)雜，測試的時間較長；②基于光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)的光纖傳感技術(shù)。光纖布拉格光柵是通過紫外光曝光技術(shù)，使具有光敏性光纖纖芯產(chǎn)生周期性的折射分布，其對波長有選擇性，能使特定波長的光反射，而其他的光則透過[11]。當(dāng)光纖布拉格光柵所處的外界環(huán)境溫度或應(yīng)力發(fā)生變化，在外力的作用下就會導(dǎo)致柵區(qū)長度或有效折射率改變，從而引起光纖內(nèi)特定中心波長發(fā)生移動。光纖布拉格光柵傳感技術(shù)是準(zhǔn)分布式測量，由于受限于光源的帶寬，目前傳感點的數(shù)量有限，空間分辨率有限。而光頻域反射(Optical Frequency Domain Reflectometry，OFDR)傳感技術(shù)可實現(xiàn)分布式測量，在50 m傳感范圍內(nèi)，其空間分辨率可達(dá)1 mm。OFDR傳感技術(shù)的空間分辨率與探測器的帶寬無關(guān)，與頻譜分析的精度有關(guān)，可得到遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)光時域反射/分析類分布式感測技術(shù)的空間分辨率和精度[12-13]。

目前，結(jié)合光纖與增材制造技術(shù)制作傳感器的相關(guān)研究還較少，尚屬于比較新穎的領(lǐng)域，Hong等[14]發(fā)現(xiàn)光纖布拉格光柵不僅可以成功嵌入到3D打印的模型中去，而且光纖光柵傳感器在打印封裝的過程中不會發(fā)生任何性能的損失。LIN等[15]采用ABS作封裝材料，將FBG傳感器進(jìn)行封裝，使用于測靜水壓力。Hong等[16]結(jié)合3D打印技術(shù)與FBG傳感器成功設(shè)計并研發(fā)出壓力傳感器，通過室內(nèi)標(biāo)定試驗，測試得到壓力傳感器在不同封裝密度下的靈敏度。Zhang等[17]利用FBG傳感器與3D打印技術(shù)成功研制出液壓傳感器，并通過現(xiàn)場測試與傳統(tǒng)傳感器的對比，驗證了此液壓傳感器的可行性。施令飛等[18]設(shè)計了使用3D打印技術(shù)封裝的光纖布拉格光柵測斜傳感器，通過標(biāo)定試驗得到了角度與光纖布拉格光柵波長的線性關(guān)系，模型邊坡試驗與軟件模擬結(jié)果趨于一致。

這些研究都結(jié)合了3D打印與光纖布拉格光柵研制傳感器，但還沒有利用OFDR分布式光纖與3D打印結(jié)合研發(fā)壓力傳感器的相關(guān)研究。本研究將OFDR分布式光纖嵌入聚乳酸脂(Polylactic Acid，PLA)模型內(nèi)制作OFDR分布式壓力傳感器，通過選用不同的打印密度，研究不同的打印參數(shù)對壓力傳感器的性能影響，從而實現(xiàn)利用打印參數(shù)調(diào)控傳感器測量性能的目的?；贠FDR分布式光纖的壓力傳感器具有諸多優(yōu)勢，比如，相對于與FBG壓力傳感器的點式測量，OFDR分布式光纖可實現(xiàn)打印模型內(nèi)全分布式測量(空間分辨率可達(dá)1 mm)，在測量時不受核輻射和電磁干擾、測量精度高(應(yīng)變±1με)、使用壽命長。

1 OFDR感測技術(shù)原理

OFDR的分布式光纖采用背向瑞利散射的技術(shù)，利用相干探測手段進(jìn)行信號處理，工作原理如圖1所示。光源發(fā)出光經(jīng)過耦合器后分為兩路，一路進(jìn)入待測光纖，在光纖的各個位置上不斷產(chǎn)生瑞利散射信號，信號光是背向反射的，與另一路參考光發(fā)生干涉，兩者產(chǎn)生的拍頻信號被光電探測器檢測到，拍頻與待測光纖的位置成正比。待測光纖某一位置受壓力、溫度等的影響會發(fā)生瑞利散射頻移。通過測量瑞利散射得頻移量，可以實現(xiàn)對某一位置的溫度和應(yīng)變測量以及整根光纖的分布式測量[19-21]。

圖1 OFDR原理

2 增材制造制備壓力傳感器結(jié)構(gòu)研究

2.1 傳感器結(jié)構(gòu)打印

利用增材制造技術(shù)與OFDR感測技術(shù)制作土壓力傳感器的器材如圖2(a)所示，包括采集光信號的OFDR(型號:OSI-S)設(shè)備、3D打印機(型號:finder，無熱床版)、PLA打印耗材、分布式光纖等，其中OFDR設(shè)備的采集頻率為10 Hz，傳感精度為±1με，空間分辨率為3.62 mm；3D打印機的噴嘴溫度為220℃，噴嘴直徑為0.4 mm。打印機對模型的打印方式、填充速度、填充密度、支撐方式等都具有靈活的調(diào)節(jié)方式。如圖2(b)所示，本研究的模型打印方式為線型打印，即噴嘴的出絲堆疊軌跡為線型，內(nèi)部呈網(wǎng)狀填充，并與邊界夾角呈現(xiàn)45°，且所有打印模型均采用60 mm/s的填充速度，此速度可以保證光纖穩(wěn)定地封裝在模型內(nèi)部。本研究采用20%、40%、60%、80%、100%五種不同密度試樣，探究填充密度對土壓力傳感器性能的影響。最后土壓力傳感器所建模型為直徑30 mm，厚度10 mm的圓柱體，因此不需要設(shè)置支撐。

利用增材制造技術(shù)對OFDR分布式光纖進(jìn)行封裝的過程中，當(dāng)模型打印到50%厚度時(圖2(b)所示)暫停打印，并迅速植入OFDR分布式光纖，此過程中，在模型兩端的卡槽處使用膠水固定光纖。布置好OFDR分布式光纖后繼續(xù)進(jìn)行打印封裝，直至模型剩余部分封裝完畢。在對分布式光纖進(jìn)行封裝的過程中，使用OFDR設(shè)備保持記錄分布式光纖的實時數(shù)據(jù)，利用OFDR設(shè)備的應(yīng)變與溫度測量特性，以便后續(xù)對打印模型的內(nèi)部溫度與應(yīng)變的特征展開分析。

圖2 3D打印制作模型

圖3(a)是OFDR分布式光纖在打印的過程中植入模型的內(nèi)部圖，原料采用聚乳酸脂耗材，封裝模型采用圓柱體模型(R＝15 mm，h＝10 mm)。布置分布式光纖采用膠水錨固(圖3(a)中的錨固卡槽)。將OFDR分布式光纖封裝到模型的內(nèi)部(如圖3(a)所示)當(dāng)圖3(a)中的OFDR分布式光纖固定完畢后，從模型50%的高度繼續(xù)打印。打印模型內(nèi)部耗材以線性打印，堆積較為均勻，保證了模型內(nèi)部的應(yīng)變與應(yīng)力傳遞是均勻的，無應(yīng)力集中現(xiàn)象。最終成型的OFDR土壓力傳感器如圖3(b)所示。

圖3 OFDR壓力傳感器模型圖

2.2 基于OFDR技術(shù)的壓力傳感器傳感原理

結(jié)合增材制造技術(shù)制作土壓力傳感器，由于分布式光纖的直徑小于1 mm，將分布式光纖封裝到圓柱體(直徑30 mm，厚度10 mm)的打印模型中，其尺寸可忽略不計。打印的PLA圓柱體模型結(jié)構(gòu)是線性層疊打印結(jié)構(gòu)，這種層疊結(jié)構(gòu)在沿線性運動方向的縱向斷面具有一致性，而橫斷面與縱向斷面明顯不一樣，即具有不同模量與泊松比，因此傳感器具有各向異性特征；PLA材料經(jīng)過3D打印機噴出后具備較高的粘結(jié)力，PLA材料之間堆疊粘結(jié)形成了良好的整體，因此傳感器可視為連續(xù)的實體。

將傳感器模型的垂直受力方向，橫軸方向，縱軸方向分別標(biāo)注為1、2、3，由廣義胡克定律可得到具有九個獨立彈性常數(shù)Cij的關(guān)系:

式中:εij和σij分別是三個方向的應(yīng)變分量和應(yīng)力分量。應(yīng)變不垂直于壓力傳感器的情況下，可由一般形式的胡克定律求出應(yīng)力，當(dāng)壓力傳感器在土中受到垂直荷載，即ε22＝ε33且σ22＝σ33＝0，考慮到彈性常數(shù)E和泊松比υ，該式可簡寫為:

式中:Ei為打印耗材在方向i(i＝1，2，3)上的模量。υij為泊松比，表示橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的比值。

嵌入模型內(nèi)部的分布式光纖在受到垂直壓力的影響時，采用OFDR技術(shù)可直接得到應(yīng)變值，則通過式(2)可計算出作用于壓力傳感器上方的垂直壓力Δσ11。

2.3 傳感器內(nèi)部變形特征分析

放置在模型中間的OFDR分布式光纖實時反映了打印過程中內(nèi)部不同點位的變形信息，圖4所示為分布式光纖放置在50%高度的模型上，繼續(xù)打印直至封裝結(jié)束，不同密度的模型內(nèi)部應(yīng)變隨封裝時間的變化曲線。

圖4 壓力傳感器在3D打印過程中不同密度的應(yīng)變量曲線

圖4所示模型封裝過程中不同密度不同位置點的應(yīng)變變化，打印過程中的應(yīng)變由耗材打印高溫和耗材堆積所引起，從圖中可以看出，PLA耗材在增材制造過程中，同一密度的不同位置點的應(yīng)變變化趨勢是一致的，都呈現(xiàn)出循環(huán)變化現(xiàn)象，每一個循環(huán)代表一層打印耗材的堆積，其循環(huán)特征都是應(yīng)變量先上升再下降，然后循環(huán)往復(fù)變化。通過分析封裝過程的打印路徑，發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象是由打印機的高溫噴嘴的打印模式所致，可將噴嘴打印路徑分為兩個階段，第一階段為噴嘴由模型邊緣向分布式光纖正上方運動階段，當(dāng)噴嘴打印到分布式光纖正上方時，此處是光纖接收熱量最大處，從而應(yīng)變量達(dá)到峰值；第二階段為噴嘴慢慢由光纖正上方向模型邊緣運動階段，隨著距離的增大，光纖接收到的熱量也隨之減少，應(yīng)變波峰呈下降趨勢。隨著每一層打印耗材的堆積，每層應(yīng)變量的峰值是呈下降趨勢的，因為隨著每一層打印耗材的堆積，遠(yuǎn)離分布式光纖的耗材高溫傳遞到光纖處的溫度會降低，從而引起應(yīng)變量減少。封裝結(jié)束后，在室溫下，耗材溫度逐漸降低導(dǎo)致模型材料收縮，因此分布式光纖測到應(yīng)變呈下降趨勢。

3 壓力傳感器標(biāo)定試驗

通過室內(nèi)標(biāo)定試驗建立壓力傳感器所受到的外界壓力變化與OFDR感測到的應(yīng)變變化之間的函數(shù)關(guān)系。由于壓力傳感器的厚度只有10mm，其尺寸相對于土體內(nèi)部是比較微小的，其所受到的四周壓力可忽略，傳感器所受到的壓力主要來自于土體的垂直壓力，因此室內(nèi)標(biāo)定試驗采用萬能試驗機單軸施壓。圖5所示為OFDR壓力傳感器的室內(nèi)標(biāo)定試驗圖，標(biāo)定試驗全程在恒溫試驗室內(nèi)進(jìn)行，本試驗使用的OFDR壓力傳感器采用的是PLA耗材封裝，為直徑30 mm、厚度10 mm的圓柱體模型。

圖5 OFDR壓力傳感器室內(nèi)標(biāo)定試驗

首先使用1 T萬能試驗機對OFDR壓力傳感器進(jìn)行壓壞試驗，確定壓力傳感器的量程與靈敏度，圖6(a)所示為各個密度對應(yīng)的壓壞試驗曲線，當(dāng)應(yīng)變開始出現(xiàn)異常噪點，表明已達(dá)到該密度的量程最大值，20%、40%、60%、80%、100%密度的模型分別對應(yīng)的壓壞應(yīng)力為4.00 MPa、8.80 MPa、11.88 MPa、7.92 MPa、3.828MPa。各壓壞應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變量分別為1 077.48με、17 82με、1 965.16με、1 182.6με、332.88με。壓壞曲線斜率即為傳感器的靈敏度，在填充密度分別為20%、40%、60%、80%、100%時，OFDR壓力傳感器的靈敏度分別為:0.269με/kPa、0.203με/kPa、0.165με/kPa、0.149με/kPa、0.101 με/kPa，如圖6(b)所示，隨著模型填充密度的增大，傳感器的靈敏度呈逐漸減小的趨勢。因此結(jié)合增材制造技術(shù)制作OFDR壓力傳感器，通過計算機的三維建模快速對傳感器的填充密度進(jìn)行更改，從而靈活調(diào)節(jié)傳感器的量程與靈敏度，可以依據(jù)實際的測量需求，快速定制化地進(jìn)行不同類型傳感器的設(shè)計與生產(chǎn)。

圖6 OFDR壓力傳感器壓壞試驗

本標(biāo)定試驗采用了填充密度為40%的模型，逐級采用2.83 MPa(F＝2 kN)、5.66 MPa(F＝4 kN)、8.49 MPa(F＝6 kN)三級垂直應(yīng)力對該模型進(jìn)行循環(huán)加卸載的標(biāo)定試驗，每級應(yīng)力進(jìn)行10次循環(huán)加卸載。如圖7所示應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系圖，在各級應(yīng)力下，OFDR壓力傳感器的各個點位都具有穩(wěn)定的應(yīng)變變化量，且10次加卸載的應(yīng)變變化量趨于一致，這表明PLA封裝耗材具有良好的彈性恢復(fù)能力。

圖7 標(biāo)定試驗中，壓力傳感器應(yīng)變量隨三級循環(huán)荷載的變化

如圖8正方形圖標(biāo)所示，三級應(yīng)變變化量分別為:137.24με、572.32με、1103.76με，通過進(jìn)一步對數(shù)據(jù)擬合得出OFDR壓力傳感器的應(yīng)變變化與相對應(yīng)的加載應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系，其線性度達(dá)到0.99。三級壓力加卸載試驗對應(yīng)于壓壞試驗的應(yīng)變量分別210.24με、744.39με、1 415.61με，其與標(biāo)定試驗的應(yīng)變變化量具有一定誤差，差值分別為73με、172.07με、311.85με，由于三級循環(huán)荷載試驗控制萬能試驗機的加壓方式是等值加壓，而壓壞試驗控制萬能試驗機是通過控制橫梁位移加壓，兩個試驗的加壓方式不同導(dǎo)致了傳感器測量到的應(yīng)變值存在一定的差異。如圖8三角形圖標(biāo)所示，通過數(shù)據(jù)擬合得出OFDR壓力傳感器的循壞加載試驗與壓壞試驗應(yīng)變變化量的差值與加載壓力之間的函數(shù)關(guān)系，其線性度達(dá)到0.98。

圖8 壓力傳感器應(yīng)變量與應(yīng)力之間的函數(shù)擬合

4 結(jié)論

本研究結(jié)合增材制造技術(shù)制作OFDR壓力傳感器，利用3D打印技術(shù)的靈活調(diào)節(jié)性，改變模型的填充密度，進(jìn)行本傳感器的研究與制作，得出以下結(jié)論:

①分布式光纖可成功地在3D打印的過程中嵌入到打印模型的內(nèi)部，從而實現(xiàn)3D打印OFDR分布式壓力傳感器的制備。分布式光纖在打印封裝的過程中實時記錄的封裝模型應(yīng)變數(shù)據(jù)表明:打印耗材堆積過程中，溫度變化和耗材堆積所引起的耗材拉伸與收縮變化較為均勻，因此采用增材制造技術(shù)以及PLA打印耗材對壓力傳感器進(jìn)行打印封裝是合適的。

②本傳感器制作中，當(dāng)封裝密度分別為20%、40%、60%、80%、100%，且封裝材料與封裝尺寸分別為PLA打印耗材、圓柱體(直徑30 mm，厚度10 mm)模型時，應(yīng)力傳感器的最大量程分別為4.00 MPa、8.80 MPa、11.88 MPa、7.92 MPa、3.828MPa。其對應(yīng)的靈敏度依次為:0.269με/kPa、0.203με/kPa、0.165με/kPa、0.149με/kPa、0.101με/kPa。隨著密度增大，靈敏度呈現(xiàn)減小趨勢。

③傳感器標(biāo)定試驗結(jié)果表明，應(yīng)力傳感器應(yīng)變變化與應(yīng)力變化呈線性相關(guān)；在10次循環(huán)加卸載測試中，傳感器在各級應(yīng)力下的應(yīng)變變化始終保持良好的穩(wěn)定性，PLA打印耗材彈性恢復(fù)能力良好。

采用增材制造技術(shù)可制備不同封裝材料、封裝密度、封裝尺寸的OFDR壓力傳感器，從而靈活調(diào)節(jié)壓力傳感器的量程、靈敏度等，適用于不同的工況。