CN101042393A - 复合材料健康监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是复合材料健康监测装置。它包括安装在复合材料结构相应部位的光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器和压电陶瓷，光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器和压电陶瓷分别与光纤光栅解调仪、干涉型光纤解调仪和压电陶瓷解调仪相连，光纤光栅解调仪、干涉型光纤解调仪和压电陶瓷解调仪连接于数据处理计算机。本发明不仅能够进行常温下的监测，还能够在高温、低温下进行监测。温度补偿使用参考法，即选用同种传感器和结构处在相同环境中，并且处于自由状态。干涉型传感器由于参考光纤的存在，不需要另做补偿。本发明能够很好地评估复合材料压力容器的健康情况，保障容器的安全。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种监测装置，具体地说是一种复合材料的健康监测装置。
(二)背景技术
复合材料由于轻质、高强而广泛用于航空航天领域。但复合材料受到冲击易于损伤，因此对其进行健康监测，保证整个结构的安全尤为重要。用于监测复合材料健康状况的传感器有光纤类，压电类。使用光纤制作成的传感器，与传统的各种传感器相比，具有众多优点，它集体积小、重量轻、灵敏度高、损耗低、频带宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘性好、防爆、光路可挠曲、便于与计算机连接、结构紧凑等优点于一身，能够传感多种物理量和化学量，工作可靠，工作温度范围从-150℃～500℃，这些都完全符合在室外恶劣环境工作的要求。压电陶瓷的响应快，频响宽，既可作为传感器，又可作为激励器。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种可对复合材料压力容器进行小范围、大范围、主动式地在线监测的复合材料健康监测装置。
本发明的目的是这样实现的：它包括安装在复合材料结构相应部位的光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器和压电陶瓷，光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器和压电陶瓷分别与光纤光栅解调仪、干涉型光纤解调仪和压电陶瓷解调仪相连，光纤光栅解调仪、干涉型光纤解调仪和压电陶瓷解调仪连接于数据处理计算机。
本发明的主要特征是，使用三种传感器，各有特点，互补不足。光纤光栅传感器能够用于小范围的测量，干涉型光纤传感器能够用于大范围的测量，压电陶瓷可用于主动式地测量。解调仪分别能获取传感器的信号。针对压力容器结构，开发出评估软件，能够进行分析，从而判断结构的损伤程度。装置主要包括以下几个部分：
1)光纤光栅：栅长10mm，波长范围1530-1560nm。
2)干涉型光纤传感器：测量光纤和参考光纤均为裸光纤，长度可根据结构尺寸定制。连接器使用E2000，防灰尘耐腐蚀。
3)压电陶瓷：与基体材料很好结合，制备容易、耐热、耐湿、强度高、频响宽，直径6mm。
将三种传感器粘贴或埋入到复合材料压力容器结构中，与解调仪连线，构成健康监测装置。
本发明的工作原理为：
光纤布拉格光栅是一种波长选择反射器，它所反射的中心波长的数学表达式为：
λB＝2neffΛ
式中Λ是光栅的周期，neff是纤芯的有效折射率。由上式可以看出，凡是能够导致光纤光栅有效折射率变化或者光栅周期变化的物理量均能引起布拉格波长的变化。实际的应用中，可以应用实验的方法分别测定光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数，则由应变和温度变化引起的总的布拉格中心波长漂移为
ΔλB＝KεΔε+KTΔT
式中的Kε和KT分别为传感器的应变灵敏系数和温度灵敏系数，都可以通过实验获得。单独的光纤布拉格光栅无法区分由应变和温度所分别导致的布拉格中心波长的变化，为了去除环境的温度波动对应变测量的影响，光纤布拉格光栅用做应变传感时，应采取温度补偿措施。
干涉型光纤传感器根据迈克尔逊干涉原理设计而成，工作原理如图2所示。1300nm的光源发出宽带光，经耦合器1到达传感器，再经过耦合器2到达测量光纤和参考光纤。两束光在光纤端面镀膜处发生反射后回到解调仪中，在解调仪中当可移动反射镜所移动的距离与结构的变形相匹配后，两束光发生干涉，并且干涉条纹出现极大值，此时解调仪中的模块输出反射镜移动的距离，测量完毕。
压电陶瓷具有正压电效应和逆压电效应，即当它受到机械力变形时，能产生电势，对它施加电压时，能改变其机械尺寸，因此它在智能材料结构中既能用作传感元件又能用作驱动元件
装置工作的流程图如图3，压电陶瓷的激励器先发出激励信号，然后压电陶瓷的传感器，光纤光栅传感器，干涉型光纤传感器分别获取结构的信息，经过结构的解调将数据存入电脑。评估软件调用数据，并判断结构是否发生损伤，若有损伤对结构进行评估，确定损伤的位置并进行维护。
整套监测装置不仅能够进行常温下的监测，还能够在高温、低温下进行监测。温度补偿使用参考法，即选用同种传感器和结构处在相同环境中，并且处于自由状态。干涉型传感器由于参考光纤的存在，不需要另做补偿。
本发明能够很好地评估复合材料压力容器的健康情况，保障容器的安全。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是干涉型光纤传感器的工作原理如图；
图3是本发明的工作原理图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1，复合材料健康监测装置的组成包括安装在复合材料结构相应部位的光纤光栅传感器1、干涉型光纤传感器2和压电陶瓷3，光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器和压电陶瓷分别与光纤光栅解调仪4、干涉型光纤解调仪5和压电陶瓷解调仪6相连，光纤光栅解调仪、干涉型光纤解调仪和压电陶瓷解调仪连接于数据处理计算机7。
Claims (1)
1、复合材料健康监测装置，其特征是：它包括安装在复合材料结构相应部位的光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器和压电陶瓷，光纤光栅传感器、干涉型光纤传感器和压电陶瓷分别与光纤光栅解调仪、干涉型光纤解调仪和压电陶瓷解调仪相连，光纤光栅解调仪、干涉型光纤解调仪和压电陶瓷解调仪连接于数据处理计算机。
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|---|---|---|---|
| CN 200710072085 CN101042393A (zh) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | 复合材料健康监测装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN 200710072085 CN101042393A (zh) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | 复合材料健康监测装置 |
Publications (1)
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|---|---|
| CN101042393A true CN101042393A (zh) | 2007-09-26 |
Family
ID=38808062
Family Applications (1)
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| CN 200710072085 Pending CN101042393A (zh) | 2007-04-23 | 2007-04-23 | 复合材料健康监测装置 |
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2007
- 2007-04-23 CN CN 200710072085 patent/CN101042393A/zh active Pending
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