CN201497490U - 碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种碳纤维复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器，属光电子测量器件技术领域。本传感器利用碳纤维复合材料对光纤Bragg光栅进行封装保护。在外加应力的作用下，碳纤维复合材料发生形变，从而带动粘贴于碳纤维复合材料上的光纤Bragg光栅产生与应变相关的Bragg波长移位，光纤Bragg光栅与信号处理装置光连接。本实用新型结构将碳纤维复合材料所受应变转换为对光纤Bragg光栅峰值波长的调制。采用本传感器，在使用碳纤维增强复合材料对结构体加固的同时，能通过预先埋入CFRP的光纤Bragg光栅对其进行长期监测，构成了一种集加固与监测于一体的智能检测结构。适用于混凝土结构加固和金属外壳保护及变形监测。

Description

碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器

所属技术领域

本实用新型涉及一种应变传感器，特别是光纤Bragg光栅与碳纤维增强复合材料相结合的光纤Bragg光栅应变传感器，属光电子测量技术领域。

背景技术

碳纤维增强复合材料是由碳纤维丝束制成的一种复合材料，该材料具有各向异性、柔软、质轻、高强等特点，已广泛应用于混凝土结构加固和金属外壳保护。在工程应用过程中，需要对碳纤维增强复合材料的性能进行监测，比如：监测碳纤维增强复合材料是否因为承受应力过大而导致脱层，断裂等情况。但是，碳纤维增强复合材料的束状结构限制了传感器的外形。当传感器的尺寸过大，会导致难以埋入碳纤维增强复合材料；即使埋入，传感器的外形也会对碳纤维增强复合材料的力学性能产生影响，比如：在碳纤维增强复合材料承受应力过程中，更易在此传感器埋入处首先产生脱层、断裂的情况。由于粘贴碳纤维增强复合材料处并非都是水平面，更多时候是将碳纤维增强复合材料粘贴于带弧度的表面上进行加固，所以所采用的传感器最好能具有一定的弯曲性，以便能在实际工程应用中得到更广泛的应用。

利用金属封装的光纤Bragg光栅传感器在物质材料和尺寸大小上很难与碳纤维增强复合材料相融和，在柔软度上也很难达到实用工程上对其柔软度的要求，而且采用金属材料对传感器的抗电磁干扰性有所影响。因此，将光纤Bragg光栅直接埋入碳纤维增强复合材料的技术发展起来了。例如，由梁磊、刘德力、李鹏发表的“碳纤维复合材料封装光纤传感器研究”(《武汉理工大学学报》2008年，第5期30卷：55～57)公布了一种用碳纤维增强复合材料封装的光纤传感器，该方案是用上下两部分碳纤维增强复合材料将光栅(外径～125μm，或包含一次涂覆层的～250μm)埋植其中，上下两部分碳纤维增强复合材料分别由三层单层碳纤维复合材料粘贴而成，其三层碳纤维材料的纤维方向角度分别为0/a/0，作者分别以a＝0°、30°、60°、90°四种情况封装光栅。在此方案中，光纤Bragg光栅的封装材料不是金属；但该方案主要是讨论碳纤维层铺设方向对光纤Bragg光栅传感线性度影响，而没有将碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅作为一种传感器进行系统的研究分析，比如：没有考虑实际光栅在碳纤维增强复合材料边缘极易折断的情况，没能提出一种在引入引出部分的保护方案。所以，该方案没能进一步提出集光栅对结构的测量和碳纤维增强复合材料对测量结构的保护于一体的智能技术方案。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种集保护和结构监测于一体，利用碳纤维增强复合材料封装光纤Bragg光栅构成的一种应变传感器。该传感器适用于混凝土结构加固和金属外壳保护，且能反映混凝土结构和金属外壳结构的受力状态。

解决本实用新型的技术问题所采用的方案是：裸光纤Bragg光栅5两端外表面涂覆一层均匀的保护材料成为一次涂覆光纤4，一次涂覆光纤4埋植于碳纤维增强复合材料1中，其结构和埋植的位置为：将涂覆光纤4的外部再涂覆一层护套成为紧套光纤6，然后将紧套光纤6从护套7中穿出；将紧套光纤6沿碳纤维方向粘贴于碳纤维增强复合材料1的中间，并用裁剪好的顶层碳纤维增强复合材料3将光纤Bragg光栅5、一次涂覆光纤4、紧套光纤6完全覆盖进行保护封装，粘贴时顶层碳纤维增强复合材料3的纤维方向保持与碳纤维方向1一致；用环氧树脂2填充碳纤维增强复合材料1、一次涂覆光纤4、紧套光纤6、护套7、顶层碳纤维增强复合材料3相互间的空隙并使其相互固定，向护套7中灌注胶体，使护套7与紧套光纤6间相对固定。

本实用新型碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器的工作机理为：粘贴于混凝土结构表面或金属外壳的碳纤维增强复合材料承受结构形变，从而导致埋入碳纤维增强复合材料中的光纤Bragg光栅的Bragg波长产生随应变变化的移位。因此，只要测出光纤Bragg光栅的输出Bragg波长发生的移位量，即可测出碳纤维增强复合材料及混凝土结构和金属外壳产生的结构形变。

本实用新型的主要性能：碳纤维增强复合材料是一种质轻高强的增强材料，不但为埋入光纤Bragg光栅提供了一种柔性封装和保护的功能；并且，碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器与被测对象形成了一种集结构保护和结构监测于一体的智能监测结构。

对封装好的传感器加载轴向应力时，轴向应力δ₁产生的轴向应变ε₁为：

${\mathrm{\ϵ}}_1=\frac{{\mathrm{\δ}}_1}{E_1}---\left(1\right)$

式中，E₁为碳纤维增强复合材料轴向的弹性模量。由ε₁引起的光纤Bragg波长移位的轴向应变灵敏度公式为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-p_e){\mathrm{\ϵ}}_1---\left(2\right)$

式中，p_e为有效弹-光系数，λ_B为光纤Bragg波长的中心波长。

本实用新型的有益效果是：由于光纤Bragg光栅在埋植于碳纤维增强复合材料前采取了多重包覆，且埋植时又用环氧树脂和胶体进行填充，形成了一种柔性封装的应变传感器；将碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器粘贴于待测结构体表面，可形成一种集碳纤维增强复合材料的结构保护功能与光纤Bragg光栅的应变测量功能于一体的智能监测结构。

附图说明

图1是本实用新型的结构原理图

图1中各标号依次表示：1、碳纤维增强材料；2、环氧树脂；3、顶层碳纤维增强材料；4、一次涂覆光纤；5、光纤Bragg光栅；6、紧套光纤；7、护套。

具体实施方式

下面以用碳纤维增强复合材料制成的片层结构为实施例，对本实用新型作进一步说明。

光纤Bragg光栅的直径为125μm，在裸纤外表面涂覆一层均匀的保护材料构成直径为250μm的一次涂覆光纤，将涂覆光纤的外部再涂覆一层护套以形成紧套光纤。然后，将紧套光纤从导管护套中穿出，光纤Bragg光栅沿碳纤维方向粘贴于碳纤维增强复合材料的中间，参见图1，并用裁剪好的顶层碳纤维增强复合材料将光纤Bragg光栅完全覆盖进行保护封装。粘贴时，顶层碳纤维增强复合材料的纤维方向保持与碳纤维方向一致。将整个结构粘贴于碳纤维增强材料，用环氧树脂填充碳纤维增强复合材料、一次涂覆光纤、紧套光纤、护套和顶层碳纤维增强复合材料相互的空隙，并且向护套中灌注胶体，减小护套与紧套光纤的可移动性，以进一步保护光纤。

1、光纤Bragg光栅的中心波长为λ_B＝1550000pm，效弹-光系数p_e＝0.22。

2、碳纤维增强复合材料的弹性模量为E₁＝181Gpa。

3、利用光纤光栅解调仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长值。

4、把式(1)代入式(2)，得：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\δ}}_1}=(1-p_e)\frac{{\mathrm{\λ}}_B}{E_1}---\left(3\right)$

将上述碳纤维增强复合材料和光纤Bragg光栅的参数代入式(3)后，计算表明，光纤Bragg光栅的Bragg波长移位与外加纵向应力的传感灵敏度为6.68pm/MPa。若光纤Bragg光栅解调仪的波长分辨率为1pm时，传感器的理论分辨率为0.2MPa。

Claims (1)

1.碳纤维增强复合材料封装的光纤Bragg光栅应变传感器，由裸光纤Bragg光栅(5)两端外表面涂覆一层均匀的保护材料成为一次涂覆光纤(4)，一次涂覆光纤(4)埋植于碳纤维增强复合材料(1)中，其特征在于：将一次涂覆光纤(4)的外部再涂覆一层护套成为紧套光纤(6)，然后将紧套光纤(6)从导管制成的护套(7)中穿出；将紧套光纤(6)沿碳纤维方向粘贴于碳纤维增强复合材料(1)的中部，并用裁剪好的顶层碳纤维增强复合材料(3)将光纤Bragg光栅(5)、一次涂覆光纤(4)、紧套光纤(6)完全覆盖进行保护封装，粘贴时顶层碳纤维增强复合材料(3)的纤维方向保持与碳纤维方向(1)一致；用环氧树脂(2)填充碳纤维增强复合材料(1)、一次涂覆光纤(4)、紧套光纤(6)、护套(7)、顶层碳纤维增强复合材料(3)相互间的空隙并使其相互固定，向护套(7)中灌注胶体，使护套(7)与紧套光纤(6)间相对固定。

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