CN101576487A - 老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法 - Google Patents

Abstract

老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法，属于结构健康监测领域。该方法是在老化飞机结构和复合材料修复层间埋入长周期光栅湿度传感器，通过监测光纤光栅波长和光谱能量变化，实现对水分入侵监测。本发明的特点在于：光纤光栅传感器与复合材料具有很好的相容性，不会影响其力学性能。与基于FBG光栅的湿度传感器相比，长周期光栅传感器的测量精度更高，对涂层材料的厚度与均匀性要求更宽松，通过对涂层材料的优化设计与选择，更适合于作为水分入侵的健康监测。它能够对飞机结构腐蚀早发现，早修复。

Description

老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法

技术领域

本发明属于结构健康监测领域，具体涉及老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法。

背景技术

目前对飞机服务需求的增加，迫切需要延长其使用寿命和增加对环境的适用性。复合材料层板修复方法在老化飞机维修领域得到了广泛应用，但限制复合材料修复技术应用的主要原因是目前还没有一种合适的无损检测技术定期监测修复后结构的完整性。

老化飞机结构性能退化的主要损伤形式之一就是腐蚀破坏，其修复过程复杂，造价昂贵，同时会影响飞机结构的适用性与服役寿命，导致灾害事故的发生。所以研究飞机结构腐蚀后的修复，不如在其腐蚀发生的早期阶段就对其进行有效的监测，实现其早发现、早修复。结构腐蚀通常与水分入侵有很大关系，水分可以作为腐蚀性离子，如氯离子、硫酸盐、碳酸盐和氨基的运输媒介，水分的存在会加速腐蚀的进展，监测水分的入侵对监测腐蚀扩展十分必要。

发明内容

本发明的目的是弥补上述现有技术的缺陷，而在老化飞机结构和复合材料修复层间埋入长周期光栅湿度传感器，通过监测光纤光栅波长和光谱能量变化，实现对水分入侵监测的目的，开创了老化飞机复合材料修复结构健康监测，特别是水分入侵监测的一种新方法、新技术。

光纤光栅传感器不受电磁干扰、体积小、柔韧性好，能够抵抗多数化学物质的腐蚀作用，同时适用于很宽的温度范围，所以被广泛应用于各种苛刻环境下的物理或化学参数检测，也可以作为飞机结构不可见部位及不便接触部位的腐蚀检测。

本发明通过在长周期光栅包层外部修饰具有吸水性的水溶胶涂层，当该涂层遇到入侵的水分时，会发生体积膨胀使包层折射率发生变化，从而导致光栅中心波长与光谱能力发生变化，从而实现对入侵水分的监测。将该传感器埋入老化飞机结构和复合材料修复层间，可以对水分的入侵进行实时监测。

本发明是通过下述步骤实现的：

(1)配制聚乙烯醇胶液：将聚乙烯醇粒子(干态)和等离子水混合配成浓度15％(重量比)的溶液，放入90℃烘箱保温3小时，直到聚乙烯粒子全部溶解。

(2)取市售长周期光纤光栅，表面用丙酮清洗油污，用蘸涂层法在表面涂覆聚乙烯醇涂层，涂层厚度为800nm-1.5μm，光纤光栅在聚乙烯醇溶液中的牵引速度为33mm/min，每涂层一次将光纤光栅放入80℃烘箱保温5min，重复多次。最后一次，将光纤光栅放入80℃烘箱，保温1小时。

(3)长周期光纤光栅湿度传感器标定：传感器在不同湿度环境时，光栅透射光谱损耗峰对应的波长发生变化，做波长和湿度的关系曲线，对长周期光纤光栅进行标定。

(4)长周期光栅湿度传感器埋入老化飞机结构与复合材料的修复层间，接近于损伤位置。

(5)复合材料修复层按设计要求铺放在结构损伤位置，埋入长周期光栅传感器的复合材料修复层成型采用真空袋共固化的方法。完成一个固化周期需要几个步骤：真空压紧、加温、固化和降温。固化周期的长短由所用胶膜与预浸料决定。此次修理采用的固化参数为：升、降温速率1.5～3℃/min，固化时间60～90min，固化温度120℃，真空压力不低于75kPa(750mb)。固化完成后，冷却到60℃以下后再释放压力，拆除真空袋和分离膜。

本发明的特点在于：光纤光栅传感器与复合材料具有很好的相容性，不会影响其力学性能。与基于FBG光栅的湿度传感器相比，长周期光栅传感器的测量精度更高，对涂层材料的厚度与均匀性要求更宽松，通过对涂层材料的优化设计与选择，更适合于作为水分入侵的健康监测。本发明方法简单，容易实现。具有很好的推广前景。

附图说明

图1为本发明的工作原理简图。

具体实施方式

实施例

图1中，1、长周期光栅湿度传感器；2、聚乙烯醇涂层；3、复合材料修复层；4、老化飞机结构损伤；5、老化飞机结构；6、光纤；7、石英护套；8、宽带光源；9、光栅解调仪。

如图1所示：老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法，其步骤如下：

(1)配制聚乙烯醇胶液：将聚乙烯醇粒子(干态)和等离子水混合配成浓度15％(重量比)的溶液，放入90℃烘箱保温3小时，直到聚乙烯粒子全部溶解。

(2)取市售长周期光纤光栅6，表面用丙酮清洗油污，用蘸涂层法在表面涂覆聚乙烯醇涂层2，涂层厚度为800nm-1.5μm，光纤光栅在聚乙烯醇溶液中的牵引速度为33mm/min，每涂层一次将光纤光栅放入80℃烘箱保温5min，重复多次。最后一次，将光纤光栅放入80℃烘箱，保温1小时。

(3)长周期光栅湿度传感器1的光栅长度可选择10mm，20mm。

(4)复合材料修复层可选用碳纤维(Kevlar纤维)/环氧(双马)复合材料予浸料。

(5)长周期光纤光栅湿度传感器1的标定：传感器在不同湿度环境时，光栅透射光谱损耗峰对应的波长发生变化，做波长和湿度的关系曲线，对长周期光纤光栅进行标定。

(6)长周期光栅湿度传感器1埋入老化飞机结构5与复合材料修复层3间，接近于飞机损伤位置4。长周期光栅湿度传感器1通过光纤6引出，与复合材料修复层3的接口部分用石英护套7进行保护。

(7)复合材料修复层3按设计要求铺放在结构损伤4位置，埋入长周期光栅传感器1的复合材料修复层3成型采用真空袋共固化的方法。完成一个固化周期需要几个步骤：真空压紧、加温、固化和降温。固化周期的长短由所用胶膜与预浸料决定。此次修理采用的固化参数为：升、降温速率1.5～3℃/min，固化时间60～90min，固化温度120℃，真空压力不低于75kPa(750mb)。固化完成后，冷却到60℃以下后再释放压力，拆除真空袋和分离膜。

(8)长周期光栅湿度传感器1的光栅解调仪9选用MOI公司的Si725光栅解调仪。光谱的监测首先通过宽带光源8发射激光，通过带石英护套7的光纤6传输到长周期光栅湿度传感器1，然后其透射光谱再通过光纤6传输到光栅解调仪9。

发明原理：

长周期光纤光栅(Long period fiber grating，LPFG)传感器的光栅周期一般在100μm以上，它基于光纤内满足相位匹配条件的同向模式之间的谐振耦合，是向前传输的导模与其它前向导模或前向辐射模之间的耦合，将光波中某种频带的光耦合到包层中而损耗掉，因此无后向反射。

长周期光纤光栅的谐振波长满足关系式：

${\mathrm{\λ}}_L=(n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{co}}-n_{\mathrm{eff}}^{\mathrm{cl}})$

λ_L为谐振波长，n_eff ^co，n_eff ^cl分别为光纤纤芯有效折射率和包层模式的有效折射率。本发明通过在其包层的外部修饰具有吸水性的高分子水溶胶敏感膜，达到检测水分的目的。该膜层遇到水溶液时，发生吸附体积膨胀，使包层的折射率发生变化，从而导致光纤光栅中心波长与光谱能量发生变化。

Claims (4)

1、一种老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法，其特征在于：在老化飞机结构和复合材料修复层间埋入长周期光栅湿度传感器，通过监测光纤光栅波长和光谱能量变化，实现对水分入侵的监测。

2、如权利要求1所述的老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法，其特征在于它是通过下述步骤实现的：

(a)配制聚乙烯醇胶液：将聚乙烯醇粒子(干态)和等离子水混合配成浓度15％(重量比)的溶液，放入90℃烘箱保温3小时，直到聚乙烯粒子全部溶解；

(b)取市售长周期光纤光栅，表面用丙酮清洗油污，用蘸涂层法在表面涂覆聚乙烯醇涂层，涂层厚度为800nm-1.5μm，光纤光栅在聚乙烯醇溶液中的牵引速度为33mm/min，每涂层一次将光纤光栅放入80℃烘箱保温5min，重复多次，最后一次，将光纤光栅放入80℃烘箱，保温1小时；

(c)长周期光纤光栅湿度传感器标定：传感器在不同湿度环境时，光栅透射光谱损耗峰对应的波长发生变化，做波长和湿度的关系曲线，对长周期光纤光栅进行标定；

(d)长周期光栅湿度传感器埋入老化飞机结构与复合材料的修复层间，接近于损伤位置；

(e)复合材料修复层按设计要求铺放在结构损伤位置，埋入长周期光栅传感器的复合材料修复层成型采用真空袋共固化的方法，完成一个固化周期需要几个步骤：真空压紧、加温、固化和降温，固化周期的长短由所用胶膜与预浸料决定，此次修理采用的固化参数为：升、降温速率1.5～3℃/min，固化时间60～90min，固化温度120℃，真空压力不低于75kPa(750mb)，固化完成后，冷却到60℃以下后再释放压力，拆除真空袋和分离膜。

3、如权利要求1所述的老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法，其特征在于：所述步骤(c)长周期光栅湿度传感器的光栅长度可选择10mm或20mm。

4、如权利要求1所述的老化飞机结构损伤修复后水分入侵的光纤光栅监测方法，其特征在于：所述步骤(d)复合材料修复层可选用碳纤维(Kevlar纤维)/环氧(双马)复合材料予浸料。

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