FBG 应变传感器的疲劳性能研究*

万里冰，李凯旋

(北京交通大学 机械与电子控制学院，北京100044)

0 引 言

光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating，FBG)是光纤纤芯折射率沿光纤轴向呈周期性变化的一种光纤光栅。近些年来，随着FBG 制造技术的成熟，其在通信和传感技术领域均得到广泛关注［1，2］。在传感技术领域，FBG 作为应变传感器最为常见。目前，FBG 应变传感器的研究和应用已从实验室拓展到实际工程领域，国内外学者已经将FBG 应变传感器应用到桥梁、大坝、海上石油钻井平台等大型工程设施的结构健康监测中，通过实时监测内部应变、应力、裂纹等参数评估结构损伤程度和服役状态［3，4］。相对于传统的电阻应变片，FBG 测量应变时具有抗干扰能力强、绝对值测量以及在一路光纤上应用波分复用技术就可以实现分布式测量等优点，尤为得到科研人员的认可。桥梁、海上钻井平台等工程结构在风力或海浪的作用下，需承受交变的载荷，因此，对这些结构进行应变、应力监测的FBG自身的疲劳性能研究具有重要意义。舒岳阶对FBG 的应力疲劳理论进行了分析和研究，并提出了基于光谱特性改变的疲劳评价指标［5］，指标能够评价FBG 的疲劳程度，但不便于应用在实际的应变监测中。黄国君则采用实验的方法研究了金属封装FBG 应变传感器的疲劳可靠性，其实验结果无法分辨传感器封装材料和粘接剂的疲劳效应对FBG 疲劳性能的影响［6］。Ang J 以断裂强度作为评价FBG 疲劳寿命的指标，但FBG 在疲劳过程中反射光谱即会产生畸变，在疲劳断裂之前就已经丧失传感能力［7］。

本文从实际应用的角度研究了FBG 应变传感器的疲劳性能，为其在结构健康监测领域更为广泛深入的应用奠定了基础。

1 FBG 的疲劳性能测试

1.1 试验方法和步骤

为了获得FBG应变传感器在交变载荷作用下的疲劳性能，本文将FBG 预先埋入树脂基复合材料预浸料铺层中，经高温高压工艺后预浸料固化成型为复合材料层合板。高温高压过程使埋入的FBG 与层合板树脂基体紧密结合成一体，当承受载荷时，二者协同变形，产生相同的应变，即通过FBG 就可测得试件在加载方向的应变。将埋有FBG的层合板加工成如图1 所示的试件，共制作了2 支埋FBG的试件，埋入的FBG 位于预浸料铺层(共16 层)第8 层和第9 层之间。试件长250 mm，宽15 mm，两端粘贴玻璃钢加强片。采用PLG—200C 高频疲劳试验机对试件进行疲劳循环加载，加载频率为66 Hz。FBG 的反射光信号由美国Micron Optics公司生产的集成解调系统FBG－IS 采集。试验过程中为去除环境温度波动对应变测量结果的影响，设置参考FBG 作为温度补偿措施。

图1 埋FBG 复合材料试件Fig 1 Composite specimen embedded with FBG

在疲劳试验机卡头上安装试件并启动试验机，采用控制载荷(施加于试件上的循环最大、最小载荷保持不变)的拉—拉疲劳加载方式对试件进行循环加载，疲劳试验参数如表1 所示。表中，1#试件纵向拉伸强度极限σb为1 270 MPa，2#试件纵向拉伸强度极限为566 MPa，两个试件拉伸强度极限的差异是由复合材料预浸料铺层方向不同所致。疲劳加载过程中，循环载荷每增加5 万(或10 万)次，暂停疲劳加载，对试件进行静态拉伸加载，记录试件在对应循环最大载荷、最小载荷以及平均载荷时的布拉格反射波长信号，根据FBG 应变灵敏系数即可得到相应时刻的应变值。

表1 疲劳试验参数Tab 1 Parameters for fatigue experiment

1.2 试验与结果分析

1#，2#试件在疲劳过程中最大/平均/最小应变增量—循环次数关系曲线分别如图2 和图3 所示，图中的散点为FBG 测得的数据，实线为测试数据的拟合曲线。

从FBG 应变测试结果曲线可以看出:两个试件疲劳过程中的应变变化规律相似:疲劳过程中两个试件的最大/平均/最小应变均呈增加趋势;在疲劳初始阶段，应变增加较快，随后进入第二阶段，应变呈线性缓慢增长，并且这一阶段在总循环周次中占据大部分。由复合材料层合板的疲劳理论知，在交变载荷作用下，随着循环次数的增加，由于试件内部损伤逐渐积累，试件刚度会产生下降，当施加于试件上的交变最大载荷、平均载荷、最小载荷不变时，对应的试件最大应变、平均应变和最小应变随循环次数增加而增大。试验结果显示:FBG 测得的应变变化曲线完全符合上述复合材料层合板疲劳理论，曲线变化趋势反映出试件的刚度下降历程，埋于试件内的FBG 在分别经历多达50 万次(2#试件)和100 万次(2#试件)循环载荷作用过程中，均保持了良好的应变测试能力。

图2 1#试件应变增量随循环次数的变化曲线Fig 2 Variation curves of strain increment with cycle index of specimen 1

图3 2#试件应变增量随循环次数变化曲线Fig 3 Variation curves of strain increment with cycle index of specimen 2

为了更准确地评价FBG 经历多次循环载荷作用后的应变传感性能，1#，2#试件分别经历50 万次和100 万次循环载荷作用后，将其从疲劳试验机上卸下，并在两个试件表面粘贴电阻应变片(ESG)后进行静态拉伸试验。采用半岛力学试验机对试件进行加载，在试件拉伸过程中同时记录应变仪指示值和布拉格中心波长漂移值，由电阻应变片和FBG 分别测得的两个试件应变—载荷曲线如图4 和图5 所示。

图4 1#试件应变—载荷曲线Fig 4 Strain-load curve of specimen 1

试验结果曲线显示:经历了高达50 万次(1#试件)和100 万次(2#试件)交变载荷作用后，FBG 应变测量曲线与FSG 应变曲线吻合良好，测量范围内FBG 相对于FSG 的最大测量相对误差分别为0.83%，1.11%。实验证明:FBG应变传感器具有很强的抗疲劳能力，经历了较高周次的循环载荷作用后，保持了良好的应变传感能力和较高应变测量精度。

图5 2#试件应变—载荷曲线Fig 5 Strain-load curve of specimen 2

2 结 论

本文将FBG 埋入树脂基复合材料内部，采用疲劳试验的方法研究了传感器的疲劳性能。FBG 应变监测曲线变化规律符合复合材料层合板疲劳理论，经历多达106次循环载荷作用后，最大应变测量相对误差为1.11%，保持了较好的应变测试能力和较高的测量精度。试验证明:FBG 传感器具有良好的抗疲劳能力，能够满足疲劳状态实时监测的要求，为重要结构服役过程中的在线损伤监测、剩余寿命预报以及材料破坏失效的预警奠定了重要基础。

［1］ Hill K O，Malo B，Bilodeau F，et al.Bragg grating fabricated in monomode photosensitive optical fiber by UV exposure through a phase mask［J］.Apply Physics Letters，1993，62(10):1035－1037.

［2］ Lemaire P J，Atkins R M，Mizrahi V，et al.High pressure H2loading as a technique for achieving ultrahigh UV photosensitivity and thermal sensitivity in GrO2－doped optical fibers［J］.Electronic Letters，1993，29(13):1191－1194.

［3］ 赵雪峰，田石柱，周 智，等.钢片封装光纤光栅监测混凝土应变试验研究［J］.光电子·激光，2003，14(2):171－174.

［4］ 万里冰，武湛君，张博明，等.基于光纤光栅传感技术的桥梁结构内部应变监测［J］.光电子·激光，2004，15(12):1472－1476.

［5］ Shu Yuejie，Chen Weimin，Zhang Peng，et al.Investigation on evaluation theory of fiber Bragg grating tensile fatigue property［J］.Acta Photonica Sinica，2013，42(7):805－810.

［6］ 黄国君，殷昀虢，戴 锋，等.光纤布拉格光栅应变传感器的灵敏性及疲劳可靠性研究［J］.激光杂志，2003，24(6):45－47.

［7］ Ang J，Li H C H，Herszberg I，et al.Tensile fatigue properties of fibre Bragg grating optical fibre sensors［J］.International Journal of Fatigue，2010，32(4):762－768.