CN103792015A - 复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，包括以下步骤：在复合材料铺层过程中，将热电偶和光纤光栅传感器埋入复合材料的待测部分，热电偶工作端与裸光栅之间相距1.5-3cm；光纤光栅传感器的光纤与复合材料内部的增强纤维呈平行、正交或呈45°方向；通过监测热电偶的热电动势的变化获得温度的变化情况，通过监测光栅中心波长的变化得到温度和应变的综合影响情况，剔除温度影响后，可得到监测点处的应变变化情况。选择热电偶丝和裸光纤光栅作为监测器的基础原材料，不仅成本低，使用方法简单，在市场上购买方便，而且不必采用其他封装技术，还可以避免温度和应变的交叉敏感问题带来的影响。

Description

复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法

技术领域

本发明涉及工程与材料科学领域，特别地，涉及一种基于热电偶丝和裸光纤光栅的复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法。

背景技术

复合材料具有优越的力学性能和其他特殊功能，在航空航天及其他行业被广泛地应用。但由于复合材料成型工艺的分散性，在实际生产中，难以得到稳定的质量与性能。而复合材料的固化工艺过程是决定其质量与性能的重要因素，制定固化工艺最重要的参数是成型过程中复合材料的温度和应变的变化趋势。因此，对复合材料固化过程中的温度和应变进行实时、精确的监测，对稳定产品质量、降低成本、提高材料加工和制造的重复性具有十分重要的意义。

复合材料固化过程的监测方法通常是采用基于光纤传感器的无损检测方法，应用较广的光纤传感器有光纤折射率传感器、红外吸收光谱光纤传感器、光纤微弯传感器和封装光纤光栅传感器等。使用这些光纤传感器制作成本高，购买渠道窄，封装技术要求高，使用方法困难，特别是对温度和应变存在交叉敏感问题，使其不利于固化过程的监测。

发明内容

本发明目的在于提供一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，以解决现有光纤传感器封装要求高、温度和应变的交叉敏感的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，包括以下步骤：

A、复合材料铺层过程中，将热电偶和光纤光栅传感器直接埋入复合材料的待测部分，所述热电偶工作端与所述光纤光栅传感器的裸光栅之间相距1.5-3cm；所述光纤光栅传感器的光纤与复合材料内部的增强纤维呈平行、正交或呈45°方向；

B、热电偶正极和热电偶负极分别连接无纸记录仪同一通道的正负极，监测热电偶工作端的温度变化；光纤通过连接头直接和光纤光栅解调仪上的通道口连接，监测裸光栅的中心波长变化；

所述光纤光栅传感器的温度灵敏系数为K_T，应变灵敏系数为K_ε，监测点处的应变表征为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{1}{K_{\mathrm{\ϵ}}}(\mathrm{\Δ\λ}-K_T\mathrm{\ΔT}).$

优选地，所述光纤光栅传感器与复合材料接触的出入口采用石英护套进行保护。

优选地，所述热电偶的导线直径为0.2-0.4mm，焊接点的长度控制在1-2mm。

优选地，所述光纤光栅传感器的光栅长度在5-15mm，光栅的中心波长控制在1510-1590nm之间。

优选地，所述光纤光栅传感器的光纤选用标准直径125μm的光纤。

优选地，所述复合材料的增强材料为玻璃纤维、碳纤维中的任意一种，树脂基体为环氧树脂、双马树脂或者聚酯树脂中的任意一种。

本发明具有以下有益效果：

1、操作简单：本发明采用热电偶进行温度监测，采用裸光纤光栅进行应变监测，将两者直接埋入复合材料作为传感器即可，不必采用其他封装技术，使用方便；

2、数据精确：应变对热电偶丝无任何影响，则可从热电偶的监测数据中得到完整的温度变化情况；再从监测光栅中心波长的变化就可以得到温度和应变的综合影响情况，使用一定方法剔除温度影响后，可得到监测点处的应变变化情况。如此就避免了温度和应变的交叉敏感问题带来的影响，提高了监测结果的精确性。

3、数据可靠：当热电偶工作端周围的温度发生变化时，热电偶工作端处的热电动势就会发生改变，通过监测热电偶的热电动势的变化就可以获得温度的变化情况；当光栅周围的温度和应变发生改变时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光栅的中心波长发生改变，通过监测光栅中心波长的变化就可以得到温度和应变的综合影响情况，剔除温度影响后，可得到监测点处的应变变化情况；并且，埋入热电偶丝和裸光纤光栅对复合材料力学性能影响不大，监测仪器直接与热电偶丝和裸光纤光栅相连接，测量值稳定可靠。

4、避免标定误差：裸光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数可以使用拉伸机和恒温炉进行标定；避免现有已封装光纤传感器的标定误差。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明优选实施例的连接结构示意图；

图2是本发明优选实施例的热电偶温度曲线软件生成图；

图3是本发明优选实施例的光栅中心波长变化监测图；

其中，1、复合材料，2、光纤光栅传感器，3、石英护套，4、光纤，5、光纤光栅解调仪，6、热电偶正极，7、热电偶工作端，8、热电偶负极，9、无纸记录仪。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

本发明公开了一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，包括以下步骤：

A、复合材料铺层过程中，将热电偶和光纤光栅传感器2直接埋入复合材料1的待测部分，热电偶和光纤光栅传感器2均无其他封装。热电偶工作端7与光纤光栅传感器2的裸光栅之间相距1.5-3cm；光纤光栅传感器2的光纤4与复合材料内部的增强纤维呈平行、正交或呈45°方向；

铺层过程中，热电偶工作端与裸光栅应尽量靠近，以保证被测点位置的一致，其距离最优选择为1.5-3cm之间。

热电偶可由热电偶丝焊接而成，热电偶丝最便捷的温度测量方式是跟踪其热电动势信号，通过电气仪表即可转化成温度信号；裸光纤光栅最便捷的应变测量方式是跟踪光栅反射光谱最高峰波长的漂移，消去温度的影响后就可得到应变值。因此，选择热电偶丝和裸光纤光栅作为监测器的基础原材料，不仅成本低，使用方法简单，在市场上购买方便，而且不采用其他封装技术，还可以避免交叉敏感问题带来的影响。

光纤光栅传感器2的光纤4可通过连接头直接和光纤光栅解调仪5上的通道口连接；光纤光栅传感器2与复合材料1接触的出入口可采用石英护套3进行保护。

B、热电偶正极6和热电偶负极8分别连接无纸记录仪9同一通道的正负极，监测热电偶工作端7的温度变化，即得到温度监测结果，并同时得到下式所需的ΔT值。

光纤光栅传感器2的温度灵敏系数为K_T，应变灵敏系数为K_ε，Δλ表示中心波长的变化值，ΔT表示温度的变化值，监测点处的应变表征为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{1}{K_{\mathrm{\ϵ}}}(\mathrm{\Δ\λ}-K_T\mathrm{\ΔT}).$

通过计算，即得到应变监测结果。

本发明的工作原理：当热电偶工作端周围的温度发生变化时，热电偶工作端处的热电动势就会发生改变，通过监测热电偶的热电动势的变化就可以获得温度的变化情况。当光栅周围的温度和应变发生改变时，将导致光栅周期或纤芯折射率的变化，从而使光栅的中心波长发生改变，通过监测光栅中心波长的变化就可以得到温度和应变的综合影响情况，使用一定方法剔除温度影响后，可得到监测点处的应变变化情况。

本发明的具体实施方式可参见下列优选实施例。复合材料的成型工艺选用热压罐成型。

(1)选用标准直径125μm的光纤，在光纤上刻写光纤光栅传感器。

制作光纤光栅传感器2的光栅长度可选择5mm、10mm或15mm，光栅的中心波长可控制在1510-1590nm之间。

(2)将光纤光栅传感器埋入复合材料。带有光纤光栅传感器2的光纤4可以和复合材料1内部的增强纤维方向平行、正交或呈45°方向，其中平行时对光栅反射光谱形状影响最小。

复合材料1的增强材料可以为玻璃纤维、碳纤维，树脂基体可以为环氧树脂、双马树脂和聚酯树脂。

(3)选用上海真光公司的960C四通道快速光纤光栅解调仪动态测量光纤光栅传感器2反射波长变化值，使用相应软件记录整个固化过程中光纤光栅传感器2反射光谱波长的变化情况。

(4)光纤4通过复合材料1的出入口用石英护套3进行保护，光纤4可通过连接头直接和解调仪5上的通道口相连，如果光纤4长度不够，还可通过光纤延长线加长。光纤光栅解调仪5中的光源发射激光，通过光纤4传入光纤光栅传感器2，经过光栅反射，反射光谱通过光纤4传入光纤光栅解调仪5，从而监测光纤光栅传感器2的中心波长变化。

(5)热电偶正极6和热电偶负极8可选用K型热电偶丝，通过焊接形成热电偶工作端7。制作热电偶的导线直径可以选用0.2mm、0.3mm或0.4mm，焊接点的长度控制在1mm-2mm。带有工作端的热电偶可以和复合材料5内部纤维呈任何方向，对温度测量均无影响。

(6)动态测量复合材料固化过程的温度变化可使用英伟达公司的EN880无纸记录仪，此记录仪可自动记录工作时间内所接入热电偶监测的温度值，并可通过自带软件研究温度变化的详细信息。热电偶正极6和热电偶负极8分别连接无纸记录仪9同一通道的正负极，并根据热电偶型号设置无纸记录仪的参数，监测热电偶工作端7的温度变化。

本发明采用热电偶丝和裸光纤光栅复合技术，热电偶热电动势只受温度的影响，光栅的中心波长受温度和应变的影响，两个传感器的位置临近，温度近似相同，通过热电偶丝将温度对光栅中心波长的影响去除，就能确定固化过程中光栅处的温度和应变的大小。

热电偶工作端的温度值可通过无纸记录仪直接读出，获取光栅的温度灵敏系数为K_T，应变灵敏系数为K_ε，Δλ表示中心波长的变化值，ΔT表示温度的变化值，因此，监测点处的应变可表征为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{1}{K_{\mathrm{\ϵ}}}(\mathrm{\Δ\λ}-K_T\mathrm{\ΔT}).$

其中，裸光纤光栅的应变灵敏系数和温度灵敏系数可从购买厂家获得，如果无法获得，可以使用拉伸机和恒温炉进行标定。与现有技术是直接读取已封装的光纤传感器上的标定值的方法相比，可避免标定误差。

关于本发明实施例的监测结果，可参见图2和图3，图2的横坐标为时间，纵坐标为热电偶温度；图3的横坐标为时间，纵坐标为光栅中心波长。两图中从左至右的1～5个区间分别表示固化工艺的第一次升温阶段、第一次保温阶段、第二次升温阶段、第二次保温阶段和降温降压阶段。

从图中可以看出，两者的曲线变化大致相同，但在细节处又存在很大不同。图2和图3第二区间的第一次保温阶段中，两者都因温度传递而出现滞后现象，而且由于树脂流动的影响造成应变，使波长变化曲线与温度变化曲线存在不同。图2和图3第四区间的第二次保温阶段中，由于固化反应大量放热而使曲线有一个向上的突起，高于升温时的数值。在第五区间的降温降压阶段，图2显示出了由于降压时排气作用温度突降和温度下降斜率改变的转折点，在图3中也清楚地显示由于卸压使构件因内应力变形产生应变而使光栅波长变大，并且显示了缘于温度突降和降温曲率变化的波长突变和波长下降曲率变化。

综上所述，本发明方法精确地监测了复合材料热压罐固化过程的温度和应变，而且在几个关键的时间节点处均有精确的反应。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、复合材料铺层过程中，将热电偶和光纤光栅传感器直接埋入复合材料的待测部分，所述热电偶工作端与所述光纤光栅传感器的裸光栅之间相距1.5-3cm；所述光纤光栅传感器的光纤与复合材料内部的增强纤维呈平行、正交或呈45°方向；

B、热电偶正极和热电偶负极分别连接无纸记录仪同一通道的正负极，监测热电偶工作端的温度变化；光纤通过连接头直接和光纤光栅解调仪上的通道口连接，监测裸光栅的中心波长变化；

所述光纤光栅传感器的温度灵敏系数为K_T，应变灵敏系数为K_ε，监测点处的应变表征为：

$\mathrm{\Δ\ϵ}=\frac{1}{K_{\mathrm{\ϵ}}}(\mathrm{\Δ\λ}-K_T\mathrm{\ΔT}).$

2.根据权利要求1所述的一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器与复合材料接触的出入口采用石英护套进行保护。

3.根据权利要求1所述的一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，其特征在于，所述热电偶的导线直径为0.2-0.4mm，焊接点的长度控制在1-2mm。

4.根据权利要求1所述的一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器的光栅长度在5-15mm，光栅的中心波长控制在1510-1590nm之间。

5.根据权利要求1所述的一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器的光纤选用标准直径125μm的光纤。

6.根据权利要求1所述的一种复合材料热压罐固化过程温度和应变的在线监测方法，其特征在于，所述复合材料的增强材料为玻璃纤维、碳纤维中的任意一种，树脂基体为环氧树脂、双马树脂或者聚酯树脂中的任意一种。

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