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文章导读
近年来，结构健康监测(SHM)，特别是实时应变监测，已被广泛应用于识别结构力学性能，评估民用基础设施的安全性能和使用寿命。光纤传感器，尤其是光纤光栅(FBG)传感器，因其灵敏度高、体积小、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点在结构健康监测中被广泛应用。在实际应用中，为了提高光纤光栅传感器的坚固性和耐久性，通常将光纤光栅传感器封装在一个或多个保护性封装层中，这使得FBG测量的应变与基体中的应变不同，这被称为应变传递损失。为了消除应变传递损失，大量研究人员进行了应变传递分析以建立应变传递的定量关系。然而，到目前为止，大部分研究还停留在弹性基体上，基体材料蠕变特性对封装FBG传感器长期应变传感影响的研究还很少，且缺少相关的试验验证。
近期，海南大学周智教授课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“Long-term performance of packaged fiber Bragg grating sensors for strain monitoring inside creep medium”的论文，通过室内实验说明了蠕变对封装光纤光栅传感器应变传递的影响，针对蠕变引起的应变传递误差，提出了应变传递公式，并进行参数分析，为封装光纤光栅传感器的优化设计提供参考。
引用: Huanyu Yang, Ying Huang, Zhi Zhou & Jinping Ou (2022) Long-term performance of packaged fiber Bragg grating sensors for strain monitoring inside creep medium, International Journal of Smart and Nano Materials, 13:1, 42-63, DOI: 10.1080/19475411.2022.2027548
文章内容
具体研究内容如下：首先，通过室内实验说明了蠕变对封装光纤光栅传感器应变传递的影响。针对蠕变引起的应变传递误差，利用工程力学的基本原理，建立了应变传递理论模型，考虑了基体材料的蠕变特性，提出了应变传递公式，并被试验和数值模拟所验证。最后，利用数值模拟进行参数分析，对封装FBG传感器的优化设计提供指导，使其应变传递损失最低。以混凝土作为基体，GFRP封装的光纤光栅作为传感器的实例研究表明，优化后的传感器长度为100 mm以上，传感器直径为3 mm以下。
图1. 应变传递模型示意图
图2. 应变传递模型微元体受力示意图
图1 展示了包含光纤、封装层、基体的三层应变传递模型，图2 给出了应变传递模型中各层正应力及界面剪应力的应力平衡关系。式（1）为基于以上应变传递理论模型推导出的应变传递修正系数表达式，式（2）为基体材料的蠕变本构关系式。
图3. 内嵌FBG传感器的混凝土试件和环氧树脂试件
图4. 试验持荷装置图
图5. 蠕变变形测量方法
图6 应变传递率试验值随时间的变化
图3 展示了与应变传递理论模型的室内试验的混凝土试件与环氧树脂试件。通过杠杆装置对试件施加长期恒定荷载（图4），通过千分表与手持式应变仪分别测量环氧树脂试件与混凝土试件的蠕变变形（图5）,得到基体蠕变状态下FBG传感器应变传递率随时间的变化趋势（图6）。试验结果表明，随着结果蠕变变形的增加，应变传递率逐渐减小。
图7 应变传递模型的有限元建模与计算结果
图8 不同封装长度的光纤光栅传感器应变传递率
图9 不同封装半径的光纤光栅传感器应变传递率
使用Abaqus软件对该应变传递模型进行数值建模和参数分析（图7），结果表明FBG传感器的封装长度越长，其应变传递率越高，且受蠕变影响越小；FBG传感器的封装半径越小，其应变传递率越高，且受蠕变影响越小。以混凝土作为基体，GFRP封装的光纤光栅作为传感器的实例研究表明，传感器的封装长度在100 mm以上，封装直径为3 mm以下最优。
作者简介
大连理工大学建设工程学部博士生阳环宇为本文第一作者，周智教授为通讯作者。
周智，教授，博士生导师，海南大学土木建筑工程学院院长。主要从事重大工程安全监测与灾害防治的研究，主要研究方向为“高性能传感器网络与结构健康监测”和“纤维增强树脂材料（FRP）及其海岛工程应用”。2010年入选“教育部新世纪优秀人才支持计划”、2011年入选“辽宁省百千万人才工程（百人层次）”、2015年入选“江苏省双创人才”、2017年入选”江苏省六大人才高峰”（B类）、2020年入选“国家级百千万人才工程”等。兼任国际结构健康监测协会（ISHMII）理事、中国结构抗振控制与健康监测专业委员会常务委员、中国仪器仪表学会设备结构健康监测与预警分会理事、《Pacific Science Review》、《中国测试》、《油气储运》等期刊编委。负责完成国家自然科学基金7项（国际合作3项），目前负责1项，骨干参与完成4 项（国际合作2项）；以副组长或学术骨干参加完成国家科技支撑项目、“863”项目、“973”项目、国家自然科学基金重点项目、省部级科研项目、重大工程应用项目以及产业化项目30 余项。发表期刊学术论文180 余篇（其中SCI或EI收录80余篇），授权国家发明专利20余项，学术专著3部（章节），国内外特邀报告30余次。获得国家科技进步二等奖1 项、省部级奖励5项。培养博士后出站2人、毕业博士12人、硕士50余人。
欧进萍，中国工程院院士，哈尔滨工业大学教授、博士生导师。具体研究领域包括：结构灾害动力效应与振动控制，结构灾害演化行为与健康监测，抗灾减灾新型结构体系与性能设计。主持或执笔国家"十五"有关专项科研规划和863主题论证；主持完成国家自然科学基金重大项目课题和国家杰出青年基金项目等24项；发表学术论文160篇、出版著作4部；获得国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖3项、二等奖3项。
期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2021年影响因子为4.0。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
IJSNM所有文章接收后即可在线发布并获得引用，欢迎广大学者将最新研究论文投稿至IJSNM。
期刊主页：https://www.tandfonline.com/toc/tsnm20/current
投稿地址：https://rp.tandfonline.com/submission/create?journalCode=TSNM
编辑部联系方式：
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Tel.: 0451-86413401; 0451-86413403
引用数据：
Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
4.000 (2021) Impact Factor
Q2 (2021) Impact Factor Best Quartile
3.839 (2021) 5 year IF
5.3 (2021) CiteScore
Q1 (2021) CiteScore Best Quartile
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