CN105403518B - C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统和方法，系统包括计算机、光纤光栅解调仪、光纤耦合器、碳物质消耗传感探头、碳化硅物质消耗传感探头、第一光纤连接器、第一传感光纤、第二光纤连接器和第二传感光纤，计算机和光纤光栅解调仪相连，光纤耦合器包括光纤耦合器输入端和多个光纤耦合器输出端，光纤耦合器输入端与光纤光栅解调仪相连；一个光纤耦合器输出端与第一光纤连接器、第一传感光纤、碳物质消耗传感探头相连，另一个光纤耦合器输出端与第二光纤连接器、第二传感光纤、碳化硅物质消耗传感探头相连。本发明实现了对C/SiC复合材料腐蚀状态的实时在线监测，可应用于航空、舰船领域的C/SiC复合材料腐蚀状态监测。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维复合材料的结构的损伤监测装置和监测方法，特别是涉及一种碳纤维复合材料的腐蚀损伤监测装置和监测方法，应用于服役期内的材料物理化学性能检测、寿命评估和材料维护技术领域。
背景技术
碳纤维复合材料是以碳纤维作为增强材料，以环氧树脂、金属、陶瓷等作为基体材料，使用各种先进加工成型方法制备而成的性能优异的复合材料，解决了单一材料无法解决的技术难关，是目前最受重视的高性能材料之一，具有密度低、比强度高、比模量高、可设计性好、易于成型等优点，广泛应用于航空航天、船舶、风力发电、建筑、化工等众多领域。然而，该类材料在制造和长期的服役过程中，可能产生内部断点、裂纹、脱层等形式的结构损伤，若不及时发现和采取相应维护措施，将会导致整个结构的迅速破坏，造成重大事故隐患。腐蚀损伤是复合材料主要损伤形式之一，对腐蚀损伤的监测研究具有积极意义。
目前无损探测碳纤维复合材料结构断裂状态的方法包括射线探测法、超声波探测法、声发射探测法等。射线探测法的优点是图像比较直观、对缺陷尺寸和性质的判断比较容易，但其对微小裂纹的探测灵敏度低，探测费用较高。超声波探测法具有可探测厚度大、检测灵敏度高、成本低等特点，但其探测时有一定的近场盲区，且探测试件易被污染。与上述探测方法相比，声发射探测具有灵敏度高，检查覆盖面积大，漏检率低及可在被测试件运行中进行探测的优点，因此，该方法被广泛应用于碳纤维复合材料结构的损伤监测，是复合材料健康监测领域现阶段乃至将来一段时期内的主流技术。
由于光纤传感系统具有质量轻、体积小、耐腐蚀、易于远程遥测和实现分布式测量等优点，使得基于光纤传感的复合材料结构健康监测技术成为当前国内外航空领域研究者们重点关注的新热点。20世纪70年代，美国弗吉尼亚理工学院州立大学的C1aus等首次把光纤埋入了增强复合材料碳纤维，使得材料具有传感和探测断裂损伤的功能。随后，格鲁门公司采用光纤光栅传感器监控F-18机翼的损伤和应变，马丁公司把光纤光栅传感网络应用在X-33航天飞机的应力及温度监控上，DALTA Ⅱ火箭的复合材料发动机箱上应用了基于光纤光栅传感器网络的健康监测系统。但上述应用均未实现对碳纤维复合材料腐蚀状态的监测。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统及监测方法，基于物质消耗原理，实现了对C/SiC复合材料腐蚀状态的实时在线监测。
为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：
一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统，由干路信息传输系统和一系列支路探测器组成树杈形信息监测系统，各支路探测器皆与干路信息传输系统进行通信连接，干路信息传输系统采用主路光纤，支路探测器包括碳物质消耗传感单元和碳化硅物质消耗传感器单元，碳物质消耗传感单元依次由第一光纤连接器、第一传感光纤和碳物质消耗传感探头组成，碳物质消耗传感探头主要由第一纤芯、第一传感栅区和第一表面敏感膜组成，第一传感栅区设置于第一纤芯内部，第一表面敏感膜设置于第一纤芯的外部，第一表面敏感膜对碳物质腐蚀消耗变化敏感，将碳物质消耗传感探头设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，使第一表面敏感膜与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当第一表面敏感膜与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，第一传感栅区采集第一表面敏感膜的腐蚀状态的信号，并沿着与进入第一纤芯的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，碳化硅物质消耗传感器单元依次由第二光纤连接器、第二传感光纤和碳化硅物质消耗传感探头组成，碳化硅物质消耗传感探头主要由第二纤芯、第二传感栅区和第二表面敏感膜组成，第二传感栅区设置于第二纤芯内部，第二表面敏感膜设置于第二纤芯的外部，第二表面敏感膜对碳化硅物质腐蚀消耗变化敏感，将碳化硅物质消耗传感探头设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，也使第二表面敏感膜与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当第二表面敏感膜与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，第二传感栅区采集第二表面敏感膜的腐蚀状态的信号，并沿着与进入第二纤芯的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，主路光纤的一端依次信号连接光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪和计算机信号连接，主路光纤的另一端连接光纤耦合器的合路信号端，光纤耦合器的分路信号端分别与碳物质消耗传感单元的信号端和碳化硅物质消耗传感器单元的信号端连接，碳物质消耗传感单元的信号端与第一光纤连接器信号连接，碳化硅物质消耗传感器单元的信号端与第二光纤连接器信号连接，在光纤光栅解调仪中内置光源，将入射光沿着主路光纤进行传输，入射光分别进入碳物质消耗传感探头和碳化硅物质消耗传感探头后，分别与第一表面敏感膜和第二表面敏感膜的腐蚀状态相互作用产生耦合效应，并至少使入射光的波长发生变化，再分别通过第一传感栅区和第二传感栅区将发生变化的入射光的状态信号作为检测信号，向主路光纤反射回去，最后被计算机回收后，以碳和碳化硅物质消耗状态作为C/SiC复合材料的腐蚀状态监测的指标参数，通过计算分析，得到对应测试位置的待测C/SiC复合材料的腐蚀损伤信息。
作为一种本发明优选的技术方案，第一传感栅区采用光纤布拉格光栅，第一表面敏感膜固定于对应施加一定预应力的第一传感栅区位置处的碳物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第一表面敏感膜因腐蚀发生质量消耗时，引起第一传感栅区所受预应力减小，进而使入射到第一传感栅区上的入射光经过反射后发生变化。
作为另一种本发明优选的技术方案，第二传感栅区采用光纤布拉格光栅，第二表面敏感膜固定于对应第二传感栅区位置处的碳化硅物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第二表面敏感膜因腐蚀发生物质转变时，引起第二传感栅区周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使入射到第二传感栅区上的入射光经过反射后发生变化。
作为还有一种本发明优选的技术方案，同时具有上述的技术方案的优点，第一传感栅区采用光纤布拉格光栅，第一表面敏感膜固定于对应施加一定预应力的第一传感栅区位置处的碳物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第一表面敏感膜因腐蚀发生质量消耗时，引起第一传感栅区所受预应力减小，进而使入射到第一传感栅区上的入射光经过反射后发生变化；第二传感栅区采用光纤布拉格光栅，第二表面敏感膜固定于对应第二传感栅区位置处的碳化硅物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第二表面敏感膜因腐蚀发生物质转变时，引起第二传感栅区周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使入射到第二传感栅区上的入射光经过反射后发生变化。
作为本发明上述方案进一步优选的技术方案，碳物质消耗传感单元包括一系列串联的碳物质消耗传感探头，或者碳化硅物质消耗传感器单元包括一系列串联的碳化硅物质消耗传感探头。
作为本发明上述方案进一步优选的技术方案，第一表面敏感膜和第二表面敏感膜分别紧密结合在第一纤芯和第二纤芯的外表面上。
作为本发明上述方案进一步优选的技术方案，碳物质消耗传感探头的第一传感栅区和碳化硅物质消耗传感探头的第二传感栅区分别通过对应的栅区固定架来固定。
一种监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，包括如下步骤：
a. 碳物质消耗的监测：结合光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将碳物质消耗敏感材料镀于施加一定预应力的具有光纤布拉格光栅栅区的光纤外表面，形成预应力碳物质消耗敏感镀膜，构建碳物质质量消耗监测传感探头，当预应力碳物质消耗敏感镀膜因腐蚀发生质量消耗时，引起光纤布拉格光栅栅区所受预应力减小，进而使从光源入射到预应力碳物质消耗传感探头上的入射光经过光纤布拉格光栅栅区的光栅反射后，向数据分析中心输送，实现以碳物质消耗作为第一监测指标，对C/SiC复合材料内部的碳物质的变化情况进行监测；
b. 碳化硅物质消耗的监测：结合光纤光栅表面镀膜传感方法，将碳化硅物质消耗敏感材料镀于具有光纤布拉格光栅栅区的光纤外表面，形成碳化硅物质消耗敏感镀膜，构建碳化硅物质氧化腐蚀监测传感探头，当碳化硅物质消耗敏感镀膜因氧化腐蚀发生消耗时，引起光纤布拉格光栅栅区周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使从光源入射到碳化硅物质消耗传感探头上的入射光经过光纤布拉格光栅栅区的光栅反射后，向数据分析中心输送，实现以SiC物质消耗作为第二监测指标，分别对C/SiC复合材料内部的SiC物质中的Si、C元素变化情况进行监测；
c. C/SiC复合材料腐蚀状态的分析：结合步骤a和c中对碳和碳化硅物质消耗的监测数据，数据分析中心对C/SiC复合材料物质消耗数据和光源输出的入射光数据进行计算评估，得出C/SiC复合材料腐蚀状态的结果信息，即得到对应测试位置的待测C/SiC复合材料的腐蚀损伤信息。
作为本发明监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法优选的技术方案，在步骤a中的碳化硅物质氧化腐蚀监测传感探头和在步骤b中的碳化硅物质消耗传感探头与待测的C/SiC复合材料之间均采用局部胶接耦合连接在一起。
在本发明步骤a中，利用FBG传感栅区对C膜表面应变变化的敏感性质，通过测量C物质腐蚀过程中由于FBG预应力的释放引起的FBG中心波长变化，检测出C物质敏感膜的物质消耗情况。在本发明步骤b中，利用FBG传感栅区对SiC膜表面应变变化的敏感性质，通过测量SiC物质腐蚀过程中由于FBG预应力的释放引起的FBG中心波长变化，检测出SiC物质敏感膜的物质消耗情况。利用FBG传感栅区对敏感膜腐蚀后FBG预应力释放的敏感性质，通过测量物质腐蚀过程中由于复合材料内部C、SiC腐蚀引起FBG中心波长的变化情况，进而得到C/SiC复合材料物质消耗状态。
本发明监测方法，第一方面的监测参量为表征C/SiC复合材料的C物质消耗。利用C物质作为表征参数，将FBG光谱特性与表面预应力镀膜传感方法相结合，实现对C/SiC复合材料中C物质消耗的实时、在线监测。第二方面的监测参量为C/SiC复合材料的SiC物质消耗。利用SiC物质作为表征参数，将FBG光谱特性与表面预应力镀膜传感方法相结合，通过对CO、CO2以及SiO2等生成物的检测，实现对C/SiC复合材料中SiC物质消耗的实时、在线监测。
本发明监测方法为了监测的准确性及方便性，以C/SiC复合材料中物质消耗量作为参考点，对腐蚀损伤过程中C、SiC的消耗情况进行监测。C/SiC复合材料中C物质发生消耗时，由于FBG碳物质消耗传感探头表面的C敏感薄膜与O2反应生成CO、CO2，出现C敏感薄膜消耗出现坑蚀，进而影响FBG预应力的释放。C/SiC复合材料中SiC物质发生消耗时，由于FBG碳化硅物质消耗传感探头表面的SiC敏感薄膜与O2反应生成CO、CO2和SiO2，出现SiC敏感薄膜消耗出现坑蚀，进而影响FBG预应力的释放。本发明以C、SiC 物质消耗状态作为C/SiC复合材料腐蚀状态监测的指标参数，即通过监测C/SiC复合材料内部C、SiC物质的反应消耗情况来评估复合材料的腐蚀状态情况。
本发明监测方法为了提高监测的准确性，腐蚀过程中同时采用FBG碳物质消耗传感探头和FBG碳化硅物质消耗传感探头，其中两个探头与待测的C/SiC复合材料之间采用支架式局部胶结耦合。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1. 本发明将C/SiC复合材料腐蚀状态传感监测分为两个方面，即：以C、SiC不同物质的消耗作为待测参量，对腐蚀过程中C物质的消耗情况和SiC物质的消耗情况进行监测，拓展了C/SiC复合材料腐蚀状态传感监测的全面性；
2. 本发明利用FBG对表面应变变化分辨率高、响应快、高通量、敏感、特异、简便、对样品本身无损伤等优点，实现C/SiC复合材料腐蚀状态的监测，确定C/SiC复合材料件的内部腐蚀状态，可应用于航空、舰船等领域的C/SiC复合材料腐蚀状态监测；
3. 本发明由于采用了光纤作为传感基体，又具有抗电磁干扰能力强、耐高压、耐腐蚀、可实现分布式测量以及远程遥测监控等优点；
4. 本发明通过简化传感系统结构且采用光谱检测技术，可提高测量精度，克服光强测量易受光源不稳定影响的缺点；
5.本发明通过采用相应的封装及保护方式，可避免由于温度、湿度等外界因素对FBG传感系统所带来的影响，保证腐蚀状态监测的可靠性和耐久性。
附图说明
图1是本发明实施例一C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统的结构示意图。
图2是本发明实施例一的Y型光纤耦合器示意图。
图3是本发明实施例一的FBG碳物质消耗传感探头结构示意图。
图4是本发明实施例一的FBG碳化硅物质消耗传感探头结构示意图。
图5是本发明实施例二C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统的结构示意图。
图6是本发明实施例三C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1～4，一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统，由干路信息传输系统和一系列支路探测器组成树杈形信息监测系统，各支路探测器皆与干路信息传输系统进行通信连接，干路信息传输系统采用主路光纤，支路探测器包括碳物质消耗传感单元和碳化硅物质消耗传感器单元，碳物质消耗传感单元依次由第一光纤连接器4-1、第一传感光纤5-1和碳物质消耗传感探头6组成，碳物质消耗传感探头6主要由第一纤芯13、第一传感栅区11和第一表面敏感膜12组成，第一传感栅区11设置于第一纤芯13内部，第一表面敏感膜12设置于第一纤芯13的外部，第一表面敏感膜12对碳物质腐蚀消耗变化敏感，将碳物质消耗传感探头6设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，使第一表面敏感膜12与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当第一表面敏感膜12与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，第一传感栅区11采集第一表面敏感膜12的腐蚀状态的信号，并沿着与进入第一纤芯13的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，碳化硅物质消耗传感器单元依次由第二光纤连接器4-2、第二传感光纤5-2和碳化硅物质消耗传感探头7组成，碳化硅物质消耗传感探头7主要由第二纤芯16、第二传感栅区14和第二表面敏感膜15组成，第二传感栅区14设置于第二纤芯16内部，第二表面敏感膜15设置于第二纤芯16的外部，第二表面敏感膜15对碳化硅物质腐蚀消耗变化敏感，将碳化硅物质消耗传感探头7设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，也使第二表面敏感膜15与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当第二表面敏感膜15与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，第二传感栅区14采集第二表面敏感膜15的腐蚀状态的信号，并沿着与进入第二纤芯16的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，主路光纤的一端依次信号连接光纤光栅解调仪2，光纤光栅解调仪2和计算机1信号连接，光纤光栅解调仪2采用si425型光纤光栅解调仪并内置光源，主路光纤的另一端连接Y型的光纤耦合器3的合路信号端8，光纤耦合器3的分路信号端4分别与Y型的碳物质消耗传感单元的信号端9和Y型的碳化硅物质消耗传感器单元的信号端10连接，碳物质消耗传感单元的信号端9与第一光纤连接器4-1信号连接，碳化硅物质消耗传感器单元的信号端10与第二光纤连接器4-2信号连接，在光纤光栅解调仪2中内置光源，将入射光沿着主路光纤进行传输，入射光分别进入碳物质消耗传感探头6和碳化硅物质消耗传感探头7后，分别与第一表面敏感膜12和第二表面敏感膜15的腐蚀状态相互作用产生耦合效应，并至少使入射光的波长发生变化，再分别通过第一传感栅区11和第二传感栅区14将发生变化的入射光的状态信号作为检测信号，向主路光纤反射回去，最后被计算机1回收后，以碳和碳化硅物质消耗状态作为C/SiC复合材料的腐蚀状态监测的指标参数，通过计算分析，得到对应测试位置的待测C/SiC复合材料的腐蚀损伤信息。
在本实施例中，参见图1～4，第一传感栅区11采用光纤布拉格光栅，第一表面敏感膜12固定于对应施加一定预应力的第一传感栅区11位置处的碳物质消耗传感探头6的支路光纤的表面上，当第一表面敏感膜12因腐蚀发生质量消耗时，引起第一传感栅区11所受预应力减小，进而使入射到第一传感栅区11上的入射光经过反射后发生变化；第二传感栅区14采用光纤布拉格光栅，第二表面敏感膜15固定于对应第二传感栅区14位置处的碳化硅物质消耗传感探头7的支路光纤的表面上，当第二表面敏感膜15因腐蚀发生物质转变时，引起第二传感栅区14周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使入射到第二传感栅区14上的入射光经过反射后发生变化。图3是碳物质消耗传感探头6的结构示意图，碳物质消耗传感探头6包括设在第一传感光纤5-1内部的纤芯、设在第一传感光纤5-1纤芯内部的第一传感栅区11以及设在碳物质消耗传感探头6表层的C物质敏感膜12，利用FBG敏感栅区对光的反射作用，将传输过来的特定波长光反射回去，通过C物质敏感膜12的消耗反应实现对C/SiC复合材料中C物质消耗的监测。结合光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将C敏感膜镀于施加一定预应力的光纤布拉格光栅(FBG)栅区表面，构建预应力镀膜FBG碳物质质量消耗监测传感探头，即FBG表面C膜质量消耗引起FBG栅区所受预应力减小。图4是碳化硅物质消耗传感探头7的结构示意图。FBG碳化硅物质消耗传感探头7包括设在第二传感光纤5-2内部的纤芯、设在第二传感光纤5-2纤芯内部的第二传感栅区14以及设在碳化硅物质消耗传感探头7表层的SiC物质敏感膜15，利用FBG敏感栅区对光的反射作用，将传输过来的特定波长光反射回去，通过SiC物质敏感膜15的消耗反应实现对C/SiC复合材料中SiC物质消耗的监测。结合光纤光栅表面镀膜传感方法，将SiC敏感膜镀于光纤布拉格光栅(FBG)栅区表面，利用物质转换过程中敏感膜体积变化，构建基于镀膜FBG 的碳化硅物质氧化腐蚀监测传感探头，即FBG表面SiC膜的氧化腐蚀引起FBG栅区轴向应变发生变化。
在本实施例中，参见图1～4，光纤光栅解调仪2中内置光源，光源的入射光进入Y型的光纤耦合器3的合路信号端8，其中50%光强传播到Y型的碳物质消耗传感单元的信号端9，再通过第一光纤连接器4-1，再经过第一传感光纤5-1传播到碳物质消耗传感探头6；另外50%光强通过第二光纤连接器4-2，再经过第二传感光纤5-2传播到碳化硅物质消耗传感探头7，分别与待测传感探头表面敏感膜的腐蚀状态相互作用产生耦合效应，在经过碳物质消耗传感探头6 或碳化硅物质消耗传感探头7中，栅区的反射作用后形成反射光线通过Y型的光纤耦合器3的反射端进入光纤光栅解调仪2，再经过计算机1处理输出反射光波长与变化参量之间的关系曲线，从而实现了整个测量光路部分的全光纤化。
在本实施例中，参见图1～4，本实施例根据FBG光谱输出特性，通过不同中心波长的FBG对C/SiC复合材料试件实现多位点探测的基于物质消耗原理的C/SiC复合材料腐蚀状态监测传感系统。当碳物质消耗传感探头6或碳化硅物质消耗传感探头7处于不同测试位置时，不同的待测位置的物质腐蚀分布情况与传感器相互作用，从而引起各个FBG传感器中心波长的变化。通过对传感器输出FBG光谱的不同中心波长的检测，可得到分布式检测的信号。
参见图3和图4，第一表面敏感膜12和第二表面敏感膜15分别紧密结合在第一纤芯13和第二纤芯16的外表面上。本实施例检测方法利用FBG反射光谱法进行监测，在待监测的C/SiC复合材料结构件和FBG光纤布拉格光栅碳物质消耗传感探头、FBG碳化硅物质消耗传感探头之间采用局部耦合。碳物质消耗传感探头6的第一传感栅区11和碳化硅物质消耗传感探头7的第二传感栅区14分别通过对应的栅区固定架来固定。为实现对C物质消耗的监测，碳物质消耗传感探头6包括第一传感光纤5-1、设在第一传感光纤5-1纤芯内部的FBG应变传感栅区、镀于FBG栅区表面的C敏感膜以及设在碳物质消耗传感探头6表层的支架结构，使用时，胶黏胶层与被测C/SiC复合材料试件局部胶接耦合。同样为实现对SiC物质消耗的检测，碳化硅物质消耗传感探头7包括第二传感光纤5-2、设在第二传感光纤5-2纤芯内部的FBG应变传感栅区、镀于FBG栅区表面的SiC敏感膜以及设在碳化硅物质消耗传感探头7表层的支架结构，使用时，胶黏胶层与被测C/SiC复合材料试件局部胶接耦合。
本实施例C/SiC复合材料腐蚀状态监测传感系统基于物质消耗原理，包括碳物质消耗传感装置和碳化硅物质消耗传感装置，各装置内部均有配套的传感方案，进而实现对C/SiC复合材料腐蚀状态的监测；碳物质消耗传感探头6、碳化硅物质消耗传感探头7与被测C/SiC复合材料试件之间采用局部胶接耦合，以保证FBG传感探头与C/SiC复合材料处于相同的服役环境下。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图5，碳物质消耗传感单元包括一系列串联的碳物质消耗传感探头6，或者碳化硅物质消耗传感器单元包括一系列串联的碳化硅物质消耗传感探头7。图5是分布式的C/SiC复合材料腐蚀状态监测传感系统结果示意图，它的具体组成是在同一根光纤纤芯的不同位置刻入不同中心波长的FBG传感栅区，因此在同一根光纤上同时设置了多个碳物质消耗传感探头6和碳化硅物质消耗传感探头7，实现分布式测量。在监测过程中，碳物质消耗传感探头6、碳化硅物质消耗传感探头7始终为分布式网络排布，有效控制传感器网络冗余问题。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图6，支路探测器由至少两个碳物质消耗传感单元和至少两个碳化硅物质消耗传感器单元并联组成。图5是分布式的C/SiC复合材料腐蚀状态监测传感系统结果示意图，在同一根光纤上同时设置多个碳物质消耗传感探头6和碳化硅物质消耗传感探头7，且进行多根光纤并联，实现分布式测量。本实施例进一步提高检测的准确性，碳物质消耗传感探头6和碳化硅物质消耗传感探头7均可串接为两个以上，且为串、并联结合的分布式网络排布。本实施例分布式的C/SiC复合材料腐蚀状态监测传感系统的组成是：在同一根光纤上制备多个在线碳物质消耗传感探头6和碳化硅物质消耗传感探头7，且不同根光纤并联，有效控制传感器网络冗余问题。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统及监测方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，采用一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统，由干路信息传输系统和一系列支路探测器组成树杈形信息监测系统，各所述支路探测器皆与干路信息传输系统进行通信连接，所述干路信息传输系统采用主路光纤，其特征在于：所述支路探测器包括碳物质消耗传感单元和碳化硅物质消耗传感器单元，所述碳物质消耗传感单元依次由第一光纤连接器(4-1)、第一传感光纤(5-1)和碳物质消耗传感探头(6)组成，所述碳物质消耗传感探头(6)主要由第一纤芯(13)、第一传感栅区(11)和第一表面敏感膜(12)组成，所述第一传感栅区(11)设置于所述第一纤芯(13)内部，所述第一表面敏感膜(12)设置于所述第一纤芯(13)的外部，所述第一表面敏感膜(12)对碳物质腐蚀消耗变化敏感，将所述碳物质消耗传感探头(6)设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，使所述第一表面敏感膜(12)与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当所述第一表面敏感膜(12)与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，所述第一传感栅区(11)采集所述第一表面敏感膜(12)的腐蚀状态的信号，并沿着与进入所述第一纤芯(13)的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，所述碳化硅物质消耗传感器单元依次由第二光纤连接器(4-2)、第二传感光纤(5-2)和碳化硅物质消耗传感探头(7)组成，所述碳化硅物质消耗传感探头(7)主要由第二纤芯(16)、第二传感栅区(14)和第二表面敏感膜(15)组成，所述第二传感栅区(14)设置于所述第二纤芯(16)内部，所述第二表面敏感膜(15)设置于所述第二纤芯(16)的外部，所述第二表面敏感膜(15)对碳化硅物质腐蚀消耗变化敏感，将所述碳化硅物质消耗传感探头(7)设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，也使所述第二表面敏感膜(15)与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当所述第二表面敏感膜(15)与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，所述第二传感栅区(14)采集所述第二表面敏感膜(15)的腐蚀状态的信号，并沿着与进入所述第二纤芯(16)的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，所述主路光纤的一端依次信号连接光纤光栅解调仪(2)，所述光纤光栅解调仪(2)和计算机(1)信号连接，所述主路光纤的另一端连接光纤耦合器(3)的合路信号端(8)，所述光纤耦合器(3)的分路信号端(4)分别与所述碳物质消耗传感单元的信号端(9)和所述碳化硅物质消耗传感器单元的信号端(10)连接，所述碳物质消耗传感单元的信号端(9)与所述第一光纤连接器(4-1)信号连接，所述碳化硅物质消耗传感器单元的信号端(10)与所述第二光纤连接器(4-2)信号连接，在所述光纤光栅解调仪(2)中内置光源，将入射光沿着所述主路光纤进行传输，入射光分别进入所述碳物质消耗传感探头(6)和所述碳化硅物质消耗传感探头(7)后，分别与所述第一表面敏感膜(12)和所述第二表面敏感膜(15)的腐蚀状态相互作用产生耦合效应，并至少使入射光的波长发生变化，再分别通过所述第一传感栅区(11)和所述第二传感栅区(14)将发生变化的入射光的状态信号作为检测信号，向主路光纤反射回去，最后被所述计算机(1)回收后，以碳和碳化硅物质消耗状态作为C/SiC复合材料的腐蚀状态监测的指标参数，通过计算分析，得到对应测试位置的待测C/SiC复合材料的腐蚀损伤信息；其特征在于，该方法包括如下步骤：
a.碳物质消耗的监测：结合光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将碳物质消耗敏感材料镀于施加一定预应力的具有光纤布拉格光栅栅区的光纤外表面，形成预应力碳物质消耗敏感镀膜，构建碳物质质量消耗监测传感探头，当预应力碳物质消耗敏感镀膜因腐蚀发生质量消耗时，引起光纤布拉格光栅栅区所受预应力减小，进而使从光源入射到预应力碳物质消耗传感探头上的入射光经过光纤布拉格光栅栅区的光栅反射后，向数据分析中心输送，实现以碳物质消耗作为第一监测指标，对C/SiC复合材料内部的碳物质的变化情况进行监测；
b.碳化硅物质消耗的监测：结合光纤光栅表面镀膜传感方法，将碳化硅物质消耗敏感材料镀于具有光纤布拉格光栅栅区的光纤外表面，形成碳化硅物质消耗敏感镀膜，构建碳化硅物质氧化腐蚀监测传感探头，当碳化硅物质消耗敏感镀膜因氧化腐蚀发生消耗时，引起光纤布拉格光栅栅区周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使从光源入射到碳化硅物质消耗传感探头上的入射光经过光纤布拉格光栅栅区的光栅反射后，向数据分析中心输送，实现以SiC物质消耗作为第二监测指标，分别对C/SiC复合材料内部的SiC物质中的Si、C元素变化情况进行监测；
c.C/SiC复合材料腐蚀状态的分析：结合所述步骤a和b 中对碳和碳化硅物质消耗的监测数据，数据分析中心对C/SiC复合材料物质消耗数据和光源输出的入射光数据进行计算评估，得出C/SiC复合材料腐蚀状态的结果信息，即得到对应测试位置的待测C/SiC复合材料的腐蚀损伤信息。
2.根据权利要求1所述监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，其特征在于：在所述步骤a中的碳化硅物质氧化腐蚀监测传感探头和在所述步骤b中的碳化硅物质消耗传感探头与待测的C/SiC复合材料之间均采用局部胶接耦合连接在一起。
3.根据权利要求1所述监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，其特征在于：所述第一传感栅区(11)采用光纤布拉格光栅，所述第一表面敏感膜(12)固定于对应施加一定预应力的第一传感栅区(11)位置处的所述碳物质消耗传感探头(6)的支路光纤的表面上，当所述第一表面敏感膜(12)因腐蚀发生质量消耗时，引起所述第一传感栅区(11)所受预应力减小，进而使入射到所述第一传感栅区(11)上的入射光经过反射后发生变化。
4.根据权利要求1所述监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，其特征在于：所述第二传感栅区(14)采用光纤布拉格光栅，所述第二表面敏感膜(15)固定于对应施加一定预应力的第二传感栅区(14)位置处的所述碳化硅物质消耗传感探头(7)的支路光纤的表面上，当所述第二表面敏感膜(15)因腐蚀发生物质转变时，引起所述第二传感栅区(14)周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使入射到所述第二传感栅区(14)上的入射光经过反射后发生变化。
5.根据权利要求1所述监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，其特征在于：所述第一传感栅区(11)采用光纤布拉格光栅，所述第一表面敏感膜(12)定于对应施加一定预应力固的第一传感栅区(11)位置处的所述碳物质消耗传感探头(6)的支路光纤的表面上，当所述第一表面敏感膜(12)因腐蚀发生质量消耗时，引起所述第一传感栅区(11)所受预应力减小，进而使入射到所述第一传感栅区(11)上的入射光经过反射后发生变化；所述第二传感栅区(14)采用光纤布拉格光栅，所述第二表面敏感膜(15)固定于对应施加一定预应力固的第二传感栅区(14)位置处的所述碳化硅物质消耗传感探头(7)的支路光纤的表面上，当所述第二表面敏感膜(15)因腐蚀发生物质转变时，引起所述第二传感栅区(14)周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使入射到所述第二传感栅区(14)上的入射光经过反射后发生变化。
6.根据权利要求1所述监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，其特征在于：所述碳物质消耗传感单元包括一系列串联的所述碳物质消耗传感探头(6)，或者所述碳化硅物质消耗传感器单元包括一系列串联的所述碳化硅物质消耗传感探头(7)。
7.根据权利要求1所述监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，其特征在于：所述第一表面敏感膜(12)和所述第二表面敏感膜(15)分别紧密结合在所述第一纤芯(13)和所述第二纤芯(16)的外表面上。
8.根据权利要求1所述监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，其特征在于：所述碳物质消耗传感探头(6)的第一传感栅区(11)和所述碳化硅物质消耗传感探头(7)的第二传感栅区(14)分别通过对应的栅区固定架来固定。
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