桥梁缆索索力是缆索安全可靠的重要指标,对缆索索力的连续在线监测也一直是该领域研究的重点[1-2]。尽管光纤光栅FBG(Fiber Bragg Grating)传感器具有优异的性能[3-5]而被认为是实现缆索索力在线监测的重要手段,但光纤光栅传感器在缆索中的植入技术一直限制了其应用。

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光纤光栅传感器的植入技术是影响其监测稳定、可靠的关键技术之一。目前,在桥梁缆索索力监测的应用中FBG传感器植入方式主要有以下3种:①将FBG传感器埋植于复合材料中,制备成带有FBG的复合材料筋材,而替代缆索中的钢丝锚固于缆索结构中来监测缆索受力[6-9];②利用FBG传感器制备成压力环,将FBG压力环放置于缆索锚固端,通过测试锚固端所受压力来监测缆索受力情况[10-12];③在缆索的制备过程中,利用抱箍将FBG传感器固定于缆索连接筒部位的钢丝上,通过钢丝的局部应变反映缆索的整体受力,这种固定传感器于索体内钢丝的方法被称之为内置式FBG传感器[13-17]。由于内置式FBG传感器具有成本低、操作简明等优点而被用于桥梁缆索索力的在线监测。

然而,在内置式光纤光栅传感器用于桥梁缆索索力监测的过程中发现:由于缆索钢丝强度较高导致抱箍安装非常困难。因此,一种便于安装、结构性能优异的连接固定方式是目前内置光纤光栅传感器监测桥梁缆索索力的迫切需要。尽管前期[18]已经研究了环氧结构胶和抱箍两种传感器固定方式下测试性能和疲劳可靠性,并初步认为抱箍结构固定的传感器是缆索索力可靠性、稳定性测试的有效途径,但为了解决传感器抱箍安装难题,胶接仍是解决安装困难的重要方法。

本研究选择一种双组分甲基丙烯酸结构胶来粘结传感器支座和钢丝,通过对胶接传感器支座的剪切、疲劳测试评估该胶接结构力学性能的稳定、可靠性,进而通过循环加卸载测试研究钢丝上胶接传感器的测试的准确性、稳定性和可靠性,以期为内置式FBG传感器在桥梁缆索索力监测的应用提供基础。

1 FBG应变传感器监测原理

光纤Bragg光栅是最简单、常见的一种光纤光栅,当一束中心波长为λ的宽带谱光经过光纤Bragg光栅时,光纤Bragg光栅相当于一个窄带的反射镜仅可反射某一波长λB附近的光,则反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和有效折射率neff相关,也即:

λB=2neffΛ

(1)

温度、应变的变化会引起光纤Bragg光栅的周期和折射率的变化,进而使光纤Bragg光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤Bragg光栅的反射谱和透射谱变化,则可获得相应温度、应变变化。如:在不考虑温度变化时,光纤光栅中心波长与其轴向应变的关系如下[4]:

=(1-Pe)εf

(2)

式中:Pe为光纤弹光系数,εf为光纤轴向应变。

农田水利基本建设再超历史。共完建各类水利工程32万余处，完成土石方11亿m3。完成37座中型、2 529座小型水库除险加固任务。抓紧推进荆南四河堤防加固工程建设。已实施的73个中小河流治理项目全部完工，并完成绩效评估。35个大中型灌区续建配套与节水改造、13个大型灌排泵站更新改造项目进展顺利。完成63个中央财政小农水重点县年度建设任务，并连续三年被水利部、财政部考评为优秀等次。出台《湖北省农村供水管理办法》，全年可再解决260万农村居民饮水安全问题。治理水土流失面积1 850km2。完成47个农村水电增效扩容改造试点绩效评价工作。

①剪切性能

2 实验

2.1 材料

强度级别为1 960 MPa、直径为7 mm的桥梁缆索用高强度镀锌钢丝作为试验钢丝。根据钢丝供应商(江苏法尔胜缆索有限公司)提供数据,其化学成分如表1所示。通过钢丝拉伸测试,该钢丝拉伸力学性能如图1所示。将钢丝剪成两种长度:25 cm和50 cm,其中25 cm钢丝需5根(用于胶接传感器支座进行剪切测试),50 cm钢丝6根(3根用于胶接传感器支座进行疲劳测试,3根用于胶接FBG传感器进行循环加载测试)。

土老帽：“我是小编辑”活动进行到今天，我们走进了越来越多的学校，也让越来越多的老师和同学认识了我们。大家对“我是小编辑”活动的参与热情，让我们感动。同学们通过“我是小编辑”活动得到的进步，也让我们欣慰。我仔细阅读了两篇修改的稿件，两位小编辑的修改都不错，我觉得他们的水平不相上下。

表1 Ф7 mm高强度镀锌钢丝化学成分

化学成分(wt.%)CSiMnPSCuCrFe7 mm钢丝0.870.250.730.090.010.050.29其余

图1 Ф7 mm高强度镀锌钢丝工程应力应变曲线

ITW Plexus MA530结构胶是双组分甲基丙烯酸胶,其力学性能如表2所示。

表2 MA530结构胶的力学性能

强度/MPa弹性模量/MPa应变/%MA53017.2～24.1551.6～827.490～160

MA530结构胶用于粘接φ7 mm高强度镀锌钢丝与由304不锈钢加工而成的FBG传感器支座。传感器支座与钢丝贴合的圆弧直径为7.25 mm,支座圆弧面的角度120°。

2.2 缆索内置光纤光栅传感器及试样制备

图5(a)为FBG传感器支座长度对其与钢丝的胶接结构剪切载荷影响。由图5可知:胶接结构剪切载荷随着支座长度的增长而增加,这主要是由于支座长度增加而增加了胶接面积引起,其剪切强度基本保持不变(见图5(b))。在支座长度为10 mm时的胶接结构的剪切载荷(～526 N)已远大于光纤光栅的抗拉载荷(～20 N[21]),这表明固定FBG传感器的胶接结构在钢丝承载变形时由于其剪切载荷较大,故可准确将钢丝应变传递至传感器。

图2 内置光纤光栅传感器封装结构

①增加传感器支座长度,支座胶接粘结于钢丝结构的剪切载荷增加,但失效模式未发生变化,均为内聚失效;

疲劳测试使用50 cm的钢丝,将两个支座分别胶接于距钢丝的中心3 cm～5 cm处,疲劳试样如图3所示。对于剪切测试试样,采用与上述相同的胶接工艺,将支座胶接于25 cm钢丝的一端5 cm处(也即为图3疲劳试样从钢丝中心位置处剪断)。

图3 疲劳测试的胶接钢丝-支座结构

2.3 剪切测试

胶接固定于钢丝上的FBG传感器主要是由两支座间的相对位移(支座间钢丝承载变形引起)将信号传递至FBG传感器,这个过程支座与钢丝间胶接结构主要受剪切载荷影响。因此,评估传感器支座与钢丝胶接结构的剪切载荷是胶接的FBG传感器准确、稳定测试的关键。

随着改革开放的深入推进以及国家一带一路发展战略的深入贯彻落实，我国经济社会呈现出高速发展的态势，在十九大精神的正确指引下，中小企业也获得了良好的发展契机，在新时期背景下积极参与到市场竞争中，成为市场经济体系中极其重要的组成部分，不仅实现了企业自身的发展，也为我国市场经济的稳定运行奠定了坚实的基础。但是必须明确注意的是，中小企业的建设和而发展过程中，财务会计管理方面还存在一定的问题，对企业的现代化建设造成严重的阻碍，因此十分有必要针对中小企业财务会计管理工作进行系统的探究，增强企业发展持续动力，在维护中小企业持久稳定运行的基础上，为我国经济社会的现代化发展创造理想化的条件。

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4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4 传感器支座-钢丝胶接结构剪切测试

2.4 疲劳测试

桥梁缆索常由车辆等动载通过需承受动态载荷作用,而固定FBG传感器于缆索钢丝上的胶接结构力学性能在疲劳载荷下若发生改变,则会影响FBG传感器测试的可靠性。因此,需研究钢丝承受疲劳载荷时其与传感器支座间的胶接结构的疲劳可靠性。

或许，是族人们将唐玉烟当作天使，引起了她的嫉妒吧！青辰这样想。毕竟，在唐玉烟出现之前，她才是被所有云浮人捧在手心的大小姐。

为了评估钢丝上传感器胶接结构的可靠性,对50 cm长钢丝上胶接固定两个支座于距钢丝的中心3至5cm处的疲劳测试试样进行疲劳测试。根据光纤光栅拉伸强度及FBG传感器内置于缆索内部的尺寸、可靠性等要求,疲劳测试选择传感器支座长度为15 mm的试样在PLG-200C疲劳试验机(长春机械科学研究院)上进行。疲劳测试参考桥梁缆索热镀锌钢丝国家标准GB/T 17107—2008进行,最大疲劳载荷为0.45Fm(其中Fm为钢丝的破断载荷),360 MPa的载荷幅值,载荷频率为80 Hz,循环200万次。将经历200万次疲劳测试的试样从两传感器支座中间位置剪断钢丝,然后进行剪切测试,以评估200万次的疲劳对传感器支座/钢丝胶接结构的影响。

2.5 循环加卸载测试

②疲劳可靠性

3 结果与讨论

3.1 内置光纤光栅传感器的胶接结构力学性能研究

胶接固定FBG传感器支座于钢丝结构是通过胶接结构将承受载荷传钢丝的应变传递至FBG传感器,故传感器准确、稳定、可靠测试桥梁缆索索力的关键之一(还涉及FBG传感器性能等,本文不作研究)即为胶接结构的剪切和疲劳性能。下面从这两个方面进行分析。

对于缆索内置光纤光栅应变传感器,钢丝因承载而发生应变变形,此变形通过传感器与钢丝间的固定结构而传递至光纤光栅使其发生轴向应变,进而改变其中心波长,根据中心波长的变化可评估钢丝的受力情况。在钢丝载荷位移传递至光纤光栅传感器的过程中,由于其胶接结构主要承受剪切作用,且桥梁缆索钢丝常承受车辆等动态载荷,因此,需评估传感器支座与钢丝间胶接结构的剪切性能以及钢丝在疲劳作用下其胶接结构的可靠性。另外,为了进一步了解胶接固定的FBG传感器测试的稳定、可靠性,需对钢丝在循环加卸载作用下传感器波长与钢丝承受载荷间的关系进行研究。

基于上述结果,将光纤光栅传感器采用胶接固定于钢丝上,由于胶接结构较大的剪切载荷和完全的内聚失效模式,其光纤光栅传感器对钢丝的应变可准确、稳定反映。

图2为内置式光纤光栅传感器封装结构示意图[14]。

图6为不同支座长度时胶接剪切的断面。由图可知,所有断面均为内聚失效模式(即胶层内部失效)[22],也即支座长度对失效模式无影响。内聚失效模式表明胶接结构在剪切载荷下抗剪切能力稳定,其是胶接固定FBG传感器测试稳定性的重要因素。

图5 内置FBG传感器支座长度对其胶接剪切载荷和剪切强度的影响

图6 FBG传感器支座长度对其胶接结构的剪切失效断面影响

(5)水位监测点也可以将全市区范围的水位监测点接入，尤其是水源地的监测数据，以便于综合分析沉降产生的原因等。

2)同时为了避免温度过高损伤绝缘，提出采用测量直流电阻换算温度的方法来获得绕组内部温度，并对其进行控制，即通过电压电流得到加压部分线圈电阻进而获得不同时刻的直流电阻值，再根据铜线电阻与温度关系获取铜线温度。本次处理通过调压器调节线圈中的电流，将导线的温度控制在绝缘能够承受的85 ℃之内。

循环加卸载测试常用来评估光纤光栅传感器的测试性能,即测试的稳定性和可靠性[19-20]。为了评估胶接植入的内置光纤光栅传感器的测试性能,将胶接粘结的光纤光栅传感器-钢丝试样进行循环加、卸载测试,以分析循环加卸载下钢丝的承载载荷与传感器的波长关系。试验采用Instron Legend 2369拉伸机,光纤光栅解调仪采用Micron Optics,sm125。测试前取下传感器保护盖板,每一次加-卸载循环将试样钢丝加载至其抗拉强度的70%,卸载至50 N,每样进行3个循环。加载和卸载的速率均为5 mm/min。测试重复3个试样,且在循环测试时,环境温度保持相同的室温(～24 ℃)以避免温度对光纤光栅传感器波长的影响。

图7为钢丝经200万次疲劳前后钢丝上胶接光纤光栅传感器支座(支座长15 mm)结构的剩余剪切载荷。由图可知,钢丝承受200万次疲劳载荷后其平均剩余剪切载荷为814 N,而疲劳前试样平均剪切载荷为828 N,故200万次疲劳对胶接粘结结构的剪切载荷影响较小,且其剪切失效模式仍为内聚失效(如图8所示)。这表明:在钢丝承受200万次疲劳载荷后,钢丝上传感器支座胶接结构的力学性能未发生明显变化。由此,可推测钢丝经200万次疲劳测试其固定传感器的胶接结构仍可保证钢丝应变传递的可靠性。

图7 钢丝200万次疲劳对钢丝-传感器支座胶接剪切载荷影响

图8 疲劳测试后传感器支座与钢丝的剪切失效模式

基于以上结果,桥梁缆索钢丝上监测缆索索力的FBG传感器采用的胶接固定方式具有较高的剪切强度,且疲劳可靠性能良好,进而对其固定FBG传感器测试的准确、稳定和可靠性有重要作用。下面通过钢丝的循环加卸载实验来评估胶接结构下FBG传感器的测试性能。

图9 钢丝上胶接粘结FBG传感器试样钢丝承载载荷-传感器波长关系

3.2 胶接内置光纤光栅传感器的测试性能研究

图9(a)、9(b)和9(c)分别为钢丝上胶接固定FBG传感器的3个试样(即为试样A、B和C)在循环加-卸载测试时传感器的波长与钢丝承载载荷关系。由图9可看出:3个试样的波长与钢丝承载载荷间关系在加载和卸载阶段分别重合,为两条近似平行的直线,且加载阶段传感器波长与载荷关系的直线在卸载阶段的下方。对于每个试样的三次加、卸载循环,其波长-载荷关系在加载和卸载阶段分别重合表明胶接FBG传感器的测试具有良好的稳定、可靠性。而对于各试样在加载和卸载阶段的波长与载荷关系相互平行但不重合,且在加载阶段传感器的波长小于卸载过程的波长,也即在相同载荷时,加载过程的FBG传感器波长小于卸载时波长,这可能与钢丝自身的力学性能相关。为了进一步了解加、卸载阶段的波长差异,选取钢丝加卸载的典型载荷-位移曲线进行分析。

图10 钢丝加卸载循环测试的典型载荷-位移关系

图10为试样B钢丝在循环加卸载测试时的载荷-位移曲线。由图10可以看出:试样B钢丝的加载和卸载曲线不重合,且在相同载荷下,加载曲线的位移量小于卸载的位移量,这是由于加卸载过程中钢丝的滞回导致[23]。因此,钢丝在加、卸载过程中的滞回效应可能是引起相同载荷下加载FBG传感器波长小于卸载波长的原因。钢丝上胶接FBG传感器可分辨钢丝加卸载过程的滞回效应,且钢丝的承载载荷与FBG传感器的波长变化呈良好的线性关系,这表明钢丝上胶接固定的FBG传感器对钢丝应变具有良好的准确性。

另外,图10中第1次加载曲线,其位移量较大,这可能是由于试验前钢丝的弯曲导致。而结合图9结果可推测,FBG传感器两支座间的钢丝在承载作用下变形较稳定,钢丝轻微弯曲对测试结果影响不大。

4 结论

光纤光栅传感器胶接于试验用钢丝,其试样制备步骤如下: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;②采用胶枪和搅拌管将双组分的胶粘剂按1∶1的比例搅拌挤出,均匀涂抹于清洗的支座圆弧面上,并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及支座在在钢丝中心位置(也即长为50 cm钢丝的中间部位)与钢丝贴合,采用夹具夹持,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结构胶固化条件,将制备的试样放置于室温下保持60 min以使胶完全固化。

②200万次钢丝的疲劳试验对钢丝-传感器胶接结构的力学性能影响较小;

③钢丝的加、卸载循环测试时,钢丝加卸载时的滞回效应导致相同载荷下加载阶段钢丝上胶接传感器的波长小于卸载阶段;

④钢丝上胶接固定的光纤光栅传感器可区分钢丝加卸载阶段的滞回效应,并每个循环加、卸载的波长和钢丝承载载荷关系呈线性且分别重合,这表明其测试具有良好的准确、稳定和可靠性。

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