CN101571491A - 复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法 - Google Patents

Abstract

复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其步骤如下：(1)制成包括光栅温度传感器和光栅温度应变传感器的传感器串。(2)复合材料铺层过程中，将光纤光栅传感器埋入复合材料的待测部位。(3)合理选用复合材料的成型工艺：热压釜、模压成型等。(4)固化成型后，使复合材料冷却到室温，用光栅解调仪监测光纤光栅的反射光谱的最高反射峰的波长值。(5)利用ε＝1/k_ε((Δλ_B1/λ_B1)－(Δλ_B2/λ_B2))计算复合材料的固化残余应变。本发明可以在不破坏结构的前提下实现对复合材料结构关键部位的残余应变测量，测量值稳定可靠，重复性好，同时埋入光栅也可以继续发挥复合材料结构的健康监测功能。该发明将复合材料数字化制造和健康监测有机结合，实现了复合材料制作过程的在线监测。

Description

复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法

技术领域

本发明涉及一种监测方法，尤其是一种复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，属于材料科学领域。

背景技术

复合材料具有优异的力学性能，但其组分材料物理与力学性能差异、热膨胀系数不匹配，常常会导致其成型过程中残余应力/应变的产生。这种固化残余应力会影响复合材料的尺寸稳定性，同时对复合材料结构服役过程的损伤扩展产生不可忽视的影响。所以监测和控制固化残余应变的产生，对提高复合材料的可靠性非常关键。

固化残余应变的测量方法通常采用去层法、钻孔法，但这些方法只能局限于结构的特定区域，而且会造成原有结构的破坏。无损检测方法如介电分析法和电子应变测量仪测量固化残余应变，但埋入的传感器在复合材料固化过程中产生的收缩应力会影响结构的性能，同时利用电阻应变片测量残余应变，容易受电场影响，同时无法承受复合材料固化高温。

材料内部应变监测也可以用埋入光纤光栅来实现，因为光纤的埋入对复合材料机械性能影响不大。所以可利用光纤光栅监测复合材料固化过程中，树脂和增强材料热膨胀系数差异而引起的固化残余应力/应变。光纤光栅最便捷的应变测量方式是结构承载时跟踪光栅反射光谱最高峰波长的漂移，但光纤裸光栅在非均匀应变场下会出现啁啾现象，光栅上有涂层时这种啁啾现象会弱化，此时仍然通过监测最高峰的中心波长来监测应变值。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明通过在复合材料内埋入光纤光栅传感器实现对不同铺层顺序和固化工艺参数的复合材料成型过程的固化残余应变的实时监测。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其步骤如下：

(1)制作包含2个裸光栅的传感器串，1个光栅位于光纤端部，用玻璃毛细管套在端部传感器上，边缘部分用硅橡胶封装，制成光栅温度传感器，另1个光栅传感器在刻好后，从新套上聚酯涂层材料，制成光栅温度应变传感器。

(2)复合材料铺层过程中，将光纤光栅传感器埋入复合材料的待测部位，光纤与复合材料的出入口部位预留部分石英保护套。

(3)合理选用复合材料的成型工艺：热压釜、模压成型等。

(4)固化成型后，使复合材料冷却到室温，用光栅解调仪监测光纤光栅的反射光谱的最高反射峰的波长值。

(5)利用 $\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{k_{\mathrm{\ϵ}}}(\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}})$ 计算复合材料的固化残余应变。

埋入光纤光栅对复合材料力学性能影响不大，因此本发明可以在不破坏结构的前提下实现对复合材料结构关键部位的残余应变测量，测量值稳定可靠，重复性好，同时埋入光栅也可以继续发挥复合材料结构的健康监测功能。该发明将复合材料数字化制造和健康监测有机结合，实现了复合材料制作过程的在线监测。

附图说明

图1为本发明的工作原理简图。

具体实施方式

在图1中，符号1代表光栅温度传感器；符号2代表光栅温度应变传感器；符号3代表玻璃毛细管；符号4代表硅橡胶封装；符合5代表复合材料；符号6代表光纤；符号7代表石英护套；符号8代表耦合器；符号9代表光栅解调仪；符号10代表宽带光源。

如图1所示：复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其具体操作如下：

(1)光纤6可选用标准直径125μm的光纤，也可以选用40μm小芯经的光纤，在光纤6上刻写光栅温度传感器1和光栅温度应变传感器2，其中位于光纤6端部的光栅温度传感器1是用玻璃毛细管3和硅橡胶封装4封装裸光栅后制成的。

(2)制作光栅温度传感器1和光栅温度应变传感器2的光栅长度可选择5mm，10mm，15mm ，光栅的中心波长可控制在1510-1590mm间。

(3)带有光栅温度传感器1和光栅温度应变传感器2的光纤6可以和复合材料5内部的增强纤维方向平行、正交或呈45℃方向，其中平行方向对光栅反射光谱形状影响最小，正交方向影响最大。

(4)光栅温度传感器1封装用的玻璃毛细管3的直径由光纤6的直径决定，当光纤6直径为125μm或40μm时，封装用玻璃毛细管3直径分别选用140μm或60μm直径。

(5)复合材料5的固化残余应变测量时，动态应变测量可使用MOI公司的SI425动态光栅解调仪，静态应变的测量可使用SI125-500静态应变解调仪，要研究光栅反射光谱的详细信息可使用SI725光栅解调仪。

(6)复合材料5的增强材料可以为玻璃纤维、碳纤维和Kevlar纤维，树脂基体可以为环氧树脂、双马树脂和聚酯树脂。

(7)光纤6通过复合材料5的出入口部位用石英护套7进行保护，光纤6首先连接耦合器8，耦合器8分别连接光栅解调仪9和宽带光源10。光栅光谱监测时，宽带光源10通过耦合器8发射激光，然后传入光栅温度传感器1和光栅温度应变传感器2，光栅温度传感器1和光栅温度应变传感器2的反射光谱在经过耦合器8传入光栅解调仪9，监测光栅温度传感器1和光栅温度应变传感器2的中心波长变化。

工作原理：当光栅周围的温度、应变及其他待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光纤光栅的中心波长发生漂移，通过检测光栅中心波长的变化就可以获得待测物理量的变化情况。当只有应变作用时，中心波长的漂移主要由应变决定。

本发明采用双光栅监测技术，一个光栅的中心波长受温度和应变的影响，另一个封装光栅的中心波长只受温度影响。两个光栅的位置临近，温度近似相同，通过封装光栅将温度对中心波长的影响去掉，就会确定固化残余应变对光栅中心波长的影响。

温度与应变引起的光栅波长的相对漂移为

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}=k_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}+k_T\mathrm{\ΔT}$

温度引起的封装光栅中心波长的漂移为

$\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}}=k_T\mathrm{\ΔT}$

复合材料固化残余应变可表征为

$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{k_{\mathrm{\ϵ}}}(\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}})$

对于普遍使用的FBG光纤传感器，光纤为二氧化硅介质，则k_ε≈7.8×10^-7(με^-1)，为光栅应变传感理论灵敏系数。

Claims (5)

1、复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其特征在于，步骤如下：

(1)制作包含2个裸光栅的传感器串，1个光栅位于光纤端部，用玻璃毛细管套在端部传感器上，边缘部分用硅橡胶封装，制成光栅温度传感器，另1个光栅传感器在刻好后，从新套上聚酯涂层材料，制成光栅温度应变传感器；

(2)复合材料铺层过程中，将光纤光栅传感器埋入复合材料的待测部位，光纤与复合材料的出入口部位预留部分石英保护套；

(3)将复合材料压制成型；

(4)固化成型后，使复合材料冷却到室温，用光栅解调仪监测光纤光栅的反射光谱的最高反射峰的波长值；

(5)利用 $\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{k_{\mathrm{\ϵ}}}(\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B1}}{{\mathrm{\λ}}_{B1}}-\frac{\mathrm{\Δ}{\mathrm{\λ}}_{B2}}{{\mathrm{\λ}}_{B2}})$ 计算复合材料的固化残余应变。

2、如权利要求1所述的复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其特征在于，复合材料采用热压釜或模压成型工艺压制成型。

3、如权利要求1所述的复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其特征在于，所述的光栅温度传感器和光栅温度应变传感器的光栅长度选择5mm或10mm或15mm，光栅的中心波长控制在1510-1590mm间。

4、如权利要求1所述的复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其特征在于，带有光栅温度传感器和光栅温度应变传感器的光纤与复合材料内部的增强纤维方向平行、正交或呈45℃方向。

5、如权利要求1所述的复合材料固化残余应变的光纤光栅监测方法，其特征在于，光栅温度传感器封装用的玻璃毛细管的直径由光纤的直径决定，当光纤直径为125μm或40μm时，封装用玻璃毛细管直径分别选用140μm或60μm直径。

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