光纖粘貼工藝的實(shí)驗研究(改后)

1、2011東南大學(xué)校慶研究生學(xué)術(shù)報告會2011東南大學(xué)校慶研究生學(xué)術(shù)報告會膠層對分布式光纖應(yīng)變檢測的影響研究膠層對分布式光纖應(yīng)變檢測的影響研究宋華麗1，繆長青12（1.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京，210096；2.東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，南京，210096）摘要：要：結(jié)合應(yīng)變傳遞的相關(guān)理論，通過實(shí)驗和有限元建模進(jìn)行分布式光纖傳感器布設(shè)工藝與誤差的分析研究，研究膠層厚度、膠層長度等因素對裸光纖應(yīng)變信號傳遞的影響。光

2、纖傳感器的布設(shè)工藝與方法對于測量結(jié)構(gòu)應(yīng)變結(jié)果的影響很大，進(jìn)行光纖布設(shè)方法與測量誤差的分析對于提高疲勞試驗的測試精度具有重要的作用。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：分布式光纖傳感；膠層厚度；膠層長度；應(yīng)變傳遞INFLUENCEOFLAYEROFDISTRIBUTEOPTICSENSONSTRAINMEASUREMENTSongHuali1MiaoChangqing12(1.SchoolofCivilEngineeringSoutheastUniversi

3、tyNanjing2100962.KeyLabatyofConcretePrestressedConcreteStructureofMinistryofEducationSoutheastUniversityNanjingJiangsu210096China)Abstract：Combinedwiththetheyofstraintransferthelayouttechniqueserrofdistributedopticalfibe

4、rsenswasanalysiedbyexperimentfiniteelementabouttheinfluenceofsheathlayerlayerthicknesslayerlengthotherfactsonopticalsignalstraintransduction.Thelayouttechnologymethodsofopticalfibersenshavealargeimpactonstrainmeasurement

5、resultsofstructurewhichplaysanimptantroleonimprovingtheaccuracyoffatiguetest.Keywds:opticalfibersensinglayerthicknesslayerlengthstraintransfer1引言引言隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，大型工程結(jié)構(gòu)的建設(shè)越多，對在建工程的施工質(zhì)量監(jiān)測和對已建工程康診斷的技術(shù)要求也越來越高。結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測一個核心技術(shù)問題就是如何對

6、結(jié)構(gòu)體系中已現(xiàn)的損傷進(jìn)行有效的識別、定位和標(biāo)定?；趽p傷的靜力識別由于具有較高的精度和穩(wěn)定性，開始引起國內(nèi)外學(xué)者的重視[1]。統(tǒng)計規(guī)律表明結(jié)構(gòu)應(yīng)變對結(jié)構(gòu)的損傷比較作者簡介：作者簡介：宋華麗，（1986），女，碩士研究生，Email：songhuali22@；繆長青，（1963），男，副教授，Email：chqmiao@.敏感[2]?；诓祭餃Y光時域反射計(BrillouinOpticTimeDomainReflectometerBOTD

7、R)的分布式光纖傳感器，利用傳感光纖中的自然布里淵散射光的頻移變化量與光纖所受的軸向應(yīng)變之間的線性關(guān)系，可以測量結(jié)構(gòu)的分布式靜態(tài)應(yīng)變。因此，BOTDR分布式光纖傳感技術(shù)術(shù)在結(jié)構(gòu)損傷診斷領(lǐng)域具有較廣的應(yīng)用前景。BOTDA采用標(biāo)準(zhǔn)單模光纖作為傳感器。單模傳感光纖一般由四層組成，即纖芯、包層、涂敷層、護(hù)套層組成，而未加護(hù)套層的光纖稱為裸光纖。光纖傳感器理想的監(jiān)測結(jié)果是傳感器測量的應(yīng)變結(jié)果與基體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變完全相等，然而，由于粘貼層在應(yīng)變傳遞過程

8、中要吸收一部分能量，因此，光纖傳感器與基體結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)變是不相等的。其監(jiān)測應(yīng)變的準(zhǔn)確性取決于光纖傳感器的粘貼層等以及基體材料的物理力學(xué)性質(zhì)，即取決于光纖應(yīng)變傳2011東南大學(xué)校慶研究生學(xué)術(shù)報告會2011東南大學(xué)校慶研究生學(xué)術(shù)報告會1APR2200920:28:17ELEMENTS加而增加。圖3可以看出，膠層厚度越小，結(jié)構(gòu)的測量應(yīng)變值與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值的誤差越小，即光纖的膠層粘貼厚度越小，其測量結(jié)果越準(zhǔn)確。2.2.2膠層長度的影響在荷載(拉力為

9、2.52KN，，其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變?yōu)?0με)、膠層粘貼厚度（h=1.0mm）相同的情況下，分析膠層粘貼長度（長度分別為0.45mm、0.7mm、1.0mm）的影響。050100150200250300123456789101112131415161718192021nostrain標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變l=0.45ml=0.7ml=1.0m圖4裸光纖膠層長度比較圖4裸光纖的膠層長度比較圖所示，當(dāng)裸光纖膠層長度為0.45m時，實(shí)驗測得的結(jié)構(gòu)應(yīng)變平均值約

10、為230.842με，其與標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變值的誤差為1.565；膠層長度為0.7m時，結(jié)構(gòu)應(yīng)變實(shí)驗值為217.33με，誤差為1.415；而膠層長度為1.0m時，應(yīng)變實(shí)驗值為105.22με，誤差為0.169。通過以上數(shù)據(jù)可以看出，裸光纖的應(yīng)變測量誤差都隨著膠層長度的增加而減小即在一定范圍內(nèi)，膠層長度越長，實(shí)驗測量結(jié)果越接近實(shí)際。3有限元理論模擬有限元理論模擬根據(jù)實(shí)驗工況，通過有限元建模，理論模擬實(shí)驗，分析比較二者所得結(jié)果。3.1有限元建模有限

11、元建模在有限元計算時，選用單模光纖作為研究對象，光纖參數(shù)取值如表1所示，基體截面尺寸為20mm10mm。粘結(jié)劑是聯(lián)系基體和光纖應(yīng)變傳遞的中間材料，按照實(shí)驗的實(shí)際情況，同時為了保證結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能夠充分傳遞到光纖上，把粘結(jié)劑做成一個弧形，把光纖包裹起來。由于纖芯和包層材料相近，所以在建模時把它們作為一層進(jìn)行處理，統(tǒng)稱為纖芯層。光纖放置在基體結(jié)構(gòu)上表面的中間，基體、粘結(jié)劑、護(hù)套、涂敷層和纖芯層之間沒有任何滑移。纖芯層、涂敷層、護(hù)套層、基體結(jié)構(gòu)的

12、網(wǎng)格單元都采用8結(jié)點(diǎn)三維等參實(shí)體solid45單元。在網(wǎng)格劃分時，纖芯、涂敷層、護(hù)套層部分網(wǎng)格尺寸較小，基體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸較大，網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。圖5表面粘貼式光纖有限元模型表1傳感光纖基本參數(shù)表項目代表符號數(shù)值纖芯彈性模量Eg7.2104MPa涂敷層彈性模量Et2.55MPa纖芯半徑rg62.5?m涂敷層半徑rt125?m纖芯泊松比rg0.17涂敷層泊松比rt0.483.2有限元計算有限元計算通過有限元計算分析光纖傳感器的應(yīng)變傳遞