高温暴露对索力监测用胶接植入光纤光栅传感器的测试性能影响研究*

郑 锐,刘礼华,吴建峰,蒋婷慧,赵 霞,张昶阳

(法尔胜泓昇集团有限公司,江苏 江阴 214433)

光纤光栅(FBG)传感技术是桥梁缆索索力监测的重要手段之一[1-6],其植入技术一直被该领域学者关注。尽管目前许多学者[7-8]已开发金属封装、焊接固定光纤光栅传感器技术以监测结构温度和承载载荷等,但在桥梁缆索中,缆索钢丝表面不允许出现焊点且缆索钢丝易出现腐蚀等问题而不宜采用。另外,桥梁缆索的抱箍固定光纤光栅传感器[9-14]由于安装困难等原因导致工程应用中也存在诸多问题。课题组前期[15-16]就桥梁缆索索力监测用胶接固定的内置式光纤光栅传感器的结构设计和测试性能进行研究、讨论,发现该方法简单、测试精度高等优势。然而,桥梁缆索常暴露于恶劣环境中,在环境长期作用下胶接固定的光纤光栅传感器测试的准确、稳定性能对桥梁结构的安全、可靠运行具有重要的影响。

桥梁缆索结构一般由钢丝、缠包带、高密度聚乙烯外保护层构成,为延长钢丝的寿命,外保护层常和索体锚具结构组合而使索体内钢丝与外部腐蚀环境隔离,故一般认为索体内环境主要受温度影响,尤其是斜拉索结构。然而,温度是影响胶接结构力学性能[17]、传感器自身性能[18]等的重要因素。因此,研究高温环境暴露对胶接植入光纤光栅传感器的测试性能影响为内置光纤光栅传感器连续、在线索力监测的可靠应用奠定技术基础。

本文针对胶接植入的光纤光栅传感器,通过高温暴露测试(80 ℃)、循环加卸载、剪切等测试评估高温暴露对胶接于钢丝上光纤光栅传感器的测试性能影响,以期为内置式胶接植入的桥梁缆索索力监测用光纤光栅传感器的应用提供指导。

1 试验

1.1 材料

试验以平行钢丝体系的斜拉索为对象,选择斜拉索基本组成钢丝单元(江苏法尔胜缆索有限公司,直径为7 mm、强度级别为1 960 MPa的高强度镀锌钢丝)进行试验,钢丝的化学成分主要为(wt.%):C 0.87、Si 0.25、Mn 0.73、P 0.09、S 0.01、Cu 0.05、Cr 0.29,其余为Fe。通过对高强度镀锌钢丝的拉伸试验获得该钢丝的屈服强度为1 819 MPa、抗拉强度为2 045 MPa、应变为27.42%。并将钢丝剪成长度为50 cm用于胶接光纤光栅传感器。

双组分甲基丙烯酸胶ITW Plexus MA560-1(力学性能见表1)用于粘接光纤光栅传感器结构于高强度镀锌钢丝表面。

表1 结构胶MA560-1的力学性能

1.2 缆索内置光纤光栅传感器及试样制备

缆索内置式光纤光栅传感器封装结构示意图如图1所示[9,15-16]。光纤光栅封装结构中,光栅栅格区域不填充胶粘剂,而是在靠近光纤引出端采用环氧胶粘剂(美国Epoxy Technology生产的PB 133440和133442以10∶1的比例混合,固化温度为130 ℃,时间15 min)胶接固定光纤光栅,且在胶接过程中保证光栅有约0.5 nm至1 nm的预张量。

图1 内置光纤光栅传感器封装结构

封装结构中,光纤光栅传感器的支座通过结构胶胶接固定于钢丝表面,试样制备步骤如下[16]:①使用无水乙醇清洗待胶接钢丝部位和传感器支座圆弧面,并风干;②采用胶枪和搅拌管将胶粘剂按1∶1的比例均匀搅拌、挤出、涂抹于清洗后的传感器支座圆弧面。为保证胶层厚度,在胶层表面撒少量直径为0.25 mm的玻璃球;③将涂有结构胶的传感器在钢丝中心位置与钢丝贴合,用夹具夹持,以保证支座与钢丝间的胶层厚度。根据结构胶生产商规定的固化条件,将制备的试样置于室温下保持60 min,制备的试样如图2所示(取下盖板)。且高温暴露等试验前取下传感器保护盖板。

图2 光纤光栅传感器胶接固定于钢丝试样

1.3 高温暴露试验

环境暴露条件下,桥梁缆索索体内温度一般高于50 ℃[19],实测中也发现70 ℃[20]。为模拟高温老化环境(加速老化)下索体钢丝上胶接植入光纤光栅传感器的测试性能,将制备好的试样(钢丝上胶接光纤光栅传感器)放入电热鼓风干燥箱(生产商:天津赛得利斯实验分析仪器制造厂,型号:101-3AB)保持80 ℃,尾纤引出以连接光纤光栅解调仪(Micron Optics,sm125),每间隔24 h测试光纤光栅中心波长变化,连续测试16天。同时,为了了解光纤光栅在高温下的性能变化,将未封装光纤光栅(无预张)也放在同步放入干燥箱进行同步测试。

1.4 循环加卸载测试

为了评估高温暴露对胶接植入光纤光栅传感器的测试性能影响,将高温暴露前后的光纤光栅传感器-钢丝胶接试样进行循环加、卸载测试,获得高温暴露前后钢丝承载载荷与光纤光栅传感器波长关系。试验采用Instron Legend 2369拉伸机。根据斜拉索及其钢丝力学性能测试要求[21-22],每一加、卸载过程将试样钢丝加载至其抗拉强度的70%,卸载至50 N,每样循环三次,加载和卸载的速率均为5 mm/min,重复3个试样。加卸载过程中同时测试光纤光栅传感器波长变化,且保证环境温度相同(～24 ℃)以避免温度对光纤光栅传感器测试结果的影响。

1.5 剪切测试

高温暴露后传感器与钢丝间的胶接结构力学性能可能会发生改变,进而影响承载钢丝将变形信号传递至FBG传感器。且钢丝变形信号传递至传感器的过程中,胶接结构主要受剪切载荷影响。因此,高温暴露前后胶接结构的剪切强度变化是影响传感器测试性能的关键之一。

将高温暴露且经循环加卸载测试后的试样从钢丝的中间部位剪断(也即从光纤光栅传感器两支座的中间剪断)。将剪切测试试样(长为25 cm的钢丝上一端粘结有传感器支座)放置于自制的测试夹具内(如图3所示),利用拉伸机(Instron Legend 2369)测试其胶接结构的剪切强度,拉伸速率为5 mm/min。试样的剪切载荷为其最大的破断剪切载荷。每组测试至少3个试样,测试结果的平均值作为其剪切载荷。剪切强度则为剪切载荷除以支座与钢丝胶接的圆弧面积。

图3 传感器支座-钢丝胶接结构剪切测试

2 结果与讨论

2.1 高温暴露对胶接植入FBG传感器测试性能影响研究

图4为三个胶接光纤光栅传感器试样(分别为试样A、B、C)在高温暴露前由循环加卸载测试获得的波长与载荷关系。由图可以看出,传感器波长与载荷呈良好的线性关系,加载和卸载过程中的载荷-波长直线平行且分别重合。加载和卸载的载荷与波长呈直线关系并分别重合表明胶接FBG传感器可监测钢丝的承载;而加、卸载的关系直线不重合主要是由在加卸载过程中钢丝滞回性能导致,该结果与前期研究结果[15-16]一致。

图4 高温暴露前三个试样载荷-波长关系

图5为试样A、B、C在80 ℃环境中暴露16天后循环加卸载测试的载荷-波长关系。其中:图5(a)的载荷在0～10 kN阶段,波长保持不变;在载荷加载至10 kN后,传感器的波长才与钢丝承受的载荷呈线性关系,而加、卸载的载荷-波长关系也平行且分别重合。对于试样B和C(即图5(b)和5(c)),在载荷至5 kN前后,载荷-波长的关系斜率发生轻微改变。由结果可发现:高温暴露后胶接的光纤光栅传感器在加载载荷较小阶段,传感器波长与载荷关系明显不同于暴露前,尤其是试样A,其在载荷为0～10 kN范围时,传感器波长几乎不变。试样A与试样B、C间在加载载荷较小阶段的差异主要是由于光纤光栅传感器封装过程中因预张量大小(0.5 nm～1.0 nm)存在差异导致。

图5 高温暴露后三个试样的载荷-波长关系

为了进一步了解高温暴露前后胶接FBG传感器的测试性能差异,将高温暴露前后三个试样的典型载荷-波长关系(循环加、卸载的第1个循环)进行对比,结果如图6所示。由图6(a)可以看出:在载荷大于10 kN时,高温暴露后传感器波长与载荷关系直线明显下移,也即在相同载荷时,高温暴露后试样A的光纤光栅传感器波长变化量减少,而在载荷小于10 kN时,高温暴露后的波长基本不变。对于图6(b)和6(c):在载荷大于5 kN时,高温暴露后载荷与波长关系也明显下移,而在载荷小于5 kN时传感器的波长变化与载荷关系也明显与载荷大于5 kN时不同。也即:钢丝承受载荷较小时,高温暴露后胶接光纤光栅传感器的波长与载荷关系直线的斜率(见图6中椭圆部分)明显小于载荷较大时;在钢丝承受载荷较大时,传感器的波长与载荷关系几乎平行(斜率相近),但暴露后的载荷-波长关系处于未高温暴露的下方。

图6 高温暴露前后三个试样的第1次加、卸载的载荷-波长关系

缆索索力的光纤光栅监测主要是依靠胶接结构将钢丝承载变形传递至光纤光栅传感器。因此,高温暴露后钢丝承载载荷与传感器波长关系变化可能主要是由高温暴露下传感器胶接结构力学性能、传感器自身性能或钢丝性能等改变而引起。为了明确高温暴露对钢丝胶接光纤光栅传感器测试性能的影响原因,下面分别对高温暴露下胶接结构、钢丝、光纤光栅的性能变化进行分析。

2.2 高温暴露对传感器测试性能影响因素分析

2.2.1 高温暴露对胶接结构力学性能影响

为了了解高温暴露(80 ℃温度下保持16 d)对传感器支座与钢丝间的胶接结构力学性能影响,将高温暴露后的试样从钢丝中部(也即两传感器支座中间)剪断,然后测试胶接结构的剩余剪切载荷。图7为高温暴露前后胶接结构的剪切载荷。由图可知,高温暴露对胶接结构的剪切载荷几乎无影响。且高温暴露前后胶接结构的剪切失效模式均为内聚失效模式(如图8所示)。这表明:80 ℃下暴露16 d对传感器支座胶接结构的力学性能影响不大,也即图6中高温暴露引起传感器波长与载荷关系变化可能是由钢丝或光线光栅传感器自身变化引起。

图9 试样A高温暴露前后的典型循环加卸载拉伸曲线

图7 高温暴露对胶接结构剪切载荷影响

图8 高温暴露对胶接结构剪切失效断面影响

2.2.2 高温暴露对钢丝性能影响

图9为高温暴露前后桥梁缆索用钢丝典型的循环加卸载拉伸曲线(试样A)。由图可以看出,经80 ℃暴露16 d后,钢丝循环加、卸载的载荷-位移曲线轻微向左移动,也即在相同载荷下,钢丝的位移轻微减少,这可能会导致钢丝承受相同载荷时,其胶接固定的光纤光栅传感器的波长相应减小。尽管钢丝在80 ℃暴露16 d后其拉伸性能发生变化,但其不应影响波长与载荷间关系直线的斜率,而会导致传感器波长与载荷关系的下移,也即经温度暴露后钢丝承受相同载荷时传感器波长的变小。

为了进一步探索高温暴露光纤光栅传感器波长与载荷关系发生变化的原因,下面分析高温暴露对光纤光栅自身的中心波长影响。

2.2.3 高温暴露对光纤光栅性能影响

图10为三个试样在80 ℃的烘箱中光纤光栅传感器中心波长随暴露时间的变化情况。由图可知,高温暴露7天三个试样的中心波长基本保持不变,在7 d～9 d,中心波长均出现明显下降,且经过9 d～12 d的稳定后传感器的中心波长继续下降,然后再保持稳定,也即高温(80 ℃)暴露促使光纤光栅传感器的中心波长经历了稳定-下降-再稳定-再下降的过程。由此,高温暴露后光纤光栅传感器中心波长的减少导致钢丝在承受载荷时传感器的中心波长的相对值(与未暴露相比)相应减少,表现为钢丝加载载荷与传感器波长的关系下移(如图6所示)。

图10 试样在烘箱中保持不同时间中心波长的变化

为了进一步了解高温暴露后光纤光栅传感器中心波长下降原因,对放置于80 ℃环境下、保持不同时间的未封装光纤光栅的中心波长进行测试。图11为未封装光纤光栅暴露于80 ℃下不同时间,其中心波长的变化情况。由图可以看出,高温暴露7 d未封装光纤光栅的中心波长基本保持不变,而后中心波长增大并保持,直至12 d,再次增大,也即其过程为:保持稳定-波长增加-再稳定-再增加,这与光纤光栅传感器(封装的光纤光栅)暴露于高温后中心波长变化规律(图10)相反。

光纤光栅对温度和应变载荷非常敏感[23],当光栅在长期载荷作用下自身会发生蠕变或应力松弛[24]。因此,暴露于温度环境的未封装光纤光栅相当于在光纤光栅两端施加一定的载荷,长期作用下光纤光栅会发生蠕变而使自身中心波长发生偏移(也即增大),pov等也发现近似现象[25]。而对于光纤光栅传感器(为保证传感器测试稳定、灵敏、可靠等,封装时将光纤光栅预张约0.5 nm～1.0 nm),在温度暴露一定时间后,光纤光栅在预张和温度的共同作用下因应力松弛而引起预张量减小,进而会导致其中心波长减少。

图11 高温(80 ℃)暴露时间对未封装光纤光栅中心波长影响

基于上述结果,可以推测:80 ℃暴露16 d后,钢丝承载载荷较小时光纤光栅传感器载荷-波长关系的斜率小于载荷较大时(见图6中椭圆区域)的主要原因为光纤光栅在应力(预张0.5 nm～1.0 nm)和温度共同作用下导致光纤光栅的产生大小不等的松弛量,即:试样A(图6(a))松弛量远大于预张量,导致钢丝在10 kN以内传感器波长基本保持不变;而试样B和C(即图6(b)和6(c))松弛量轻微大于或等于预张,钢丝在承受载荷小于5 kN时传感器的载荷-波长斜率小于钢丝承受载荷较大时。

3 结论

①高温暴露后胶接于钢丝上的FBG传感器在钢丝承载较小时载荷与波长关系斜率明显小于承载较大时;且在钢丝承载较大时,高温暴露后的载荷-波长关系明显处于未高温暴露的下方;②高温暴露对传感器支座与钢丝间胶接结构的剪切性能影响不大;③高温暴露后胶接于钢丝的FBG传感器测试性能变化的主要原因是由于光纤光栅在应力(预张)、温度作用下的应力松弛和钢丝力学性能的轻微变化导致。