[2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 德国慕尼黑(2019.6.23-2019.6.27)] 2019年欧洲激光与电光会议暨欧洲量子电子学会议(CLEO/Europe-EQEC) - 用于碳混凝土复合材料的带光纤传感器的功能化碳增强结构

摘要： 我们在此展示功能化碳增强结构（FCS）的最新研发成果。这种基于纺织材料的碳结构通过光纤传感器进行功能化设计，兼具混凝土复合材料的增强与结构健康监测（SHM）功能。图1a展示了FCS的示意图：本例中的FCS包含一根采用光频域反射技术（OFDR）测量分布式应变分布的光学玻璃纤维，以及两个用于测定局部应变和应变方向的光纤布拉格光栅（FBG）传感器。该制造技术由德国开姆尼茨萨克森纺织研究所（STFI）开发，其工艺是在聚乙烯醇（PVA）非织造基材上同步刺绣碳纤维丝与光学玻璃纤维[1]。选择PVA作为刺绣基材是因其可通过热水溶解轻松移除，且溶解后的PVA能进一步稳定FCS结构。图1b展示了嵌入定制混凝土试块中用于评估传感器性能的成品FCS。待混凝土凝固后，含FCS的试块被安装在三点弯曲试验机（图1c）上，通过集成光纤传感器观测混凝土向FCS的荷载传递过程。图1d呈现了FCS内FBG传感器在三个连续荷载周期中的响应，该传感器以0.44 nm/%的灵敏度及0.011%的较低迟滞性成功检测到荷载循环[2]。此外如图1e所示，三点弯曲试验期间通过OFDR技术检测到四个应变峰值——这是由于光纤采用蛇形布设（见图1a），使得同根光学玻璃纤维在其长度方向上的四个不同位置同步承受相同荷载。而四个应变峰值随时间变化的幅值差异，则对应着混凝土试块受三点弯曲试验时荷载的增加过程[2]。实验证实，所开发的FCS能以较高灵敏度和低迟滞性监测空间应变分布。