凹槽内嵌式封装光纤光栅应变传感器的温度特性

覃荷瑛 汪文琪

（1.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004；2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004）

钢绞线常作为桥梁拉索和吊杆、大跨度建筑、岩土锚索、天文台索网支撑体系（FAST 工程）［1］等大型工程的核心受力构件，长期处于高应力服役状态和恶劣环境中，对其进行健康监测是保证结构功能和安全使用的重要前提。用于局部预应力监测的传统方法有千斤顶油压表、电阻应变计［2］、钢弦式应变计、磁通量式传感器［3］、加速度间接测试［4］等，但这些方法不能同时满足分布式测量、耐久、高精度、长距离、低成本等要求，且操作较繁琐。光纤光栅传感器［5］因其体积小、重量轻、低损耗高精度、耐高温及腐蚀、抗电磁干扰等优点，受到广泛关注且逐渐替代传统方法，成为结构健康监测［6-9］的重要手段。工程用光纤光栅传感器一般需经封装来保护纤细质脆、抗剪能力差的光纤光栅。为满足监测性能的需求，还会采取增敏或减敏、温度补偿等措施。常用的封装方式［10-11］为管式封装和表面粘贴式封装，封装工艺会对光纤光栅传感器的监测性能造成影响。

光纤光栅主要受其轴向应变和温度特性影响，当用于构件应变测量时，必须考虑温度的干扰。郭永兴等［12］研究了不同封装方式的光纤光栅传感与温补特性，发现光栅在表面式全部粘贴和两端粘贴封装下的感测特性均良好，自差分温度补偿效果优于裸光纤光栅，两端粘贴封装的温度补偿效果更好。耿胜各［13］建立数学模型研究光纤光栅温度传感器中应变与温度交叉敏感问题。Kuang等［14］研究了应变传感用光纤布拉格光栅封装及温度补偿，重点介绍了全粘贴光纤光栅、双端固定预拉伸光纤光栅和金属封装，分析了不同封装方法的优缺点。黄建明等［15］通过试验样本训练建立神经网络结构来降低温度对测量误差的影响，发现在整个FBG 传感器温度测量范围内，使用BP 神经网络可以有效降低由温度引起的应变最大测量误差，使误差可以控制在一定范围内。

本文提出一种钢绞线凹槽内嵌“预压”封装［16］FBG 的方法，基于温度对钢绞线应变测量的交叉影响，通过试验研究温度影响下FBG 传感器的变化，为FBG 自感知钢绞线的实际工程应用提供可靠依据。

1 内嵌式封装工艺

凹槽内嵌FBG传感器封装结构如图1所示。机械打散钢绞线取得中心丝，设置0.5 mm深、1 mm宽的凹槽。在中心丝张拉持荷状态下用环氧树脂类黏结剂将FBG 传感器粘贴封装于凹槽内，粘贴长度不少于70 mm。待黏结剂达到足够强度后卸载中心丝，对端部引出的光纤进行封装保护，将封装好FBG 传感器的中心丝与边丝扭绞成型，制得自感知钢绞线（图2）。

图1 凹槽内嵌FBG传感器封装结构

图2 自感知钢绞线实物

采用以上封装方式将FBG 粘贴嵌入钢绞线内，一方面可以避免FBG 在恶劣施工环境下受到损伤，提高传感器的布设存活率以及使用寿命，另一方面FBG 传感器在预压下提高了监测量程，能更好地实时跟踪钢绞线应力应变情况。

2 FBG水浴恒温试验

2.1 恒温试验概况

试验采用1×7 标准型钢绞线的中心丝，公称直径5.2 mm，横截面积21 mm2，截取长度100 mm 的中心丝作为封装的基底材料。选用3种不同初始中心波长的光纤光栅，分别记为P0（11 536 nm），P0（21 540 nm），P0（31 544 nm）。光纤光栅解调仪为Agilent86142B光谱仪，波长解调范围1 525～1 560 nm，波长精度2.5 pm，分辨率1 pm；环氧树脂弹性模量大于2.5 GPa。

将3根不同初始中心波长的裸FBG浸没于装有水的烧杯中进行水浴恒温试验，初始温度为5 ℃，随后升温至10 ℃，再按每级10 ℃逐级升温至100 ℃，温度保持稳定时采集传感器的中心波长，记为A 组。因试验无扩大量程需求，水浴恒温试验结束后，将FBG 在钢绞线中心丝无应力状态下内嵌封装于中心丝凹槽内，制得自感知中心丝并重复进行水浴恒温试验，记录中心波长，记为B组。试验现场如图3所示。

图3 试验现场

2.2 试验结果分析

FBG 具有交叉敏感特性，应力应变和温度同时影响其中心波长的漂移，且与中心波长的漂移量成线性关系，可以表示为

式中：∆λB和λB分别为FBG 的中心波长漂移量和初始波长；Kε和KT分别为FBG 的应变灵敏度和温度灵敏度；εz为轴向应变；∆T为温度变化值。

当FBG 传感器用于测量构件应变时，温度会造成不可忽略的误差。温度变化引起的反射波长变化可表示为

式中：ζs为光纤的热光系数；αs为光纤的热膨胀系数。

由于裸FBG 对温度和应变的灵敏度都不高，通常将其粘贴于灵敏度较大的基底材料上并封装起到增敏的作用。凹槽内嵌式封装的FBG 作为应变传感元件，对温度的灵敏度也随之提高。粘贴后的FBG 反射波长随温度的变化关系为

式中：Pe为光纤的弹光系数；αsub为基底材料的热膨胀系数。

以FBG的中心波长λ为纵坐标、温度变化值ΔT为横坐标，对不同组别的试验数据进行线性拟合（图4），其拟合直线的斜率即为FBG的温度灵敏度KT。

图4 FBG中心波长与温度变化值的拟合曲线

由图4 可知，封装前后FBG 的中心波长与温度均具有良好的线性关系，温度灵敏度与FBG 的初始波长基本不相关。在20 ℃以下，FBG 传感器的中心波长普遍低于初始波长，粘贴封装于凹槽后，3根FBG 的温度灵敏度均有所提高。

将每组3 个试件的试验数据取平均值进行拟合，得到FBG 封装前后中心波长与温度关系曲线，见图5。封装前FBG 其平均温度灵敏度为0.010 4 nm/℃，封装于凹槽后的平均温度灵敏度为0.024 5 nm/℃，增长了0.014 1 nm/℃，约为粘贴封装前的2 倍。这是由于FBG 粘贴于钢绞线中心丝上，作为基底材料的钢绞线热膨胀系数相对较大，温度通过黏结剂的传递对其有一定的增敏作用，采用温度补偿的措施可以减小温度带来的误差。

图5 FBG封装前后中心波长与温度关系曲线

内嵌封装的FBG 传感器主要用于测量自感知钢绞线的应变，应变灵敏度［16］一般为1.21×10-3nm/10-6，钢绞线的极限应变可达到8 000×10-6。当其应用于实际工程时，必然会受外界温度变化的影响。以B 组试件的平均温度灵敏度为参考，当昼夜或季节交替，外界环境温差达到30 ℃以上时，传感器中心波长会随之变化0.735 nm，温度带来的波长变化造成测量应变的误差可达到7.6%以上，且应变越小温度影响越大。

水浴恒温试验完成后，自感知钢绞线中心丝内的FBG 传感器封装完好，仍可重复测量中心波长，黏结剂未出现剥离、移位等现象，说明内嵌式封装对温度适应性良好。

3 结论

1）在钢绞线中心丝设置凹槽粘贴FBG 传感器的封装工艺，提高了FBG 传感器的布设存活率及使用寿命，实现了钢绞线应变的实时监测。

2）对FBG 进行水浴恒温试验，在5～100 ℃变化过程中，FBG 的中心波长随温度升高呈线性增长。FBG传感器的温度灵敏度与初始波长无关，裸FBG 粘贴封装于钢绞线中心丝凹槽后，温度灵敏度增大了1 倍多。

3）FBG 受温度和应变的交叉影响，对于自感知钢绞线，温度会造成传感器对钢绞线应变的测量误差。当钢绞线的使用环境温差达到30 ℃时，FBG 传感器的应变测量误差可达到7.6%以上，且应变越小影响越大。建议在钢绞线中心丝不受力部位串联封装1 个FBG传感器，以实现温度补偿减少误差。

4）试验完成后，FBG 传感器封装完好，试验数据仍具有较好的线性度和重复率，黏结剂未出现剥离、移位等现象，凹槽内嵌式粘贴封装对温度的适应性较好。