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1、評(píng)估彎曲應(yīng)變測(cè)量在復(fù)合帆船船首斜桅與嵌入式光纖布喇格光柵Raffaella Di Sante, Lorenzo Donati, Enrico Troiani, Paolo Proli母校Studiorum-博洛尼亞大學(xué)工業(yè)工程部門(mén)- DIN,MaSTeRLab，通過(guò)囟門(mén)40、Forli FC 47121年,意大利。文獻(xiàn)信息文章歷史：2013年10月22日收到2014年4月9日收到修訂版2014年4月18日審核通過(guò)了2014年4月30日傳到網(wǎng)上關(guān)鍵詞：FBG 光纖光柵 嵌入式傳感器 應(yīng)變測(cè)量 海洋復(fù)合結(jié)構(gòu) 高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)文獻(xiàn)綜述Acrylate-coated光纖布喇格光柵(fbg)嵌入在船首斜桅帆

2、船制造管狀部分使用高壓真空裝袋過(guò)程和現(xiàn)實(shí)的加載條件下測(cè)量的目的菌株。為了建立一個(gè)有效的過(guò)程傳感器集成、平面拉伸標(biāo)本與嵌入式傳感器首先產(chǎn)生在不同處理?xiàng)l件下,使用先進(jìn)的復(fù)合材料用于海洋工業(yè)。信息以這種方式被用來(lái)制造一艘帆船船首斜桅與數(shù)組之間的光柵嵌入式內(nèi)彎。為了評(píng)估嵌入式傳感器的靈敏度和準(zhǔn)確性,船首斜桅受到彎曲測(cè)試,結(jié)果比較分析值和數(shù)據(jù)粘貼應(yīng)變片電。結(jié)果是非常令人鼓舞的,但顯示,必須十分注重一體化進(jìn)程和嵌入式的原位校準(zhǔn)傳感器。 2014愛(ài)思唯爾有限公司保留所有權(quán)利。1、引言復(fù)合材料,尤其是碳纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料,目前廣泛正在很多領(lǐng)域用來(lái)建設(shè)輕,耐用和結(jié)實(shí)的結(jié)構(gòu)。然而由于建模的復(fù)雜性,以及需要用來(lái)來(lái)

3、預(yù)測(cè)一些力學(xué)行為,人們急需有效可靠的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來(lái)改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),維護(hù),性能和安全問(wèn)題1、2。 近年來(lái),光纖傳感器憑借他們的亮度、重量,耐用性和對(duì)電磁干擾的不敏感性為不同力學(xué)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示出了巨大的潛力。此外,由于尺寸小，他們還很適合嵌入纖維復(fù)合材料。至于檢測(cè)表面或內(nèi)部壓力的復(fù)合材料而言,光纖布拉格光柵(fbg)是最常用的光纖傳感器,但是他們的性能很可能會(huì)受到嵌入過(guò)程和周?chē)镔|(zhì)的存在的影響。因此,對(duì)它必須要準(zhǔn)確地估計(jì)。實(shí)際上,當(dāng)將光纖布拉格光柵傳感器集成到以纖維為基礎(chǔ)的復(fù)合體內(nèi),由于機(jī)械和熱氣壓力，制造過(guò)程實(shí)際上引入了許多問(wèn)題，可能損壞傳感器或改變他們的性能【3、4】。例如,因?yàn)殡S著嵌入纖維產(chǎn)生

4、的局部集中的和分散的壓力導(dǎo)致的光學(xué)損失5可能會(huì)降低信噪比值，而這在測(cè)量長(zhǎng)距離時(shí)可能是至關(guān)重要的，比如在大型結(jié)構(gòu)的情況下。另外,剩余壓力可能會(huì)產(chǎn)生雙折射影響，并使得嵌入式傳感器的布拉格譜峰裂開(kāi)4。此外,還會(huì)在結(jié)構(gòu)中形成壓力度,從而隨光柵長(zhǎng)度影響頻率寬度和決定波長(zhǎng)的偏移。比如承受彎曲荷載的結(jié)構(gòu)，就是這樣的6。本文打算通過(guò)制造復(fù)合可拉伸試樣的嵌入式光纖光柵和一個(gè)典型的航海結(jié)構(gòu),即嵌入光纖光柵陣列的船首斜桅來(lái)研究這些關(guān)鍵問(wèn)題。特別是,基于先前對(duì)利用在高壓蒸汽的真空包裝技術(shù)來(lái)產(chǎn)生拉伸先進(jìn)復(fù)合材料的生產(chǎn)過(guò)程的調(diào)查研究，以及對(duì)于在制成的樣本和嵌入式光纖的介紹,擴(kuò)充,和對(duì)引入的光學(xué)損失例如微彎8以及可能存在的

5、殘余橫向壓力導(dǎo)致變形的布拉格光譜的探討3,9。不同于往常采用光學(xué)頻譜分析儀(OSA)(見(jiàn)8例如),光學(xué)損失評(píng)估使用了OTDR(光時(shí)域反射計(jì))和OLCR(光學(xué)低相干反射計(jì))技術(shù)等強(qiáng)大的方法來(lái)確定損失與高分辨率的返回?fù)p失空間分布。此外,對(duì)調(diào)查樣本進(jìn)行了拉伸和三點(diǎn)彎曲測(cè)試來(lái)評(píng)價(jià)嵌入后的壓力傳遞,這實(shí)際上(3、6)至關(guān)重要?；诶鞓颖镜慕Y(jié)果,特別是對(duì)于影響制造工藝參數(shù)的因素，最后被用來(lái)生產(chǎn)嵌入式光纖光柵陣列的船首斜桅。OTDR技術(shù)再次被用來(lái)評(píng)估光學(xué)損失和可能的光譜變形。最后要進(jìn)行彎曲測(cè)試，通過(guò)分析和測(cè)驗(yàn)來(lái)自壓力粘貼片的參考數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估壓力傳遞,從而校正與嵌入式光纖光柵在彎曲荷載條件有關(guān)的需要進(jìn)行精確測(cè)

6、量的因子的值。這項(xiàng)工作是與瑞芭復(fù)合材料公司意大利艦隊(duì)制造業(yè)的一家公司緊密合作的，他具備了先進(jìn)的復(fù)合結(jié)構(gòu),汽車(chē)和航空航天工業(yè)應(yīng)用和Sestosensor srl,從屬于意大利中小企業(yè)與相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)在光纖傳感器發(fā)展民用部門(mén),其目的是驗(yàn)證中利用光纖來(lái)可靠監(jiān)控工業(yè)環(huán)境產(chǎn)生的復(fù)合材料的有效性。2、材料和方法2.1 拉伸試樣為了研究工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的效果和對(duì)光纖布喇格光柵的嵌入的相關(guān)參,首先進(jìn)行拉伸試樣生產(chǎn)和測(cè)試(參見(jiàn)圖1)。通過(guò)不同溫度(90 and120 攝氏度）和3 bar下的真空包裝技術(shù)下的高壓蒸汽制造出不同碳纖維增強(qiáng)塑料層壓制品。在固化之前,檢測(cè)有光纖布喇格光柵兩個(gè)不同的涂料的標(biāo)本(丙烯酸酯和聚酰亞

7、胺）涂在樣品表面或嵌入樣本。傳統(tǒng)的電壓力粘貼片是貼裝在標(biāo)本的表面，并用用作參考比較。更多的標(biāo)本細(xì)節(jié)在制造業(yè)報(bào)告書(shū)里7。在120攝氏度下涂有丙烯酸酯的傳感器失敗了C,而涂有聚酰亞胺的光柵能夠承受的最高溫度。此外,需要特殊的技術(shù)解決方案以保護(hù)材料中纖維進(jìn)出點(diǎn),同時(shí)也要住意纖維可能會(huì)在層壓板外破損或者在特殊的英鎊套筒或用于保護(hù)纖維和纖維本身的聚四氟乙烯箔之間的接口。成品后,檢測(cè)布喇格光柵的光譜,在這里，通過(guò)使用光學(xué)頻譜分析儀和纖維內(nèi)部的光學(xué)損失檢查可能的變形，傳感器通過(guò)OLCR技術(shù)得到高空間的和光譜的測(cè)量。最后,對(duì)樣本進(jìn)行拉伸和三點(diǎn)彎曲測(cè)試。2.2 船首斜桅制造和測(cè)試小樣本后,嵌入的過(guò)程獲得的信息和

8、傳感器性能被用來(lái)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)合船首斜桅,即從船的船首伸展出來(lái)的桿,通常稱(chēng)為臂或gennaker提供支持。用于高壓下生產(chǎn)船首斜桅的復(fù)合材料是GG630T-DT120-37， pre-preg 600 g /毫米2密度和織物輸入一個(gè)東麗T700類(lèi)型2 ?2斜紋組織。船首斜桅有100毫米嗎?80毫米（100 mm ? 80mm），矩形空心截面為4.6毫米寬,2米長(zhǎng)。圖1 復(fù)合材料拉伸試樣的例子根據(jù)ASTM 3039標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn),使用嵌入式光纖布拉格光柵和surfacemounted電子應(yīng)變計(jì)。在高壓蒸汽固化前,帶有光柵的光纖列陣被放置在船首斜桅內(nèi)的最后兩個(gè)板層之間,如圖2所示。光纖傳感器是根據(jù)不同的配置來(lái)

9、安置的,即兩個(gè)系列的光纖光柵傳感器(10毫米長(zhǎng)的)彼此之間是間隔0.5米，并且一個(gè)從100mm寬的一邊嵌入而另一個(gè)從寬80mm的那邊嵌入,最后兩個(gè)單光纖光柵傳感器被放置在剩下的那邊。單一傳感器和兩個(gè)系列的中央傳感器在光纖光柵的都精確地安置在在船首斜桅的中心。在圖2中展示的傳感器配置。所有的八個(gè)傳感器都是涂有丙烯酸酯的。為了獲得參考測(cè)量值用來(lái)和拉伸樣本作比較，同等數(shù)量的電壓力粘貼片附著在光柵之上，其位置如圖2所示。基于傳感器、電子計(jì)量器和FBG有著相同的檢測(cè)長(zhǎng)度(10毫米)、且在大多數(shù)傳感器的材料里都既沒(méi)有明顯的橫向和縱向壓力或者壓力梯度的事實(shí)，上面所說(shuō)的比較成為可能。事實(shí)上,壓力計(jì)量器具有減小

10、橫向變形的內(nèi)在的能力,并且如果有縱向梯度,提供計(jì)量器的傳感長(zhǎng)度的一個(gè)平均值，則可以與準(zhǔn)確度較低但可以提供關(guān)于偏差偏差的重要的信息的光傳感器進(jìn)行直接的比較。圖 2 光纖埋入,粘貼應(yīng)變片傳感器配置,表面貼裝電氣和光學(xué)纖維從船首斜桅出口圖 3 布喇格光纖光柵光譜嵌入在船首斜桅的拉伸試樣(a)和(b)圖 4 光學(xué)的基本檢測(cè)方案Low-Coherence反射計(jì)用于這項(xiàng)工作(a)和色散(b(左)/反射率(b,右)的纖維和傳感器嵌入到拉伸試樣。另外，對(duì)于船首斜桅,制造過(guò)程也是在95 的高壓蒸汽的下的真空包裝技術(shù)和3 bar的氣壓下進(jìn)行,非常類(lèi)似于因?yàn)楸┧狨サ睦w維和傳感器而產(chǎn)生了很好結(jié)果的小樣本。所有纖維材

11、料的進(jìn)出點(diǎn)都用了合適的金屬加強(qiáng)護(hù)套保護(hù)。就像在圖2中可以看到的一樣，這些點(diǎn)被放置的離船首斜桅尾部有一定的距離,目的是為了能夠完成隨后的邊緣表面，這也是最終產(chǎn)成品通常需要的。圖 5 拉伸試驗(yàn)的表面貼裝式光纖布拉格光柵(a)和嵌入式光纖光柵(b)3.結(jié)果與討論3.1布拉格光譜和光學(xué)損耗測(cè)量集成材料中的光學(xué)纖維的可以生產(chǎn)光學(xué)損失，因?yàn)樵谥圃爝^(guò)程中會(huì)產(chǎn)生電壓。事實(shí)上,聚合那些基質(zhì)所要求的高溫高壓可以引起纖維變形,從而產(chǎn)生由微小形變損失而引起的光衰減。盡管對(duì)光柵波長(zhǎng)的估計(jì)是在當(dāng)涉及到長(zhǎng)結(jié)構(gòu)如船桅桿(可以達(dá)到40米)時(shí)，壓力信息就會(huì)被編碼的頻域內(nèi),但評(píng)估信噪比是否仍足夠高到可以進(jìn)行高質(zhì)量的測(cè)量依舊很重要,

12、即要求信噪比高。此外,由于頻譜不對(duì)稱(chēng)的殘余壓力，嵌入過(guò)程可能引入布拉格光柵的變形9。在這種情況下,涂層在避免由于雙折射而產(chǎn)生峰頂斷裂的現(xiàn)象起著根本性的作用。不過(guò),當(dāng)殘余壓力剖面特別不規(guī)則時(shí),因?yàn)楣鈻虐l(fā)生不均勻的形變會(huì)導(dǎo)致頻譜帶寬被放大放大,因此反射回來(lái)的波長(zhǎng)也一樣。因此，檢查嵌入光柵的光譜,以確保他們嵌入后沒(méi)被扭曲是很重要的。圖 6 對(duì)拉伸試驗(yàn)裝置的彎曲測(cè)試標(biāo)本圖 7 彎曲試驗(yàn)的嵌入式光纖光柵(a)和表面貼裝式光纖布拉格光柵(b)與表面貼裝電相比應(yīng)變計(jì)(SG)和表面貼裝式光纖布拉格光柵計(jì)算計(jì)的因素圖 8 試驗(yàn)裝置的彎曲測(cè)試船首斜桅和加載配置首先,使用光學(xué)光譜分析器測(cè)量光譜，結(jié)果如圖3所示。圖3

13、(a)顯示了嵌入在一個(gè)可拉伸的樣本的具有丙烯酸酯涂層的光纖布喇格光柵在嵌入之前和之后的光譜。在另一個(gè)樣本中沒(méi)有顯示出有扭曲,這就證明在那種溫度和壓力的高壓鍋爐的加工過(guò)程為光柵的性能提供了良好的保護(hù)。此外,在這個(gè)案例中，通過(guò)布拉格頂峰的所呈現(xiàn)的波長(zhǎng)位移的公稱(chēng)值可以假設(shè)成用通過(guò)高壓鍋爐程序后的樣本進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的縱向殘余壓力。在這種情況下，比如像案圖3(a)所示,213海里的移動(dòng)大約對(duì)應(yīng)176。而圖3(b)則顯示了嵌在船首斜桅全部序列的光譜。同樣,可以看出，在相同壓力和溫度的高壓鍋爐下，涂有丙烯酸酯的光柵的光譜既沒(méi)有斷裂也沒(méi)有擴(kuò)大。在這種情況下殘余壓力是起反作用的,這是由于制作過(guò)程中采用了不同的模

14、具。事實(shí)上,用于加工船首斜桅的模具四周都是密封的，這使得的樹(shù)脂在融化階段難以顯著擴(kuò)大,從而也比在收縮階段去壓縮炭和光纖更難。相反,在拉伸樣本的情況下,使用了一個(gè)模具和可以打開(kāi)兩邊countermould。為了估計(jì)樣本和船首斜桅內(nèi)部的光學(xué)損失,用到了光學(xué)低相干reflectom法 (OLCR)5。使用的儀器是一個(gè)ANDO AQ741有Er放大自發(fā)的工作-錫安(ASE)low-coherence激光源和邁克耳孫干涉儀。如圖4(a)所示,在這種類(lèi)型的儀器中，來(lái)自光源的光學(xué)輸出的寬帶被發(fā)射到一個(gè)分束器中分成兩光束。一束入射到測(cè)試的光纖,而另一束被當(dāng)成一個(gè)當(dāng)?shù)豲scil(LO)穿過(guò)一個(gè)由移動(dòng)鏡和反射器組

15、成的光延遲通道。組成的光學(xué)延遲線光和反射鏡。實(shí)驗(yàn)中的纖維反射的光和LO產(chǎn)生的光疊加在一起，當(dāng)這些路徑長(zhǎng)度是均衡時(shí)，產(chǎn)生的交匯圖則通過(guò)一個(gè)平方律檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)。隨著移動(dòng)鏡子，沿著光波反射位置不斷變化。反射率則從干擾信號(hào)強(qiáng)度中獲得?；谟糜谙拗七B貫性低的光源的實(shí)際帶寬的過(guò)濾性能，可以給嵌入式光纖光柵傳感器感興趣波長(zhǎng)范圍的光學(xué)損失做出一個(gè)準(zhǔn)確的估計(jì)。這種類(lèi)型的反射計(jì)有著高空間分辨率(在窄帶模式下為0.15 mm1550 nm和0.70 1550海里)，可以快速測(cè)量回波損耗和散射回的光的瑞利,這反過(guò)來(lái)可以識(shí)別由于沿著光波導(dǎo)色散形成的光學(xué)損失分布。對(duì)所有樣品都進(jìn)行了1550 nm的回波損耗的測(cè)量和損失分布

16、估計(jì)。圖4(b)顯示了損失分布和從嵌入了涂有丙烯酸酯的光纖布喇格光柵的可擴(kuò)展的樣本獲得的回波損耗。依照映射到水平軸上的與光連接端口的距離，所有結(jié)果都顯示出來(lái)了。在圖景的左邊,較高的峰值表明損失集中在纖維進(jìn)入材料的地點(diǎn)，而短和寬的峰值對(duì)應(yīng)于保護(hù)性材料末尾的地點(diǎn)(“英鎊”套管或聚四氟乙烯箔)。明顯檢測(cè)到的集中的損失,是由于在制造過(guò)程的高壓鍋爐中高壓力(3bar)的使用,這使得纖維彎曲和折射率發(fā)生變化,從而導(dǎo)致光波導(dǎo)的分散和背向反射。右邊的較高的頂峰對(duì)應(yīng)纖維的終點(diǎn),即因?yàn)榭諝獬煞智秩攵鴽](méi)有受到保護(hù)的纖維的末端。該技術(shù)首次被作者應(yīng)用于測(cè)驗(yàn)嵌入纖維。傳感器5非常有用的,因?yàn)樗軌驕?zhǔn)確定位的光學(xué)損失,最終

17、檢測(cè)是否損害或破壞,并定量估計(jì)這些從而可以比較不同技術(shù)解決方案和嵌入不同的材料的性能以及板層的布局。圖 9 對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在SG位置:(a)加載“A”和(b)加載案件“C”3.2.拉伸測(cè)試當(dāng)嵌入式不是唯一重要的問(wèn)題要處理時(shí)布喇格光柵的光譜的質(zhì)量應(yīng)當(dāng)執(zhí)行應(yīng)變測(cè)量復(fù)合材料。事實(shí)上,對(duì)于純粹的縱向應(yīng)變系數(shù)為k的光纖,這是定義為規(guī)范化的單位波長(zhǎng)位移應(yīng)變: (1)在是對(duì)布喇格波長(zhǎng)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí) 不會(huì)隨布拉格波長(zhǎng)而改變,這可能無(wú)法真實(shí)準(zhǔn)確的代表周?chē)睦w維材料實(shí)際經(jīng)驗(yàn)帶來(lái)的壓力。這是由于應(yīng)變纖維核心的轉(zhuǎn)移的影響材料和保護(hù)層之間的接口(涂層)的纖維這一事實(shí) 。在碳纖維增強(qiáng)的情況下環(huán)氧復(fù)合材料，壓力轉(zhuǎn)移到嵌入式

18、的核心上的光纖傳感器可能取決于環(huán)氧樹(shù)脂和碳的纖維類(lèi)型、,織物編織和光柵長(zhǎng)度。出于這個(gè)原因,實(shí)際的嵌入式傳感器計(jì)因素一般必須重寫(xiě)為: (2)在系數(shù)下考慮應(yīng)變傳遞的光彈系數(shù)和是出了名的纖維。當(dāng)然,值接近1是可取的。應(yīng)變傳遞系數(shù)要求的可靠估計(jì)，因此原位校準(zhǔn)的傳感器卻并非易事。粘貼應(yīng)變片電可能是一個(gè)參考,但在這種情況下,必須考慮相關(guān)的不確定性(約1%)限制了決定光纖光柵傳感器的精度?；谶@樣一種比較,一個(gè)值為0.7880.002嵌入式被發(fā)現(xiàn)光纖光柵傳感器,如圖5所示(a),這是非常接近二氧化硅的理論價(jià)值,即0.78pm/ nm10。為表面貼裝式光纖布拉格光柵(圖5(b)一個(gè)較低的值更高的不確定性,即7

19、.490.017,被發(fā)現(xiàn)。傳感器不是膠著地保稅后樣品制造,而是沉浸在固化前樹(shù)脂在高壓蒸汽。在這種情況下,這個(gè)過(guò)程有高不確定性的影響,因?yàn)樗Q于樹(shù)脂在固化過(guò)程中分配和轉(zhuǎn)讓后應(yīng)變的能力生產(chǎn)過(guò)程在高壓蒸汽。圖 10 對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的光纖光柵位置:(a)加載“A”和(b)加載案件“C”3.3. 彎曲測(cè)試3.3.1. 拉伸試樣 用于拉伸測(cè)試的碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂試樣也同樣用于彎曲測(cè)試，彎曲測(cè)試安排見(jiàn)圖6。試樣兩端簡(jiǎn)支，在試樣中點(diǎn)施加載荷（三點(diǎn)彎曲測(cè)試），為了避免壓力直接作用在傳感器的執(zhí)行件上，載荷施加在試樣上與傳感器相反的那一面。 厚度值已經(jīng)在從嵌入式光纖光柵與表面光纖光柵得到的波長(zhǎng)變化值來(lái)估計(jì)

20、應(yīng)變值的拉伸測(cè)試中測(cè)得，結(jié)果見(jiàn)圖7。至于嵌入式光纖光柵，被放在試樣正中心的傳感器理論上來(lái)講由于傳感器的位置正好對(duì)應(yīng)著試樣受彎曲載荷作用下的中性軸位置不會(huì)檢測(cè)到縱向的應(yīng)變。圖6右側(cè)所示的檢測(cè)到的正應(yīng)變，可能是由于傳感器的位置與中性軸不重合導(dǎo)致的。至于表面光纖光柵（圖7（b），可以看出當(dāng)載荷增加到150N以上時(shí)，光學(xué)傳感器檢測(cè)到的應(yīng)變值就比實(shí)際值要低。載荷-應(yīng)變曲線的線性區(qū)以及載荷的數(shù)量級(jí)與拉伸測(cè)試所要求的很接近，在這個(gè)值域內(nèi)光纖光柵和SG的測(cè)量值一致性非常好。因此，所測(cè)得的應(yīng)變值就比實(shí)際值要低不大可能是由于纖維相對(duì)于周?chē)牧匣圃斐傻?。由于找不到其他明顯的起因?qū)е虏煌瑐鞲衅髦g的測(cè)量結(jié)果不一致，

21、可以猜測(cè)原因是光纖傳感器被安裝在了執(zhí)行件的正下方。這可能導(dǎo)致了局部的應(yīng)力集中以及因此產(chǎn)生的應(yīng)變梯度。如果合理的參考結(jié)果，可得靈敏度的值為0.636 0.003（見(jiàn)圖3（c），這表示在這種載荷形式下相同的縱應(yīng)變所引起的波長(zhǎng)變化會(huì)更小。同樣的，對(duì)實(shí)際應(yīng)變的低估和光纖光柵傳感器靈敏度的降低也出現(xiàn)在船首斜桅的彎曲測(cè)試中，這在下一小節(jié)中討論。3.3.2. 船首斜桅安裝好光纖光柵傳感器的船首斜桅已經(jīng)被安裝在用于碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂試樣拉伸測(cè)試的試驗(yàn)機(jī)上，如圖8所示。與拉伸試樣相同，船首斜桅兩端簡(jiǎn)支，彎曲載荷作用在中點(diǎn)。測(cè)試時(shí)載荷從0加載到3.2kN，同時(shí)用特意編寫(xiě)的LabVIEW程序記錄8個(gè)光纖光柵傳感器與

22、8個(gè)電阻應(yīng)變片所測(cè)得的數(shù)據(jù)。然而不像拉伸試樣，此測(cè)試不能直接比較光纖光柵與SG測(cè)得的結(jié)果。在船首斜桅的SGs實(shí)際上是位于外表面的,而下面的光纖傳感器是最后內(nèi)部的船首斜桅的厚度。因此,每一對(duì)傳感器、SG和FBG、是在空間上分開(kāi)的距離等于船首斜桅橫截面的寬度,例如4.2毫米,必須占在考慮應(yīng)變值的估計(jì)。因?yàn)檫@個(gè)原因,使用SGs是首先測(cè)量應(yīng)變值與分析結(jié)果相比從獲得的方程彎曲梁在三點(diǎn)彎曲負(fù)載條件下: （3）當(dāng)是給與的彎矩時(shí)：（4）據(jù)估計(jì)有一等于F的力作用于于船首斜桅和x應(yīng)變沿縱軸的位置時(shí),W的彎曲強(qiáng)度模量可以表示為: （5）L是船首斜桅的截面和I是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，反過(guò)來(lái)取決于截面面積船首斜桅和負(fù)載應(yīng)用方向(x

23、或y,請(qǐng)參見(jiàn)圖8)根據(jù)以下方程: 在h和b分別是船首斜桅矩形空心截面的的高度和和寬時(shí)，則s為其截面面積(見(jiàn)圖8)。圖 11 光纖光柵的校準(zhǔn)A2(a)和光纖光柵C(b)圖 12 布拉格的光譜傳感器B2和C在不同彎曲負(fù)荷圖 13 用彎曲加載配置應(yīng)用在船首斜桅Sectin 3將分析所得的結(jié)果與測(cè)試中從SG得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果作比較然后調(diào)整他們使其匹配以確定所用復(fù)合材料的實(shí)際初期系數(shù)，此系數(shù)事先無(wú)法得知。如圖9所示，比較對(duì)SG位置的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，計(jì)算49000MPa下的彈性模量E是可以實(shí)現(xiàn)的。加載程序“A”和“C”與為測(cè)試設(shè)計(jì)的加載配置相符合，第一個(gè)程序（“A”）載荷作用在船首斜桅有A傳感器的那一端（

24、見(jiàn)圖2和8）第二個(gè)程序（“C”）載荷作用在船首斜桅有C傳感器的那一端。從圖9可以看出所有傳感器位置的實(shí)驗(yàn)和分析值對(duì)確定E有很高的一致性。事實(shí)上，所有圖形重合度都非常高。傳感器C和D被安裝在載荷作用的相反面，并受到張緊。為了方便數(shù)值對(duì)比，船首斜桅拉伸面和壓縮面的應(yīng)變值都用正數(shù)表示。拉伸面的測(cè)量值比預(yù)期要稍微低一些。這可能是由于船首斜桅底面與橫向支承相接觸的地方有摩擦力導(dǎo)致的。無(wú)論如何，這些值不會(huì)直接用于與分析值的比較?；谕ㄟ^(guò)SG測(cè)量得出的初期系數(shù)，由船首斜桅的寬度（4.2mm）和方程（3）-（5）計(jì)算在光纖光柵傳感器所在位置的應(yīng)變分析值，并在之后用于與光纖光柵傳感器測(cè)量結(jié)果的比較。通過(guò)靈敏度k

25、將波長(zhǎng)變化轉(zhuǎn)換為應(yīng)變值，k在嵌入式丙烯酸涂層光纖光柵傳感器中已經(jīng)使用過(guò)了，也就是0.788 0.002。圖10比較了通過(guò)驗(yàn)證的分析值和光柵所獲得的數(shù)據(jù)。從圖中可得，位置在A1，A3，B1和B3這幾個(gè)離船首斜桅中心0.5m處的光柵分析和測(cè)量的應(yīng)變值之間一致性非常高，也都相應(yīng)的低估了中心光柵給出的應(yīng)變值。這種低估的情況在兩種加載程序（“A”和“C”）中都有出現(xiàn)并且離載荷施加點(diǎn)越近情況越明顯，這與相應(yīng)的SG情況不同。載荷為3.2kN時(shí)誤差高達(dá)19%（加載程序“A”）和15%（加載程序“C”）。 在測(cè)量期間自校準(zhǔn)曲線似乎在作為修改輸入是在旋轉(zhuǎn)，,數(shù)據(jù)串改估計(jì)實(shí)際計(jì)因素,圖11所示的光纖布喇格光柵A2和

26、C。敏感性在這種情況下等于0.6510.001和0.6700.003,低于標(biāo)準(zhǔn)敏感性石英纖維,即0.78和另一個(gè)在船首斜桅式光纖布拉格光柵有效的值。測(cè)量和預(yù)期之間的差異中央應(yīng)變值已經(jīng)被觀察到彎曲試驗(yàn)的小樣本,它不太可能取決于嵌入過(guò)程和滑動(dòng)纖維對(duì)材料的影響。一個(gè)可能的原因低估是壓力梯度的存在引起的本地應(yīng)用程序的負(fù)載集中在致動(dòng)器的壓力區(qū)。已經(jīng)文獻(xiàn)所示(見(jiàn)6)在彎曲荷載條件下,壓力梯度引起布拉格拓寬頻譜,因此一個(gè)不當(dāng)?shù)慕忉尩目v向應(yīng)變值算法實(shí)現(xiàn)的審訊系統(tǒng)檢測(cè)布拉格波長(zhǎng)位移。當(dāng)光柵長(zhǎng)度增加軸向梯度的影響時(shí)更糟,也會(huì)導(dǎo)致峰值應(yīng)變梯度時(shí)分裂相關(guān)6。光柵用于船首斜桅10毫米長(zhǎng),因此經(jīng)驗(yàn)在船首斜桅中心一個(gè)梯度足

27、夠擴(kuò)大算法的頻譜和引起的半最大值寬度不能識(shí)別正確的應(yīng)變。進(jìn)一步調(diào)查因此使用光學(xué)頻譜分析儀,測(cè)量?jī)蓚€(gè)中央光柵的光譜,B2和C,第一個(gè)受張力和第二個(gè)壓縮。結(jié)果是圖12所示。也許從在負(fù)載增加時(shí)的頻譜的圖不是扭曲,但僅僅是根據(jù)壓力信號(hào)轉(zhuǎn)變(緊張或壓縮)。B2傳感器的光譜寬度-3 dB表現(xiàn)出非常小的變化,即0.177 nm 無(wú)載,0.191 nm 1.2 kN,0.185 nm 2.8 kN和0.188 nm 3.2 kN。非常相似變化是觀察到的光纖光柵傳感器。為了驗(yàn)證是否低估的分析值取決于應(yīng)變場(chǎng),應(yīng)用負(fù)載的位置是在船首斜桅主軸移動(dòng),即在第三節(jié)(見(jiàn)圖13)。再次,SG值比較分析值從方程式中獲得。(3)-

28、(5),考慮到不同的位置應(yīng)用負(fù)載。圖14顯示了,在這種情況下仍有良好的協(xié)議之間的應(yīng)變值在所有傳感器位置,相同的值的彈性模量,E = 49000 MPa。分析應(yīng)變值被計(jì)算在光纖光柵傳感器的位置,再次考慮的截面寬度船首斜桅(4.2毫米)和使用方程式。(3)-(5)。圖15顯示了對(duì)比驗(yàn)證分析值和獲得的數(shù)據(jù)從光柵計(jì)系數(shù)為0.7880.002。從圖可以看出,這個(gè)時(shí)候有一個(gè)很好的協(xié)議的分析和實(shí)測(cè)應(yīng)變值光柵包括位于中心,除定位下加載應(yīng)用程序,分析價(jià)值低估的再次發(fā)生。再次低估發(fā)生在加載情況下(“B”和“A”)與錯(cuò)誤3.2 kN可高達(dá)19%(加載“B”)和14%(加載情況下“A”),因此觀察到的相同的數(shù)量級(jí)的錯(cuò)

29、誤集中加載船首斜桅。圖 14 對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在SG位置:(a)加載情況下“B”和(b)“A”加載情況,負(fù)載應(yīng)用于第三節(jié)圖 15 對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的光纖光柵位置:(a)加載情況下“B”和(b)“A”加載情況,負(fù)載應(yīng)用于第三節(jié)圖16 光纖光柵的校準(zhǔn)B3(左)和A3(右)傳感器的計(jì)因素B3和A3重新計(jì)算和結(jié)果圖16所示。敏感性等于0.6260.001,0.0010.664非常類(lèi)似于那些發(fā)現(xiàn)在前面加載情況。4.結(jié)論在這工作,研究了相關(guān)技術(shù)和測(cè)量?jī)煞矫娴那度脒^(guò)程式光纖布拉格光柵傳感器的組合結(jié)構(gòu)是為了成功地估計(jì)在職的工業(yè)生產(chǎn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。特定的解決方案是為了保護(hù)纖維進(jìn)出口的點(diǎn)和選擇工藝參數(shù)能保持纖

30、維的丙烯酸酯涂料傳感器損壞或性能下降。這一目標(biāo),光通過(guò)光學(xué)損失估計(jì)低慣性反射計(jì)評(píng)估光衰減和組件在所有纖維部分非常高的空間分辨率和頻率。嵌入式傳感器的布拉格譜也是通過(guò)一個(gè)光學(xué)頻譜分析儀測(cè)量顯示沒(méi)有明顯的失真在拉伸標(biāo)本和船首斜桅和允許縱向殘余應(yīng)力的估計(jì)。比較與傳統(tǒng)SGs在機(jī)械測(cè)試允許進(jìn)行原位校準(zhǔn)的光纖光柵傳感器,因此驗(yàn)證材料的應(yīng)變傳遞過(guò)程通過(guò)丙烯酸酯涂層纖維的核心。發(fā)現(xiàn)在拉力測(cè)試的情況下,傳統(tǒng)的計(jì)量系數(shù)用于硅纖維(0.78)只是小幅修改嵌入式光纖光柵使用解決方案和工藝參數(shù)的確定在第一階段的工作,也在彎曲的情況下測(cè)試,對(duì)光柵遠(yuǎn)離載荷的位置。相反,光柵放置在裝載應(yīng)用程序的位置在拉伸試樣和船首斜桅體驗(yàn)期

31、間,低估了實(shí)際的壓力測(cè)量誤差彎曲測(cè)試值的19%。這很可能是因?yàn)閴毫Φ拇嬖谔荻妊毓鈻砰L(zhǎng)度(10毫米),因此應(yīng)變場(chǎng)和需要一個(gè)中央傳感器的校準(zhǔn)。光譜測(cè)量在加載和寬度時(shí),測(cè)量 -3 dB的峰值反射率值,保持幾乎不變,改變最多7%。計(jì)的因素是低估了傳感器和值的重新計(jì)算0.6510.001,0.6700.003,0.6260.001,0.0010.664。一般來(lái)說(shuō),似乎因此重要的原位校準(zhǔn)傳感器不僅嵌入光纖光柵后,也考慮到組件的負(fù)載條件會(huì)在操作經(jīng)驗(yàn)。額外的數(shù)值調(diào)查預(yù)見(jiàn)在未來(lái)為了確定壓力梯度和傳感器之間的定量關(guān)系在三點(diǎn)彎曲測(cè)試布喇格波長(zhǎng)位移。應(yīng)答目前工作開(kāi)展的金融支持MIUR(意大利的大學(xué)和科學(xué)研究)通過(guò)RF

32、O計(jì)劃和ERDF羅普選票2007 - 2013計(jì)劃(歐洲區(qū)域發(fā)展基金、地區(qū)經(jīng)營(yíng)項(xiàng)目)力學(xué)和材料在高技術(shù)網(wǎng)絡(luò)的平臺(tái)。工作是與菲利普博士合作完成Bastianini Sestosensor srl。值得慶幸的是承認(rèn)所有支持。引用1 G. Minak, S. Abrate, D. Ghelli, R. Panciroli, A. Zucchelli, Low-velocityimpact on carbon/epoxy tubes subjected to torque experimentalresults, analytical models and FEM analysis, Compos.

33、Struct. 92(2010) 623632.2 R. Palazzetti, A. Zucchelli, C. Gualandi, M.L. Focarete, L. Donati, G.Minak, S. Ramakrishna, Influence of electrospun Nylon 6,6nanofibrous mats on the interlaminar properties of Grepoxycomposite laminates, Compos. Struct. 94 (2012) 571579.3 G. Luycks, E. Voet, N. Lammens, J

34、. Degrieck, Strain measurements ofcomposite laminates with embedded fibre Bragg gratings: criticismand opportunities for research, Sensors 11 (2011) 384408.4 I. Abe, H.J. Kalinowski, O. Frazao, J.L. Santos, R.N. Nogueira, J.L. Pinto,Superimposed Bragg gratings in high-birifringence fibre optics:three-parameter simultaneous measurements, in: Proceedings of16th International Conference