CN107053707B - 一种光纤光栅连续植入拉挤成型复合材料的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统，包括下部拉挤系统，下部拉挤系统包括依次设置的纱架、纤维导向器、树脂浸渍装置、纤维张力分配器、预成型模具、加热成型模具、牵引装置和切割装置，还包括上部光纤光栅传感阵列置入系统，上部光纤光栅传感阵列置入系统包括用于缠绕已刻栅光纤的光缆盘和用于将光缆盘上的已刻栅光纤导出的光纤导轮系统；纱架、纤维导向器、树脂浸渍装置和纤维张力分配器仅用于纤维材料的处理，光纤导轮系统用于将已刻栅光纤输出到纤维张力分配器与预成型模具之间。本发明通过增加上部光纤光栅传感阵列置入系统，已刻栅光纤在纤维材料浸胶和张力分配之后加入，提高了系统的稳定性和生产效率。

Description

一种光纤光栅连续植入拉挤成型复合材料的系统及方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统及方法。

背景技术

出于安全考虑，很多大型的土木工程和基础设施的有效使用寿命是关注的重点。考虑到很多建筑、桥梁、铁路、边坡和结构的设计寿命都在几十年、甚至上百年，因此，为了长期和施工时在线监控大型土木工程的应用和服役情况，光纤光栅传感器作为一种性能优良的感应元件逐渐被广泛应用。

光纤光栅传感器是通过光反射波长的变化来感应外界微小应力的变化，从而达到对结构应变进行实时监控的目的。基于光纤光栅传感器的工作原理，其优点主要体现在以下几方面：1、环境适应性强，不受环境噪声和电磁的干扰；2、构造简单，集传感和传输于一体；3、精确度高，可对结构的应变进行高精确度绝对测量和准分布式数值测量。然而，光纤光栅本身很脆、剪切强度低，因此，应用时必需对其进行封装。

近些年来，拉挤成型复合材料由于其优越的性能被越来越多的应用到光纤光栅的封装领域。具体来说，专利200810217549.0公布了一种光纤光栅内埋于纤维高聚物复合材料的系统及方法，该方法把单根光纤（包含光纤光栅）埋入纤维高聚物复合材料，但是埋入的光纤会经过树脂浸渍槽和纤维张力分配器之后再进入拉挤成型模头，这样光纤在经过纤维张力分配器易于折断，无法实现光纤光栅的预拉伸，且不能同时把多根光纤埋入纤维高聚物复合材料。专利200910057487.6公布了一种光纤光栅复合材料智能筋的制备系统及方法，该方法可以把单根光纤（包含光纤光栅）在模压成型模具处连续埋入圆形复合材料，埋入的长度有限，每次埋入的时候都得给光纤两端做接头盒封装保护装置，极大的降低了生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统及方法，能够提高系统的稳定性和生产效率。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统，包括下部拉挤系统，下部拉挤系统包括依次设置的纱架、纤维导向器、树脂浸渍装置、纤维张力分配器、预成型模具、加热成型模具、牵引装置和切割装置，其特征在于：本光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统还包括上部光纤光栅传感阵列置入系统，上部光纤光栅传感阵列置入系统包括用于缠绕已刻栅光纤的光缆盘和用于将光缆盘上的已刻栅光纤导出的光纤导轮系统；

所述的纱架、纤维导向器、树脂浸渍装置和纤维张力分配器仅用于纤维材料的处理，所述的光纤导轮系统用于将已刻栅光纤输出到纤维张力分配器与预成型模具之间。

按上述方案，所述的上部光纤光栅传感阵列置入系统还包括预拉伸装置，预拉伸装置与光缆盘的中心轴连接，为光缆盘提供扭矩。

按上述方案，所述的预拉伸装置包括磁粉制动器、磁粉制动器控制器和连接轴；磁粉制动器通过连接轴与光缆盘的中心轴连接，磁粉制动器的扭矩由磁粉制动器控制器控制。

利用所述的光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统实现的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

纤维材料从纱架依次经过纤维导向器、树脂浸渍装置、纤维张力分配器，与从光纤导轮系统导出的已刻栅光纤一起，依次经过预成型模具和加热成型模具，形成挤压成型复合材料，由牵引装置牵出，在预设的合适位置由切割装置切割。

按上述方法，所述的光缆盘通过预拉伸装置控制扭矩。

按上述方法，所述的已刻栅光纤的数量、所刻光栅的间距，根据复合材料的要求确定。

按上述方法，当已刻栅光纤的数量大于1时，每根已刻栅光纤对应一个光缆盘。

按上述方法，所述的挤压成型复合材料的形状和尺寸由预成型模具和加热成型模具的尺寸确定。

按上述方法，所述的已刻栅光纤植入挤压成型复合材料的具体位置由所述的光纤导轮系统的位置确定。

本发明的有益效果为：

1、通过增加上部光纤光栅传感阵列置入系统，已刻栅光纤没有按传统方法与纤维材料一起进行浸胶与张力分配，而是在纤维材料浸胶和张力分配之后加入，与浸胶和张力分配之后的纤维材料一起进行预成型和加热成型即可，避免了已刻栅光纤在浸胶和张力分配时的折断，提高了系统的稳定性和生产效率。

2、通过给光缆盘一个力矩，从而给已刻栅光纤一个预拉伸力，从而在已刻栅光纤植入时有一个相对于纤维材料不同的预拉伸，极大的提高了植入后光纤光栅复合材料传感器的一致性与稳定性。

3、通过改变下部拉挤系统中的预成型模具和加热成型模具的形状和尺寸来控制拉挤成型复合材料的形状和尺寸，同时由于上部光纤光栅植入系统的存在使得单根或多根已刻栅光纤能同时植入在拉挤成型复合材料的不同位置，这极大的扩充了拉挤成型复合材料的应用范围，也为光纤光栅的复合材料封装提供了一种更加可靠的手段。

附图说明

图1为本发明的一种实施例的系统结构示意图。

图2为磁粉制动器控制器、磁粉制动器、连接轴、塑料光缆盘相对位置示意图。

图中：1-纱架；2-纤维材料；3-纤维导向器；4-树脂浸渍装置；5-纤维张力分配器；6-光纤导轮系统；7-光缆盘；8-已刻栅光纤；9-预成型模具；10-加热成型模具；11-牵引装置；12-切割装置；13-挤压成型复合材料；14-磁粉制动器；15-连接轴；16-磁粉制动器控制器。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

本发明提供一种光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统，如图1所示，包括下部拉挤系统，下部拉挤系统包括依次设置的纱架1、纤维导向器3、树脂浸渍装置4、纤维张力分配器5、预成型模具9、加热成型模具10、牵引装置11和切割装置12，本光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统还包括上部光纤光栅传感阵列置入系统，上部光纤光栅传感阵列置入系统包括用于缠绕已刻栅光纤8的光缆盘7和用于将光缆盘7上的已刻栅光纤8导出的光纤导轮系统6；所述的纱架1、纤维导向器3、树脂浸渍装置4和纤维张力分配器5仅用于纤维材料2的处理，所述的光纤导轮系统6用于将已刻栅光纤8输出到纤维张力分配器5与预成型模具9之间。

优选的，所述的上部光纤光栅传感阵列置入系统还包括预拉伸装置，预拉伸装置与光缆盘7的中心轴连接，为光缆盘7提供扭矩。本实施例提供一种预拉伸装置，包括磁粉制动器14、磁粉制动器控制器16和连接轴15；磁粉制动器14通过连接轴15与光缆盘7的中心轴连接，磁粉制动器14的扭矩由磁粉制动器控制器控16制。

利用所述的光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统实现的方法，包括以下步骤：

纤维材料2从纱架1依次经过纤维导向器3、树脂浸渍装置4、纤维张力分配器5，与从光纤导轮系统6导出的已刻栅光纤8一起，依次经过预成型模具9和加热成型模具10，形成挤压成型复合材料13，由牵引装置11牵出，在预设的合适位置由切割装置12切割。

光缆盘7通过预拉伸装置控制扭矩。

已刻栅光纤8的数量、所刻光栅的间距，根据复合材料的要求确定。

当已刻栅光纤8的数量大于1时，每根已刻栅光纤8对应一个光缆盘7。

挤压成型复合材料13的形状和尺寸由预成型模具9和加热成型模具10的尺寸确定。

已刻栅光纤8植入挤压成型复合材料13的具体位置由所述的光纤导轮系统6的位置确定。

在本实施例中，拉挤成型复合材料的形状、尺寸由预成型模具和加热成型模具的尺寸来确定，而光纤植入拉挤成型复合材料的位置则由光纤导轮系统的位置决定，导轮系统的位置决定了光纤穿入预成型模具的位置，同时纤维材料也以穿入预成型模具，以确保纤维材料和光纤的相应位置，经过预成型模具经预成型模具将预浸好的纤维材料和光纤逐步过渡为型材的形状同时挤出多余的树脂，之后纤维材料与光纤以一定的位置进入加热成型模具固化，固化之后由牵引装置将固化型材从模具中拉出来，在合适的长度之后切割，做通用FC/APC接头。

在本实施例中，磁粉制动器由磁粉制动器控制器控制，通过调节磁粉制动器控制器的电流来控制磁粉制动器的扭矩，磁粉制动器与塑料光缆盘之间通过连接轴连接，连接轴用于把磁粉制动器所提供的扭矩传递到塑料光缆盘，在光纤光栅连续植入拉挤成型复合材料的过程中，光纤会带动塑料光缆盘的转动，而磁粉制动器这时候会给塑料光缆盘一定的扭矩，等于对光纤施加一定的拉力，光纤光栅有一定的拉伸量，并且这个拉伸量要比下部拉挤系统对复合材料的拉伸量大，这样才能确保最终成型切割的光纤光栅复合材料传感器在整体收缩之后光纤还有一定的拉伸量，这样做的优势是光纤光栅复合材料传感器直接就可以承受压应变，增大了光纤光栅复合材料传感器的应用范围和可靠性。

在本实施例中，利用下部拉挤系统和上部光纤光栅传感阵列植入系统的结合，在不影响拉挤成型复合材料生产（不需要浸胶与张力分配）的同时连续植入光纤光栅，并且在植入过程中对光纤光栅进行预拉伸，极大的增加了光纤光栅植入拉挤成型复合材料过程中系统的稳定性和生产速度，且提高了植入后光纤光栅复合材料传感器的一致性与稳定性。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统，包括下部拉挤系统，下部拉挤系统包括依次设置的纱架、纤维导向器、树脂浸渍装置、纤维张力分配器、预成型模具、加热成型模具、牵引装置和切割装置，其特征在于：本光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统还包括上部光纤光栅传感阵列置入系统，上部光纤光栅传感阵列置入系统包括用于缠绕已刻栅光纤的光缆盘和用于将光缆盘上的已刻栅光纤导出的光纤导轮系统；

所述的纱架、纤维导向器、树脂浸渍装置和纤维张力分配器仅用于纤维材料的处理，所述的光纤导轮系统用于将已刻栅光纤输出到纤维张力分配器与预成型模具之间；

所述的上部光纤光栅传感阵列置入系统还包括预拉伸装置，预拉伸装置与光缆盘的中心轴连接，为光缆盘提供扭矩。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统，其特征在于：所述的预拉伸装置包括磁粉制动器、磁粉制动器控制器和连接轴；磁粉制动器通过连接轴与光缆盘的中心轴连接，磁粉制动器的扭矩由磁粉制动器控制器控制。

3.利用权利要求1所述的光纤光栅传感阵列连续植入拉挤成型复合材料的系统实现的方法，其特征在于：它包括以下步骤：

纤维材料从纱架依次经过纤维导向器、树脂浸渍装置、纤维张力分配器，与从光纤导轮系统导出的已刻栅光纤一起，依次经过预成型模具和加热成型模具，形成挤压成型复合材料，由牵引装置牵出，在预设的合适位置由切割装置切割；

所述的光缆盘通过预拉伸装置控制扭矩。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的已刻栅光纤的数量、所刻光栅的间距，根据复合材料的要求确定。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：当已刻栅光纤的数量大于1时，每根已刻栅光纤对应一个光缆盘。

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的挤压成型复合材料的形状和尺寸由预成型模具和加热成型模具的尺寸确定。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的已刻栅光纤植入挤压成型复合材料的具体位置由所述的光纤导轮系统的位置确定。