CN106053474B - 一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤光栅传感器保护方法，属于光纤传感和结构健康监测技术领域；首先将复合材料层压板(2)固定于工作台上；光纤光栅传感器(5)的两端套上保护套管(4)后置于复合材料层压板表面，套管伸入复合材料层压板端面一定距离，用快干胶将光纤和套管固定，在复合材料层压板表面上均匀地涂μmm厚的粘接剂将光纤(3)和保护套管固定；然后将玻璃纤维布(1)整齐地平铺在粘接剂上，在纤维布周边安装腻子条，用腻子条固定抽真空专用薄膜，常温下利用抽真空装置对整个玻璃纤维布面进行抽真空操作，直至相对真空度达到‑0.1MPa；最后将整个结构常温固化γ小时。对比现有技术，本发明工艺流程简单，对复合材料结构件的力学性能和装配影响较小。

Description

一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法

技术领域

本发明涉及一种表贴在复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，属于光纤传感和结构健康监测技术领域。

背景技术

随着光纤传感器技术的不断发展，光纤光栅传感器在工程测量中的应用越来越为广泛。相对于传统传感器，它有其自身很多的优点，如尺寸小，传输过程能量损耗小，波分复用及分布式传感，耐高温，抗腐蚀，不受电磁干扰，可以在恶劣环境中工作等。

由于光纤传感器尺寸较小(155μm)，易埋入复合材料，近几年来，光纤光栅传感器逐渐被应用在复合材料结构的健康检测及智能复合材料领域中。一些研究中将传感器内埋在复合材料结构中搭建成为智能的健康监测系统，这样可以有效地保护光纤传感器在监测过程中避免受到外界环境的影响，但是将光纤光栅传感器置于复合材料内部铺层之间可能会对复合材料固化成型后的力学性能产生影响，如抗拉、抗弯、疲劳等性能，随着带来航空航天结构安全隐患，同时出入口方式也会严重制约结构件之间的装配。因此一般常规方法是将光纤光栅传感器用胶粘剂直接安装于复合材料结构表面，易受胶粘剂老化性能的影响，且安装工艺难以控制，操作繁琐，环境恶劣时容易受到损坏或者精度降低，因此目前迫切需要一种与复合材料层压板单层相似的传感器保护方式，既不影响复合材料内部结构，又能与复合材料有很好的相容性，方便快捷地实现复合材料结构健康监测。

发明内容

本发明的目的是一方面为解决将光纤光栅传感器埋入复合材料进行结构健康监测时会引入内部缺陷，影响复合材料本身结构性能，光纤出入口易断，影响复合材料结构件装配的难题，另一方面为解决光纤光栅传感器采用传统的胶粘剂安装于复合材料结构表面时，胶粘剂抗老化性能差，安装工艺难以控制，操作繁琐，环境恶劣时易损坏等问题，提出一种表贴在复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，实现了对光纤光栅传感器与复合材料结构的紧密结合与保护，亦可对复合材料结构的健康状况实时监测，减少按期周检，根据监测结果视情维修，减小了人、财、物的投入，同时可避免由结构失效带来的人员安全事故及经济损失。

本发明的思想是采用玻璃纤维布带胶层抽真空的方式对表贴在复合材料结构的光纤进行保护，同时在端部采用超细聚酰亚胺套管进行出入口保护；实现了对光纤光栅传感器与复合材料结构的紧密结合与保护，亦可对复合材料结构的健康状况实时监测，减少按期周检，根据监测结果视情维修，减小了人、财、物的投入，同时可避免由结构失效带来的人员安全事故及经济损失。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种表贴在复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，包括以下步骤：

(1)将复合材料层压板水平固定于工作台上；

(2)光纤光栅传感器的两端套上保护套管，并将其置于复合材料层压板表面，套管伸入复合材料层压板端面λ距离，用快干胶将光纤和套管连接处固定，并在光纤与套管上任选几个点，用快干胶固定在复合材料层压板上，以此固定整个光纤和套管在复合材料层压板上的位置；

(3)在光纤和套管需要玻璃纤维布保护的复合材料层压板表面区域涂μ厚度的粘接剂，将玻璃纤维布整齐地平铺在粘接剂上，在纤维布周边的工作台上安装腻子条，然后将抽真空专用的不粘胶薄膜平铺在玻璃纤维布上，并用腻子条将抽真空专用的不粘胶薄膜周边完全粘紧，在不粘胶薄膜上安装抽真空孔，常温下利用抽真空装置对整个玻璃纤维布面进行抽真空操作，直至相对真空度达到δ；

(4)整个结构常温固化时间为γ；

(5)固化完成后，抽真空装置停止工作，去掉抽真空孔、不粘胶薄膜和腻子条，得到在复合材料结构表面采用玻璃纤维布进行保护的光纤光栅传感器。

作为优选，所述λ应介于5mm到10mm之间，λ值太小会导致套管易拉出，对光纤出口保护不到位；λ值太大易对复合材料结构表面带来附加粗糙度，对复合材料结构件装配等有影响，同时带来套管的材料浪费。

作为优选，所述μ应介于0.2mm到0.5mm之间，μ值太小会导致局部贫胶，光纤和套管不能很好地完全固定在复合材料层压板上，导致粘接剂固化后光纤光栅传感器和套管的位置偏离，影响测试准确性；μ值太大，会造成太多胶富集在复合材料表面，影响复合材料厚度，同时也带来粘接剂的浪费。

作为优选，所述δ应满足小于-0.1MPa，因δ值大于-0.1MPa后会导致粘接剂中的空气不能很好地排出，导致粘接剂固化后有气泡，带来局部应力集中，影响光纤光栅传感器的保护效果。

作为优选，所述γ应介于24小时至30小时之间，因γ值太小会造成粘接剂不能在真空环境下充分固化，在之后使用过程中造成玻璃纤维布易脱落，不能很好地保护光纤光栅传感器；γ值太大，会造成抽真空用电的浪费。

作为优选，所述保护套管为高强度、耐温范围超过300℃、外径小于1mm的软质管材。

作为优选，当所述光纤光栅传感器替换为光纤光栅串或分布式传感网络时能实现系统的单根引线、多点测量。

有益效果

本发明是为解决实现复合材料结构健康监测的一种光纤光栅传感器而提出的一种保护方法，工艺流程简单，易于实施，耐久性能好，对复合材料结构性能影响小，方便结构件之间的装配。该方法实现了对光纤、光栅及出入口的全面保护，光纤光栅传感器在外载荷作用下容易发生损坏及表贴出入口处易发生脆断等问题得到了解决。由于玻璃纤维布较薄，套管直径超细，此保护措施对待测结构的整体性能影响较小，避免了将传感器内埋于复合材料结构内部带来的内部缺陷对复合材料力学性能的影响。此外，该法对制作智能复合材料及保护用于结构健康监测的分布式传感网络也提供了一个新的途径。

附图说明

图1是本发明的工作原理示意图；

图2是光纤埋入复合材料微观界面图；

图3是内埋光纤对复合材料拉伸力学性能的影响示意图；

图4是内埋光纤和表贴光纤的复合材料纵切面结构示意图。

附图标记：1-玻璃纤维布，2-复合材料层压板，3-光纤，4-保护套管，5-光纤光栅传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做以下详细描述。

参阅图1，一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，具体的实施步骤如下：

1，将复合材料层压板2水平固定于工作台上；

2，光纤光栅传感器5的两端套上保护套管4，并将其置于复合材料层压板2表面，套管伸入复合材料层压板2端面10mm，用快干胶将光纤和套管连接处固定，在层压板表面上均匀地涂0.5mm厚的粘接剂将光纤3和保护套管4固定；

3，将玻璃纤维布1整齐地平铺在粘结剂上，在纤维布周边安装腻子条，用腻子条固定抽真空专用薄膜，常温下利用抽真空装置对整个玻璃纤维布面进行抽真空操作，直至相对真空度达到-0.1MPa；

4，维持真空度为-0.1MPa，将整个结构常温固化24小时。

所述保护套管(4)为高强度、耐温范围超过300℃、外径小于1mm的软质管材，本实施例中使用外径为0.9mm的聚酰亚胺套管或尼龙套管。

所述光纤光栅传感器(5)也可以为光纤光栅串或分布式传感网络，以实现系统的单根引线、多点测量。

试验结果：

1)光纤光栅传感器埋入复合材料

首先，光纤光栅传感器埋入复合材料，取0度(光纤平行于碳纤维方向)和90度(光纤垂直于碳纤维方向)两个极端为例，光纤埋入复合材料微观界面图如图2所示，由a)可以看出光纤直径至少为碳纤维直径的十几倍；由b)若光纤与邻近的预浸料垂直，光纤周围会有明显的树脂富集，带来结构缺陷。

其次，将不同根数(0根、5根、10根)的光纤分别埋入复合材料拉伸标准试件内部，光纤埋入方向取0度和90度两个方向。内埋光纤对复合材料拉伸力学性能的影响如图3所示，可以看出，埋入光纤造成了复合材料的力学性能的变化，会导致复合材料结构设计单位很难评估和接受内埋光纤。相反，采用本发明的光纤光栅传感器保护方式可以规避这个难题。

再次，内埋光纤和表贴光纤的复合材料纵切面示意图如图4所示，由a)可以看出，由于出口采用的套管直径比光纤更大，伸进复合材料内部带来结构缺陷，存在重大安全隐患；由于光纤的出口，导致复合材料边很难切割，尺寸难以保证，影响装配。而本发明的光纤光栅保护方法见b)，光纤不伸入复合材料结构内部，不从复合材料侧边引出，可以根据复合材料结构件装配灵活设计出口，规避引起结构内部缺陷和难以装配的难题。

2)用传统胶粘方式，首先将光纤光栅传感器按照布局整齐排列在复合材料表面，并用纸胶带逐段固定光栅，在光栅两侧粘贴挡胶条，用胶枪在胶条内注胶，注胶量多少全凭经验和胶枪质量，工艺一致性难控制；粘接剂无法抽真空，粘粘剂中多余气泡难排出，带来光纤光栅传感器保护质量下降；光栅固定后，需要用单面胶带逐段将除光栅外的全部光纤粘紧在复合材料结构表面，带来复合材料表面凹凸不平，且在恶劣环境下传感器精度等会受到影响。若为光纤光栅串，光栅数量较多时，需要对光栅逐个进行注胶，工艺更加繁琐，而本发明的保护方式可以一次性完成保护。

综上所述，采用本发明方法可以很好地解决将光纤光栅传感器埋入复合材料进行结构健康监测时会引入内部缺陷，影响复合材料本身结构性能，光纤出入口易断，影响复合材料结构件装配的难题，另一方面也解决了光纤光栅传感器采用传统的胶粘剂安装于复合材料结构表面时，胶粘剂抗老化性能差，安装工艺难以控制，操作繁琐，环境恶劣时易损坏等问题；使得光纤光栅的引入既不影响复合材料内部结构，又能与复合材料有很好的相容性，能够全面保护光纤光栅传感器，且工艺流程简单，对复合材料结构件的力学性能和装配影响较小。此外，采用本发明方法还可用于制作智能复合材料结构，对结构健康状况进行实时监测的分布式传感网络进行保护。

为了说明本发明的内容及实施方法，给出了上述具体实施例。在实施例中引入细节的目的不是限制权利要求书的范围，而是帮助理解本发明所述方法。本领域的技术人员应理解：在不脱离本发明及其所附权利要求的精神和范围内，对最佳实施例步骤的各种修改、变化或替换都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例及附图所公开的内容。

Claims (8)

1.一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将复合材料层压板(2)水平固定于工作台上；

(2)光纤光栅传感器(5)的两端套上保护套管(4)，并将其置于复合材料层压板(2)表面，套管伸入复合材料层压板(2)端面λ距离，用快干胶将光纤和套管连接处固定，并在光纤(3)与保护套管(4)上任选几个点，用快干胶固定在复合材料层压板上，以此固定整个光纤和保护套管在复合材料层压板(2)上的位置；

(3)在光纤(3)与保护套管(4)需要玻璃纤维布(1)保护的复合材料层压板(2)表面区域涂μ厚度的粘接剂，将玻璃纤维布(1)整齐地平铺在粘接剂上，在纤维布周边的工作台上安装腻子条，然后将抽真空专用的不粘胶薄膜平铺在玻璃纤维布上，并用腻子条将抽真空专用的不粘胶薄膜周边完全粘紧，在不粘胶薄膜上安装抽真空孔，常温下利用抽真空装置对整个玻璃纤维布面进行抽真空操作，直至相对真空度达到δ；

(4)整个结构常温固化时间为γ；

(5)固化完成后，抽真空装置停止工作，去掉抽真空孔、不粘胶薄膜和腻子条，得到在复合材料结构表面采用玻璃纤维布进行保护的光纤光栅传感器。

2.根据权利要求1所述的一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：所述λ应介于5mm到10mm之间，λ值太小会导致套管易拉出，对光纤出口保护不到位；λ值太大易对复合材料结构表面带来附加粗糙度，对复合材料结构件装配有影响，同时带来套管的材料浪费。

3.根据权利要求1所述的一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：所述μ应介于0.2mm到0.5mm之间，μ值太小会导致局部贫胶，光纤和套管不能很好地完全固定在复合材料层压板上，导致粘接剂固化后光纤光栅传感器和套管的位置偏离，影响测试准确性；μ值太大，会造成太多胶富集在复合材料表面，影响复合材料厚度，同时也带来粘接剂的浪费。

4.根据权利要求1所述的一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：所述δ应满足小于-0.1MPa，因δ值大于-0.1MPa后会导致粘接剂中的空气不能很好地排出，导致粘接剂固化后有气泡，带来局部应力集中，影响光纤光栅传感器的保护效果。

5.根据权利要求1所述的一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：所述γ应介于24小时至30小时之间，因γ值太小会造成粘接剂不能在真空环境下充分固化，在之后使用过程中造成玻璃纤维布易脱落，不能很好地保护光纤光栅传感器；γ值太大，会造成抽真空用电的浪费。

6.根据权利要求1所述的一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：所述保护套管(4)为高强度、耐温范围超过300℃、外径小于1mm的软质管材。

7.根据权利要求6所述的一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：所述保护套管(4)为外径0.9mm的聚酰亚胺套管或尼龙套管。

8.根据权利要求1所述的一种表贴于复合材料结构的光纤光栅传感器保护方法，其特征在于：当所述光纤光栅传感器(5)替换为光纤光栅串或分布式传感网络时能实现系统的单根引线、多点测量。