CN106928676B - 一种光纤光栅传感器的保护材料及其生产方法 - Google Patents

一种光纤光栅传感器的保护材料及其生产方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤光栅传感器的保护材料及其生产方法，所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂。该种材料作为光纤光栅传感器的保护材料和生产材料，通过注塑成型生产方法，完成传感器保护材料的生产。本发明中以单一树脂基复合材料替代传统多种材料组合形式作为光纤光栅传感器的保护材料，有效降低了应变传递误差，且该保护材料具有优良的抗腐蚀性和化学稳定性，确保了传感器在恶劣的工程环境中具有较长的使用寿命。同时，制得的保护材料注塑液粘度适度，流动性相对较佳，通过一次性注塑成型技术完成传感器的生产，操作过程简单，成品性能稳定，适宜于大批量工业生产，大幅降低了生产成本。

Description

一种光纤光栅传感器的保护材料及其生产方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术及复合材料领域，尤其涉及一种光纤光栅传感器的保护材料及其生产方法。
背景技术
光纤光栅是一种新型的光学器件，它通过在光纤轴向上建立周期性的折射率分布来改变或控制光在该区域的传播行为和方式。光纤微小的变形都会被光栅感知从而传递出不同的光信号。因其高敏感、高分辨率、抗干扰性强等优点，近年来光纤光栅传感技术被广泛应用于土木工程、航天航空、船舶等领域实时监测温度、应力应变、电流电压等物理量的变化。
由于裸的光纤光栅直径只有125μm，在恶劣的工程环境中容易损伤，只有对其进行保护性的封装，才能赋予光纤光栅更稳定的性能和较长的使用寿命。同时，通过设计不同的封装结构、选取不同的封装用材，一方面可以使传感器适应多变的应用环境而不改变其传导特性，另一方面封装材料被赋予温度、应变增敏等功能因而增加了测量的精准性。金属套管、基片是一种常见的封装材料，其他材料包括陶瓷、合金等。按封装结构的不同可分为粘结式、埋入式及工字型钢柱光纤光栅传感器。封装过程中，先用环氧树脂等胶沿轴线将光纤光栅固定在内层毛细钢管或带凹槽的金属基片之中，然后进行外部保护材料的逐层叠加粘结，结构缝隙需用胶填满。光纤光栅所感受到的应变为胶层内表面的应变，而这种应变经过外表面多层多种材料的传递，已难以反映被测物体的真实应变，测量误差较大且重复性差。此外，整个封装过程步骤繁琐，不适用于工业化大批量生产，限制了光纤光栅传感器的推广应用。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种光纤光栅传感器的保护材料及其生产方法，解决上述技术问题。
本发明采用的技术手段如下：一种光纤光栅传感器的保护材料，制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂。
进一步的，所述石英砂的粒径为75μm以下。
进一步的，所述玄武岩纤维的长度为5～7mm、直径为14～18um。
进一步的，各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂20～40份、固化剂1～2.5份、促进剂0.5～1.25份；玄武岩纤维体积掺量为0.2～0.8％。
进一步的，各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂30份、固化剂2份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％。
进一步的，所述玄武岩纤维替换为碳纤维。
进一步的，所述不饱和聚酯树脂替换为环氧树脂；各原料重量份为：环氧树脂100份、石英砂30份、固化剂80份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％。
本发明还提供一种光纤光栅传感器的保护材料的生产方法，包括以下步骤：
S1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌35～45min，制成胶液；
S2、在步骤S1的胶液中加入固化剂，继续搅拌5～8min，得到均匀的注塑液，封存；
S3、将光纤光栅预浸湿一层步骤S2中的注塑液后，沿直径为10～20mm管状模具中心轴线方向固定，封闭模具两端，并留出注塑口，用注射枪缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，即完成注塑；
S4、将步骤S3完成注塑的样品于常温固化25～35min，取出脱模，即完成了光纤光栅传感器的保护材料的制备。
进一步的，所述步骤S1的搅拌时间为40min；所述步骤S2的搅拌时间为5min；所述步骤S4的固化时间为30min。
进一步的，在步骤S3中，所述模具长度为15cm，直径为16mm。
有益效果：本发明采用不饱和聚酯树脂为基体材料，玄武岩纤维或碳纤维以及石英砂为增强材料，制得的一种光纤光栅传感器复合保护材料具有高的弹性模量和拉伸强度，抗腐蚀性能好，相较传统多种材料组合形式作为光纤光栅传感器保护材料能有效降低应变传递误差，延长传感器使用寿命。制得的保护材料注塑液粘度适度，流动性相对较佳，通过一次性注塑成型技术完成光纤光栅传感器的生产，操作过程简单，成品性能稳定，适宜于大批量工业生产，大幅降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明的光纤光栅传感器示意图；
图2为本发明的光纤光栅传感器在混凝土中的示意图；
图中：1、光纤光栅，2、保护材料，3、混凝土。
具体实施方式
以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
实施例1
一种光纤光栅传感器的保护材料，制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂20份、固化剂1份、促进剂0.5份；玄武岩纤维体积掺量为0.2％；所述石英砂的粒径为75μm；所述玄武岩纤维的长度为5mm、直径为14um。
实施例2
一种光纤光栅传感器的保护材料，制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂40份、固化剂2.5份、促进剂1.25份；玄武岩纤维体积掺量为0.8％；所述石英砂的粒径为60μm；所述玄武岩纤维的长度为7mm、直径为18um。
实施例3
一种光纤光栅传感器的保护材料，制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂30份、固化剂2份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％；所述石英砂的粒径为50μm；所述玄武岩纤维的长度为6mm、直径为16um。
上述实施例1～3中任一实施例中的光纤光栅传感器的保护材料的生产方法如下：
S1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌40min，制成胶液；
S2、在步骤S1的胶液中加入固化剂，继续搅拌5min，得到均匀的注塑液，封存；
S3、将光纤光栅预浸湿一层步骤S2中的注塑液，选用长度为15cm、直径为16mm的管状模具，模具两端用铝箔封口膜封闭，并用针在模具两端封口膜中心分别扎一小口将光纤光栅插入，光纤光栅则沿模具中心轴线方向固定，且模具上端的封口膜上设有注塑口，用注射枪从上方缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，注射过程中尽量避免气泡的产生，确保光纤光栅始终沿模具中心轴线方向，待其填满后轻振消除气泡和空隙，即完成注塑；
S4、将步骤S3完成注塑的样品封闭模具上端的注塑口，于常温固化30min，取出脱模，即完成所述光纤光栅传感器的保护材料的生产(如图1～2所示)。
实施例4
与实施例3区别在于，本实施例的光纤光栅传感器保护材料的生产方法如下：
S1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌35min，制成胶液；
S2、在步骤S1的胶液中加入固化剂，继续搅拌5min，得到均匀的注塑液，封存；
S3、将光纤光栅预浸湿一层步骤S2中的注塑液，选用长度为15cm、直径为16mm的管状模具，模具两端用铝箔封口膜封闭，并用针在模具两端封口膜中心分别扎一小口将光纤光栅插入，光纤光栅则沿模具中心轴线方向固定，且模具上端的封口膜上设有注塑口，用注射枪从上方缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，注射过程中尽量避免气泡的产生，确保光纤光栅始终沿模具中心轴线方向，待其填满后轻振消除气泡和空隙，即完成注塑；
S4、将步骤S3完成注塑的样品封闭模具上端的注塑口，于常温固化25min，取出脱模，即完成所述光纤光栅传感器的保护材料的生产。
实施例5
与实施例3区别在于，本实施例的光纤光栅传感器的保护材料的生产方法如下：
S1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌45min，制成胶液；
S2、在步骤S1的胶液中加入固化剂，继续搅拌8min，得到均匀的注塑液，封存；
S3、将光纤光栅预浸湿一层步骤S2中的注塑液，选用长度为15cm、直径为16mm的管状模具，模具两端用铝箔封口膜封闭，并用针在模具两端封口膜中心分别扎一小口将光纤光栅插入，光纤光栅则沿模具中心轴线方向固定，且模具上端的封口膜上设有注塑口，用注射枪从上方缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，注射过程中尽量避免气泡的产生，确保光纤光栅始终沿模具中心轴线方向，待其填满后轻振消除气泡和空隙，即完成注塑；
S4、将步骤S3完成注塑的样品封闭模具上端的注塑口，于常温固化35min，取出脱模，即完成所述光纤光栅传感器的保护材料的生产。
实施例6
本实施例与实施例3区别在于，所述玄武岩纤维替换为碳纤维。
实施例1～6使用的固化剂和促进剂为市售固化剂和促进剂，所述固化剂可选用白水，促进剂可选用蓝水。
实施例7
一种光纤光栅传感器的保护材料，制备所述保护材料包括以下原料：环氧树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；各原料重量份为：环氧树脂100份、石英砂30份、固化剂80份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％；所述石英砂的粒径为50μm；所述玄武岩纤维的长度为6mm、直径为16um；固化剂可选用甲基四氢苯酐，促进剂可选用DMP-30。
实施例1～7制成的光纤光栅传感器的保护材料的性能测试结果如下表1：
试验例 注塑液流程/mm 弹性模量/GPa 拉伸强度/GPa
实施例1 760 1.79 48.9
实施例2 720 2.65 54.3
实施例3 680 3.34 56.5
实施例4 680 3.04 52.5
实施例5 680 3.40 57.5
实施例6 690 3.88 55.5
实施例7 650 3.54 58.7
由上表可知，实施例1～7制得的注塑液粘度适度，流动性相对较佳，注塑液易于均匀注塑，制成的光纤光栅传感器的保护材料具有高的弹性模量和拉伸强度。相对于实施例1～2，实施例3的弹性模量较高、拉伸强度较强，表明实施例3对应的组分配比为优选量；对比实施例3～5，随着搅拌时间和固化时间的延长，弹性模量和拉伸强度有所提高，但实施例3与实施例5的弹性模量和拉伸强度相差不大，结合资源节省的角度，实施例3的工艺参数为优选参数。实施例6将玄武岩纤维替换为碳纤维，制成的保护材料弹性模量也较高、拉伸强度也较强；实施例7中基体材料使用环氧树脂，注塑液流程有所下降，粘度增大，但制成的保护材料具有较高的弹性模量和拉伸强度。
实施例8～11未加入石英砂、玄武岩纤维，依据实施例3的生产方法，设置不同促进剂、固化剂的用量，针对促进剂、固化剂的用量对固化时间、拉伸强度的影响进行研究
表2促进剂、固化剂的用量对固化时间、拉伸强度的影响
由表2可知，随着固化剂、促进剂用量的增加，浇铸体的初始固化时间逐渐缩短，拉伸强度呈现先升高后降低的趋势，峰值出现在不饱和聚酯树为100份、固化剂与促进剂用量分别为2份和1份时。固化反应是在促进剂的催化作用下，线型树脂上的活性基团与固化剂发生交联形成网状立体聚合物的过程。反应体系中固化剂、促进剂浓度的增大均能加快反应进程，增加固化程度，有利于固化体力学性能的提高。而过量的固化剂则会导致体系局部过交联产生应力集中，拉伸强度降低。
实施例12～17未加入玄武岩纤维，依据实施例3及生产方法，设置不同的石英砂用量，针对石英砂掺量对材料拉伸强度、拉伸弹性模量的影响进行研究
表3石英砂掺量对材料拉伸强度、拉伸弹性模量的影响
由表3可知，随着石英砂掺量的增加，材料弹性模量变化并不明显，拉伸强度呈现先升后降的趋势。当石英砂掺量较小时，能够均匀分散在树脂中起到物理交联点的作用，对材料的力学性能起到补强的作用；当其掺量超过30份后，石英砂形成局部团聚现象，在材料受到外力荷载时，因局部应力过大，易形成裂纹，导致拉伸强度降低。
实施例18～22依据实施例3的生产方法，设置不同的玄武岩纤维用量，针对玄武岩纤维掺量对材料拉伸强度、拉伸弹性模量、流动性的影响进行研究
表4纤维掺量对材料拉伸强度、拉伸弹性模量、流动性的影响
从表4中可以看出，玄武岩纤维对材料力学性能的提高作用较石英砂更为明显，掺加少量玄武岩纤维就能有效提高保护材料拉伸强度及弹性模量。玄武岩纤维掺量为0.6％时，材料的拉伸强度相较于未掺玄武岩纤维时提高近25％，拉伸模量提高约2.8倍。但是，随着玄武岩纤维掺量的增加，浇铸液的流程减小，浇铸液粘度逐渐增大，流动性变差。因此，综合力学性能与流动性考虑，玄武岩纤维的掺量为0.6％为最优量。
通过上述树脂固化工艺及石英砂、玄武岩纤维对保护材料性能的影响研究，本发明的保护材料最优配比为不饱和聚酯树脂：石英砂：玄武岩纤维：固化剂：促进剂＝100：30：0.6：2：1(其中纤维掺量为体积掺量，其余均为质量比)。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤光栅传感器的保护材料，其特征在于，制备所述保护材料包括以下原料：不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、固化剂和促进剂；
各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂20～40份、固化剂1～2.5份、促进剂0.5～1.25份；玄武岩纤维体积掺量为0.2～0.8％；
所述的光纤光栅传感器的保护材料的生产方法，包括以下步骤：
S1、将不饱和聚酯树脂、石英砂、玄武岩纤维、促进剂加入搅拌机中常温搅拌35～45min，制成胶液；
S2、在步骤S1的胶液中加入固化剂，继续搅拌5～8min，得到均匀的注塑液，封存；
S3、将光纤光栅预浸湿一层步骤S2中的注塑液后，沿直径为10～20mm管状模具中心轴线方向固定，封闭模具两端，并留出注塑口，用注射枪缓慢匀速地将注塑液从注塑口注入模具内，即完成注塑；
S4、将步骤S3完成注塑的样品于常温固化25～35min，取出脱模，即完成所述光纤光栅传感器的保护材料的生产。
2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的保护材料，其特征在于，所述石英砂的粒径为75μm以下。
3.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的保护材料，其特征在于，所述玄武岩纤维的长度为5～7mm、直径为14～18um。
4.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的保护材料，其特征在于，各原料重量份为：不饱和聚酯树脂100份、石英砂30份、固化剂2份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％。
5.据权利要求1所述的光纤光栅传感器的保护材料，其特征在于，所述玄武岩纤维替换为碳纤维。
6.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的保护材料，其特征在于，所述不饱和聚酯树脂替换为环氧树脂；各原料重量份为：环氧树脂100份、石英砂30份、固化剂80份、促进剂1份；玄武岩纤维体积掺量为0.6％。
7.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器的保护材料，其特征在于，所述步骤S1的搅拌时间为40min；所述步骤S2的搅拌时间为5min；所述步骤S4的固化时间为30min。
8.根据权利要求7所述的光纤光栅传感器的保护材料，在步骤S3中，所述模具长度为15cm，直径为16mm。
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