CN107702659B - 碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种碳纤维预浸料封装的分布式温度‑应变传感器及制作方法，传感器包括至少一个感应单元；感应单元包括基底、碳纤维预浸料层、脱模布层、铁氟龙棒以及至少一个“Ω”形光纤；“Ω”形光纤的弯折部分形成温度测量区，直线段部分形成应变测量区；铁氟龙棒设置于所述温度测量区外，所述脱模布层包裹于所述铁氟龙棒和所述应变测量区外表面，所述碳纤维预浸料层包裹于所述脱模布层外表面；基底设置于所述碳纤维预浸料层外表面，测量时与被测物体接触；该传感器同时具备监测应变参数和温度的能力，并能明确区分应变段和温度段，且安装方便、制作灵活、长度可延伸，易于维护接续。

Description

碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器及制作方法。

背景技术

光纤为直径很小的玻璃或塑料细丝，弯折时易脆断，光纤在使用过程中产生啁啾和折断，给光纤的工程应用造成不便。

尽管光纤本身即是一种对的温度和应变同时敏感的传感器，温度和应变敏感，但是在实际工程应用中，需要对温度和应变两个量进行区分。

分布式光纤传感器采用布里渊和瑞利等光学解调原理，对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化的温度和应变变化信息进行测量。它将传感光纤沿场排布，可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息，适用于航空航天结构件、叶片等要求大范围监测的轻质结构。

碳纤维增强复合材料因其高强度、质量轻、成型方便等优点，是航空航天、大飞机和风能叶片的重要原材料。将功能材料埋入复合材料结构形成的智能结构越来越显出旺盛的生命力及重要性，它所具有的健康监测功能已使其在航空航天、舰船武器等军事领域和机械结构、土木工程等民用领域得到应用。而采用复合材料封装的光纤传感器，由于和复合材料结构件具有良好的相容性，且轻薄易于复合进结构件中。然而，对分布式光纤的使用多是在结构件制作时直接铺放裸光纤，因光纤的曲率半径、成活率等问题，既增加了工艺的复杂性，又加大了施工制作成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的分布式光纤传感器应变和测温难以区分、制作工艺复杂的问题，提出了一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器及其制作方法，能够有效区分应变和测温，制作工艺简单。

一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，包括至少一个感应单元；

所述感应单元包括基底、碳纤维预浸料层、脱模布层、铁氟龙棒以及至少一个“Ω”形光纤；

所述“Ω”形光纤的弯折部分形成温度测量区，直线段部分形成应变测量区；

所述铁氟龙棒设置于所述温度测量区外，所述脱模布层包裹于所述铁氟龙棒和所述应变测量区外表面，所述碳纤维预浸料层包裹于所述脱模布层外表面；

所述基底设置于所述碳纤维预浸料层外表面，测量时与被测物体接触。

进一步地，所述基底的材料与被测物体材料相同。

进一步地，所述应变测量区为片状结构。

进一步地，所述“Ω”形光纤的两个端脚用于与其他感应单元连接，或者与其他“Ω”形光纤连接，或者引出光纤接头与外部的光纤解调仪连接。

进一步地，所述感应单元包括两个“Ω”形光纤，所述两个“Ω”形光纤通过所述端脚连接。

进一步地，所述两个“Ω”形光纤位于同一平面，且所述两个“Ω”形光纤的端脚相对设置。

进一步地，所述两个“Ω”形光纤位于同一平面，且所述两个“Ω”形光纤的端脚相背设置。

进一步地，所述两个“Ω”形光纤位于同一平面，且其中一个“Ω”形光纤的端脚与另一个“Ω”形光纤的背部相对设置。

进一步地，所述脱模布层包括第一脱模布层和第二脱模布层，所述铁氟龙棒和所述应变测量区位于所述第一脱模布层和第二脱模布层之间；

所述碳纤维预浸料层包括第一碳纤维预浸料层和第二碳纤维预浸料层，分别设置于所述第一脱模布层和第二脱模布层外表面。

一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器的制作方法，包括：

在热压机的下模板上设置基底；

在所述基底上设置碳纤维预浸料层；

在所述碳纤维预浸料层上设置脱模布层；

在所述脱模布层上放置预先制备的“Ω”形光纤，所述“Ω”形光纤的温度测量区外预先设置有铁氟龙棒；

在所述“Ω”形光纤上依次设置脱模布层和碳纤维预浸料层；

在最外层碳纤维预浸料层上设置与上模板等大的铁氟龙板，并进行热压，完成一个感应单元的制作；

依次热压其他感应单元，并将各个感应单元连接。

本发明提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器及制作方法，至少包括如下有益效果：

(1)同时具备监测应变参数和温度的能力，并能明确区分应变段和温度段，且安装方便、制作灵活、长度可延伸，易于维护接续；

(2)基底的材料根据被测物体的材质进行匹配选择，可以解决被测物体与传感器之间的均匀紧密连接问题，有效提高传感器与被测物体的相容性，提高测量精度；

(3)感应单元的数量，可以根据被测物体的形状、大小进行设置，每个感应单元均具有同时测量温度和应变参数的能力，传感器允许的感应单元的最大数量可根据实际光路和接头的损耗计算，提高了传感器制作的灵活性；

(4)脱模布层和碳纤维预浸料层采用双层结构，方便制作。

附图说明

图1为本发明提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器一种实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器中“Ω”形光纤测量区的结构示意图。

图3为本发明提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器中“Ω”形光纤的结构示意图。

图4本发明提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器第二种实施例的结构示意图。

图5本发明提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器第三种实施例的结构示意图。

图6本发明提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器第四种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参考图1和图2，本实施例提供一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，包括至少一个感应单元100；

感应单元100包括基底101、碳纤维预浸料层102、脱模布层103、铁氟龙棒104以及至少一个“Ω”形光纤105；

“Ω”形光纤105的弯折部分形成温度测量区A，直线段部分形成应变测量区B；

铁氟龙棒104设置于温度测量区外，脱模布层103包裹于所述铁氟龙棒104和应变测量区外表面，碳纤维预浸料层102包裹于脱模布层103外表面；

基底101设置于碳纤维预浸料层102外表面，测量时与被测物体接触。

具体地，铁氟龙棒构造一个密闭空间，使处于其中的温度测量区不与碳纤维预浸料粘接，位于铁氟龙棒内的温度测量区的光纤可接续熔接，碳纤维预浸料是一种碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)；脱模布层用于阻隔碳纤维预浸料热压时流出的树脂，避免把包裹在其中的光纤和碳纤维预浸料固粘，确保光纤处于自由状态；本实施例提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，同时具备监测应变参数和温度的能力，并能明确区分应变段和温度段，且安装方便、制作灵活、长度可延伸，易于维护接续。

参考图3，自由光纤段AB的长度为L，L≥最小熔接长度，r为自由光纤段的曲率半径，r≥光纤最小曲率半径，O(I)_n为“Ω”形光纤的光源输入端，O(I)_n'为“Ω”形光纤的光源输出端。

感应单元的数量，可以根据被测物体的形状、大小进行设置，每个感应单元均具有同时测量温度和应变参数的能力，传感器允许的感应单元的最大数量可根据实际光路和接头的损耗计算，提高了传感器制作的灵活性。

多个感应单元，使得传感器具有多个温度测量区和应变测量区，在数据解读时，根据光纤布置的间距不同，大范围时其分辨率取决于分布式光纤解调仪的空间分辨率，小范围时，温度区的自由光纤将叠放，此时的温度值可取该区域内所有光纤温度值的平均值，采用多个Ω形分布式光纤路径设计，提高了测量精度，减小测量误差。

进一步地，基底101的材料与被测物体材料相同。

基底的材料根据被测物体的材质进行匹配选择，可以解决被测物体与传感器之间的均匀紧密连接问题，有效提高传感器与被测物体的相容性，提高测量精度。

测量时将传感器粘贴于被测物体表面或嵌入被测物体内部，并采用粘接的方式进行固定，并借助基底提高与被测物体的相容性，测量完毕利用去胶剂将其撕下，安装方便可重复使用。

进一步地，应变测量区B为片状结构。

应变测量区光纤通过热压压紧在两块碳纤维预浸料层之间，测量应变参数时可以进行温度补偿，把测量温度和测量应变进一步明确区分开。

进一步地，“Ω”形光纤的两个端脚用于与其他感应单元连接，或者与其他“Ω”形光纤连接，或者引出光纤接头与外部的光纤解调仪连接。

在一个感应单元中，如果有多个“Ω”形光纤，可以通过各自的端脚实现互联；如果有多个感应单元，则可以通过端脚与其他感应单元进行连接；此外，还可以引出光纤接头，与外部的光纤解调仪进行连接。

作为一种优选的实施方式，脱模布层包括第一脱模布层和第二脱模布层，铁氟龙棒和应变测量区位于第一脱模布层和第二脱模布层之间；

碳纤维预浸料层包括第一碳纤维预浸料层和第二碳纤维预浸料层，分别设置于第一脱模布层和第二脱模布层外表面。

脱模布层和碳纤维预浸料层采用双层结构，方便制作。

本实施例提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，至少包括如下有益效果：

(1)同时具备监测应变参数和温度的能力，并能明确区分应变段和温度段，且安装方便、制作灵活、长度可延伸，易于维护接续；

(2)基底的材料根据被测物体的材质进行匹配选择，可以解决被测物体与传感器之间的均匀紧密连接问题，有效提高传感器与被测物体的相容性，提高测量精度；

(3)感应单元的数量，可以根据被测物体的形状、大小进行设置，每个感应单元均具有同时测量温度和应变参数的能力，传感器允许的感应单元的最大数量可根据实际光路和接头的损耗计算，提高了传感器制作的灵活性；

(4)脱模布层和碳纤维预浸料层采用双层结构，方便制作。

实施例二

参考图4，本实施例提供一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，包括至少一个感应单元200；

感应单元200包括基底201、碳纤维预浸料层202、脱模布层203、铁氟龙棒204以及至少一个“Ω”形光纤205；

“Ω”形光纤205的弯折部分形成温度测量区，直线段部分形成应变测量区；

铁氟龙棒204设置于温度测量区外，脱模布层203包裹于所述铁氟龙棒204和应变测量区外表面，碳纤维预浸料层202包裹于脱模布层203外表面；

基底201设置于碳纤维预浸料层202外表面，测量时与被测物体接触。

进一步地，感应单元200包括两个“Ω”形光纤，两个“Ω”形光纤通过端脚连接。

两个“Ω”形光纤位于同一平面，且两个“Ω”形光纤的端脚相对设置。

实施例三

参考图5，本实施例提供一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，包括至少一个感应单元300；

感应单元300包括基底301、碳纤维预浸料层302、脱模布层303、铁氟龙棒304以及至少一个“Ω”形光纤305；

“Ω”形光纤305的弯折部分形成温度测量区，直线段部分形成应变测量区；

铁氟龙棒304设置于温度测量区外，脱模布层303包裹于所述铁氟龙棒304和应变测量区外表面，碳纤维预浸料层302包裹于脱模布层303外表面；

基底301设置于碳纤维预浸料层302外表面，测量时与被测物体接触。

进一步地，感应单元300包括两个“Ω”形光纤，两个“Ω”形光纤通过端脚连接。

两个“Ω”形光纤位于同一平面，且所述两个“Ω”形光纤的端脚相背设置。

实施例四

参考图6，本实施例提供一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，包括至少一个感应单元400；

感应单元400包括基底401、碳纤维预浸料层402、脱模布层403、铁氟龙棒404以及至少一个“Ω”形光纤405；

“Ω”形光纤405的弯折部分形成温度测量区，直线段部分形成应变测量区；

铁氟龙棒404设置于温度测量区外，脱模布层403包裹于所述铁氟龙棒404和应变测量区外表面，碳纤维预浸料层402包裹于脱模布层403外表面；

基底401设置于碳纤维预浸料层402外表面，测量时与被测物体接触。

进一步地，感应单元400包括两个“Ω”形光纤，两个“Ω”形光纤通过端脚连接。

两个“Ω”形光纤位于同一平面，且其中一个“Ω”形光纤的端脚与另一个“Ω”形光纤的背部相对设置。

其中Ω”形光纤的背部为与端脚相背的部分。

实施例五

本实施例提供一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器的制作方法，包括：

在热压机的下模板上设置基底；

在所述基底上设置碳纤维预浸料层；

在所述碳纤维预浸料层上设置脱模布层；

在所述脱模布层上放置预先制备的“Ω”形光纤，所述“Ω”形光纤的温度测量区外预先设置有铁氟龙棒；

在所述“Ω”形光纤上依次设置脱模布层和碳纤维预浸料层；

在最外层碳纤维预浸料层上设置与上模板等大的铁氟龙板，并进行热压，完成一个感应单元的制作；

依次热压其他感应单元，并将各个感应单元连接。

具体地，裁剪一定大小的碳纤维预浸料层、脱模布层和铁氟龙棒，根据被测物体的材料属性，选择相应的基底材料，并放置在最底层。

将热压机的上模板和下模板事先用酒精擦拭，以免有赃物存在，影响成品的平滑度。

将碳纤维预浸料层放置于基底上，并将脱模布层放置在碳纤维预浸料层上，利用夹持工具在所述脱模布层上放置预先制备的“Ω”形光纤，“Ω”形光纤的温度测量区外预先设置有铁氟龙棒；在所述“Ω”形光纤上依次另一层脱模布层和碳纤维预浸料层。

在最外层碳纤维预浸料层上设置与上模板等大的铁氟龙板，以使压制出来的碳纤维预浸料表面平滑，之后进行热压，完成一个感应单元的制作；

开始热压第二个单元时，先不热压测温段的光纤，直接热压应变段光纤，应变段光纤热压好之后，再把第二个单元开始测温段和第一个单元的尾部热压在一起，以使两个单元的结合处平滑。依次热压其他感应单元，并将各个感应单元连接。

热压好的片状光纤传感器在使用前需要测试是否通断，然后再进行标定，就可以工程应用了。如果片状光纤传感器在使用中断了，可以将测温处剥开，利用熔接机和好的部分熔接起来。

本实施例提供的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器的制作方法，方法简单，易于操作，便于维护。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，包括至少一个感应单元；

所述感应单元包括基底、碳纤维预浸料层、脱模布层、铁氟龙棒以及至少一个“Ω”形光纤；

所述“Ω”形光纤的弯折部分形成温度测量区，直线段部分形成应变测量区；

所述铁氟龙棒设置于所述温度测量区外，所述脱模布层包裹于所述铁氟龙棒和所述应变测量区外表面，所述碳纤维预浸料层包裹于所述脱模布层外表面；所述铁氟龙棒用构造一个密闭空间，使处于其中的温度测量区不与碳纤维预浸料粘接，位于铁氟龙棒内的温度测量区的光纤可接续熔接；所述脱模布层用于阻隔碳纤维预浸料热压时流出的树脂，避免把包裹在其中的光纤和碳纤维预浸料固粘；

所述基底设置于所述碳纤维预浸料层外表面，测量时与被测物体接触。

2.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述基底的材料与被测物体材料相同。

3.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述应变测量区为片状结构。

4.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述“Ω”形光纤的两个端脚用于与其他感应单元连接，或者与其他“Ω”形光纤连接，或者引出光纤接头与外部的光纤解调仪连接。

5.根据权利要求4所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述感应单元包括两个“Ω”形光纤，所述两个“Ω”形光纤通过所述端脚连接。

6.根据权利要求5所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述两个“Ω”形光纤位于同一平面，且所述两个“Ω”形光纤的端脚相对设置。

7.根据权利要求5所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述两个“Ω”形光纤位于同一平面，且所述两个“Ω”形光纤的端脚相背设置。

8.根据权利要求5所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述两个“Ω”形光纤位于同一平面，且其中一个“Ω”形光纤的端脚与另一个“Ω”形光纤的背部相对设置。

9.根据权利要求1所述的碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器，其特征在于，所述脱模布层包括第一脱模布层和第二脱模布层，所述铁氟龙棒和所述应变测量区位于所述第一脱模布层和第二脱模布层之间；

所述碳纤维预浸料层包括第一碳纤维预浸料层和第二碳纤维预浸料层，分别设置于所述第一脱模布层和第二脱模布层外表面。

10.一种碳纤维预浸料封装的分布式温度-应变传感器的制作方法，其特征在于，包括：

在热压机的下模板上设置基底；

在所述基底上设置碳纤维预浸料层；

在所述碳纤维预浸料层上设置脱模布层；

在所述脱模布层上放置预先制备的“Ω”形光纤，所述“Ω”形光纤的温度测量区外预先设置有铁氟龙棒；所述铁氟龙棒用构造一个密闭空间，使处于其中的温度测量区不与碳纤维预浸料粘接，位于铁氟龙棒内的温度测量区的光纤可接续熔接；所述脱模布层用于阻隔碳纤维预浸料热压时流出的树脂，避免把包裹在其中的光纤和碳纤维预浸料固粘；所述“Ω”形光纤的弯折部分形成温度测量区，直线段部分形成应变测量区；

在所述“Ω”形光纤上依次设置脱模布层和碳纤维预浸料层；

在最外层碳纤维预浸料层上设置与上模板等大的铁氟龙板，并进行热压，完成一个感应单元的制作；

依次热压其他感应单元，并将各个感应单元连接。