钟 阳 尚冉冉

(大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

光纤光栅传感器的无胶化封装及蠕变规律研究

钟 阳 尚冉冉

(大连理工大学建设工程学部，辽宁 大连 116024)

为了进一步提高光纤光栅传感器在沥青混凝土路面结构监测应用的长期有效性，以沥青混凝土作为封装材料，在封装过程中以缠绕固定代替高分子粘结剂，使得传感器无胶化，并对光纤光栅传感器蠕变规律进行试验研究，得出光纤光栅传感器蠕变随时间变化规律，提出了避免蠕变现象对监测结果不利影响的建议。

光纤光栅传感器，沥青混凝土，无胶化，封装方式，蠕变规律

如何将光纤光栅传感技术有效地应用于路面结构监测领域是目前的研究热点之一[1]。现阶段沥青混凝土路面结构监测的主要方式是对传感器进行合理封装后埋入结构层[2]。但是这样的传感系统可靠性难以保证[3]，较为常见的是系统中传感器的失效直接导致测试失败。研究表明，现有封装成型传感器失效的主要原因是封装结构的失效[4]，因此封装方式和方法的好坏成为影响监测有效性的关键因素。较为理想的封装方式应具有服役的耐久性以及监测的有效性[5]。而现有的封装方式大多采用环氧树脂、硅橡胶等聚合物或铜等金属作为封装材料，并且大量使用高分子粘结剂[6]。这些封装材料与沥青混凝土的弹性模量相差很大，会影响传感器与被测结构变形的协调性；其次，金属材料在长期服役过程中会发生锈蚀，高分子粘结剂也存在老化现象[7]。这些问题导致现有的封装方式难以保证光纤光栅传感器在服役过程中的有效性以及长期测试的耐久性。为了提高光纤光栅传感器与被测结构变形的协调性，本文利用沥青混凝土作为封装材料，用缠绕固定的方式代替高分子粘结剂以提高其耐久性。并对封装成型的传感器进行室内加载试验，测试结果表明此封装方式是可行的。本文还对传感器的蠕变规律进行研究，说明蠕变随时间变化情况，由此提出减少蠕变对测试结果影响的建议。

1 无胶化光纤光栅传感器的制作

利用经过特殊处理的沥青混合料车辙试件以及混凝土试件，本文设计了一种光纤光栅路用传感器，其封装成型的结构示意图如图1所示。

在制作过程中，首先采用轮碾法制作带有孔槽的车辙试件：试件尺寸为300 mm×300 mm×50 mm。将拌和好的沥青混合料装入试模一半高度时，放入十字交叉的两只金属管以预留孔道，金属管在车辙试件的正中心位置。试件成型后抽出金属管，留出孔道，用光纤光栅熔接机将两只传感器串联，传感器穿过孔道后两端用跳线引出并缠绕在混凝土柱上，在操作过程中要保证传感器的位置并保留一定程度的张拉，最后用沥青对孔道浇筑固定。

2 无胶化路用传感器的室内试验

传感器制作成型的室内试验。对其进行静载，冲击荷载的加载，以模拟路面上的行车荷载，本试验采用美国Micronoptics公司的四通道解调仪FBG-SL1进行数据采集，采集频率为100 Hz。本试验将光纤光栅传感器与解调仪连接，并通过电脑系统采集储存测量数据。

2.1 静载试验

为了模拟沥青路面在静止车辆荷载作用下的应变变化趋势。加静载750 N，加载位置为车辙试件中心，光纤光栅传感器的反应数据采集结果如图2所示，其中心波长变化情况反映出在加载瞬间应变变化很大，之后部分恢复，并趋于平稳。

2.2 动荷载加载试验

在冲击荷载加载试验中，用铁锤敲击封装好的传感器，以模拟沥青路面在振动荷载作用下的受力情况。敲击位置为车辙试件的中心，由图3实测数据看出，传感器在冲击荷载作用时，中心波长瞬间变化，表明传感器应变瞬间增大。

2.3 加铺沥青层后动载试验

本试验中，在传感器上层加放一层沥青混凝土车辙试件，以模拟传感器在沥青混凝土路面结构层中的受力情况，加载方式同上，所测数据图如图4所示，与图3比较不难看出，加铺沥青混凝土试件后，波长变化变缓，同时波峰变小，符合沥青路面结构层受力的状况。

3 光纤光栅传感器的蠕变规律研究

由于光纤光栅传感器在上述封装形式下，始终处于张拉状态，在实际应用过程中，会不可避免地产生蠕变和应力松弛现象[8]，这势必会影响传感系统监测结果的可靠性，为了探讨这一问题，本文对光纤光栅传感器在静拉力作用下的蠕变规律进行试验研究。

3.1 试验装置

试验中取中心波长为1 580 nm的光纤光栅传感器四组，缠绕悬挂于事先做好的支架上，对其中三组进行加载，荷载大小分别为2 N,3 N,5 N，采用砝码持续加载；另一组传感器不加载，作为温度补偿对照。由于在实际服役过程中光纤光栅传感器的应变量仅有几百微应变[9]，而2 000对应的荷载值大小仅有1.226 N，并且前期试验表明传感器在8 N的拉力持续作用下会发生断裂，因此本试验没有尝试更大的张拉荷载。为了提高试验精度，减少外部环境对试验结果的扰动，为试验装置罩以玻璃罩。

3.2 试验数据采集与分析

本试验同样利用Micronoptics公司的光纤光栅解调采集试验数据，对采集的数据剔除温度应变后间隔24 h抽取，得到每天相同时刻光纤光栅传感器的中心波长变化情况，并计算相对蠕变量，图5中的数据反映了光纤光栅传感器相对蠕变值随时间变化情况。

从试验结果可以看出：不同荷载作用下的光纤光栅传感器蠕变趋势基本相同：开始蠕变速度较大，之后蠕变变缓并逐渐趋于平稳，平稳后的相对蠕变值在0.05%～0.08%之间波动，此波动可能是采集仪器采集精度不足导致。但是不同荷载作用下的光纤光栅传感器达到稳定的时间并不相同，5 N荷载作用下的光纤光栅传感器在第7天达到平稳，3 N的荷载在第12天达到平稳，2 N的力大概在16 d才能达到平稳，说明荷载越小，蠕变完成所需要的时间越长。因此我们在实际中可以预先对光纤光栅传感器进行张拉，待蠕变完成后再进行封装制作。这样可以有效减少蠕变对监测结果有效性的影响，同时试验结果也说明在作用荷载不大的情况下，光纤光栅传感器本身的的蠕变量很小，一般不超过0.08%，对测量结果的有效性影响很小。

4 结语

1)本文设计了一种新型光纤光栅传感器封装方式，将光纤光栅传感器封装在经特殊处理的沥青混合料车辙试件中，两端缠绕在混凝土柱上并用沥青浇筑固定。这样以被测结构材料作为封装材料，以缠绕固定代替高分子粘结剂的使用，从而实现了光纤光栅传感器的无胶化，提高封装传感器的有效性和耐久性。

2)本文对封装成型的传感器进行室内试验，实验结果表明传感器的测试情况符合一般力学规律，传感器的封装方式是可行的。

3)本文对于光纤光栅传感器在张紧情况下的蠕变规律进行试验分析，得出传感器蠕变一般规律：施加荷载初期光纤光栅传感器蠕变较快，后来逐渐趋于稳定，荷载越小达到稳定所需要的时间越长，但是相对蠕变值均稳定在0.05%～0.08%之间。建议在封装之前对传感器张拉一段时间以减少蠕变问题对传感器监测精度的影响。

[1] Giorgio Nosenzo. Monitoring of Mining Induced Subsidence through Measurement of Ground Strains with Fiber Bragg Grating Sensors [A].2011 IEEE Sensors Proceeding[C].2011(2)：707-1377.

[2] Housner G W, Bergman L A, Caughey T K. Structural control past present and ruture [J].Journal of engineering mechanics.1997，123(9):897-971.

[3] 柳智慧，石文玉，张 蕊.光纤光栅传感器封装增敏技术研究[J].光器件，2015(1)：21-22.

[4] Jang J H, Jeong J H, Kwon J M, et al. Long-term monitoring operation of the test-road in Korea Highway Corporation (KHC) [J].Sensing Issues in Civil Structural Health Monitoring, 2005(12):505-514.

[5] AASHTO. The AASHTO road test, report 5. Pavement Research, Special Report 73,Highway Research Board,1962.

[6] 杜 翀，霍施宇.光纤光栅传感器高温粘结失效机理试验[J].上海大学学报,2013,19(6)：37-38.

[7] 田庚亮.光纤传感技术监测沥青混合料应变响应有效性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文,2009:1.

[8] 徐志洪，ANSARI Farhad.用弱相干白光双干涉系统测量光纤的蠕变[J].中国科学：科学技术,2010,40(2):163-166.

[9] 钟 阳，王建坤，王东明.用于路面结构监测的光纤光栅应变传感器研究[J].北方交通,2012(4)：1673，6052.

Research on creep law of packaging machine without glue of optical fiber grating sensor

Zhong Yang Shang Ranran

(ConstructionEngineeringCollege,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

In order to further improve the long-term effectiveness of optical fiber grating sensor in asphalt concrete structure monitoring application, taking the asphalt concrete as the packaging materials, in the encapsulation process by winding fixing instead of polymer binder, made the sensor without glue, and made test research on the creep law of optical fiber grating sensor, gained the law of optical fiber grating sensor changed with time, put forward the suggestion to avoid the creep had adverse influence to monitoring results.

optical fiber grating sensor, asphalt concrete, without glue, encapsulation way, creep law

2015-03-08

钟 阳(1955- ),男，教授； 尚冉冉(1988- )，女，在读硕士

1009-6825(2015)14-0138-02

TN915.62

A