CN108332777B - 一种植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法及工装 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法及工装，该方法包括：根据复合材料内部待测点的几何位置以及测量角度要求确定工装与待测点的距离，通过沟槽来限制光纤传感器的铺设角度，给尾纤套上高弹性模量聚合物材料套管，沟槽内预先涂覆脱模剂，在光纤与复合材料接口处涂上低弹性模量胶黏剂。本发明公开的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，实现了对于复合材料结构内部测点的特定角度处光纤光栅传感器的铺设，能有效的对传感器进行定位，并有效保护复合材料的出入口部分裸露的光纤免受损伤。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法及工装。
背景技术
复合材料结构广泛应用于航空航天、军事、电力、石化等领域。使用复合材料能大幅度减轻结构重量，但相对于金属材料较容易受冲击损伤，在复合材料服役过程中及时检测并修复损伤，将避免巨大损失。光纤传感器具有稳定度高、重量轻、可对应力、应变、温度进行高精度测量的优点，在复合材料结构状态监测中具有重要和广泛的应用。
对于植入复合材料结构内部的监测，要求光纤光栅传感器的体积小，不影响复合材料结构本身的力学性能，同时在复合材料固化应力的作用下能够完整的传输光学信号。
现有的用于复合材料监测的光纤光栅传感器，一般是直接植入复合材料结构中，通过复合材料本身的热压固化，使得光纤光栅传感器封装于结构内部。但是这种类型的封装方式，光纤光栅在埋入复合材料内部及成型固化的过程中，因为树脂的作用而引起光纤的移位，改变的传感器的铺设角度，从而影响了测量的精度；同时，在光纤与复合材料的出入口部分，因为树脂的固化变硬，裸露的光纤也会受到一定的损伤，导致传感器的测量信号受到影响。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法及工装，解决了现有的传感器埋入复合材料内部及成型固化的过程中，因为光纤在材料内部受力变化而引起光纤的移位，改变的传感器的铺设角度，从而影响了测量的精度，同时实现对于复合材料结构内部测点不同角度下测量时的精准定位；并对光纤与复合材料出口处的裸光纤进行有效保护，提高了植入光纤的可靠性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据本发明的一个方面，提供了一种植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，所述方法包括以下步骤：
(1)铺设复合材料层至其厚度与第一工装最大厚度一致；
(2)根据复合材料层内部的待测点的几何位置以及测量角度θ确定第一个定位工装与待测点的距离为x1和第二个工装与待测点的距离为x2；
(3)将第一工装通过第一直线刻度尺安装至与待测点的距离为x1的水平位置处，使用第一定位孔固定住；将第二工装通过第二直线刻度尺安装至与待测点的距离为x2的水平位置处，使用第二定位孔固定住；
(4)对第一工装中测量角度θ对应的第一沟槽内涂覆脱模剂，将光纤的一端尾纤放入该第一沟槽内；
(5)将第一沟槽内的尾纤套上第一高弹性模量聚合物材料套管，并在光纤与复合材料层接口处涂上低弹性模量胶黏剂；
(6)对第二工装中测量角度θ对应的第二沟槽内涂覆脱模剂，将光纤的另一端尾纤放入该第二沟槽内；
(7)将第二沟槽内的尾纤套上第二高弹性模量聚合物材料套管，并在光纤与复合材料层接口处涂上低弹性模量胶黏剂；
(8)铺设复合材料层至其厚度达到所需厚度；
(9)热压固化，固化工艺结束后拆除第一工装和第二工装。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，所述第一工装包括第一底板和第一沟槽板；其中，第一底板与第一沟槽板相连接，第一底板的一侧边与第一沟槽板的直边相重合；第一底板为长方形，第一沟槽板为半圆形状；第一底板的两端开设有第一定位孔，第一沟槽板开设有若干个沿半径方向的第一沟槽；第一沟槽板设置有沿其直边方向的第一直线刻度尺。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，所述第二工装包括第二底板和第二沟槽板；其中，第二底板与第二沟槽板相连接，第二底板的一侧边与第二沟槽板的直边相重合；第二底板为长方形，第二沟槽板为半圆形状；第二底板的两端开设有第二定位孔，第二沟槽板开设有若干个沿半径方向的第二沟槽；第二沟槽板设置有沿直边方向的第二直线刻度尺。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，所述第一沟槽的宽度为1mm-1.5mm，深度为1mm-1.5mm；第一底板的厚度为1.5mm-2mm；第一沟槽板的厚度为1.5mm-2mm；第一定位孔的尺寸为Φ10mm。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，所述第二沟槽的宽度为1mm-1.5mm，深度为1mm-1.5mm；第二底板的厚度为1.5mm-2mm；第二沟槽板的厚度为1.5mm-2mm；第二定位孔的尺寸为Φ10mm。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，在步骤(8)中，铺设复合材料层至其厚度达到3.5mm以上。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，所述第一高弹性模量聚合物材料涂覆层套管和所述第二高弹性模量聚合物材料涂覆层套管的材料均为聚酰亚胺。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，所述低弹性模量胶黏剂为有机硅凝胶或硅橡胶。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，相邻两个第一沟槽所构成的角度为5°-10°。
上述植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法中，相邻两个第二沟槽所构成的角度为5°-10°。
根据本发明的另一方面，还提供了一种用于植入复合材料的光纤光栅传感器的保护的工装，包括：底板和沟槽板；其中，底板与沟槽板相连接，底板的一侧边与沟槽板的直边相重合；底板为长方形，沟槽板为半圆形状；底板的两端开设有定位孔，沟槽板开设有若干个沿半径方向的沟槽；沟槽板设置有沿直边方向的直线刻度尺。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明设计了一种光纤植入复合材料内部时的工装结构，结构简单、体积小，适用于复合材料结构内不同测点的多种角度的植入式测量。
(2)本发明的工装结构采用标准的角度方向的定位沟槽和直线方向的测度尺来进行定位，工艺难度低，光纤光栅传感器的定位准确，对植入多个传感器重复性很好。
(3)本发明在光纤与复合材料的出入口部分使用了高弹性模量聚合物材料套管对尾纤进行有效保护，防止树脂的固化变硬对光纤造成的损伤，从而提高测量精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的复合板材植入光纤光栅传感器的示意图；
图2是本发明实施例提供的第一工装的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的第二工装的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的用于植入复合材料的光纤光栅传感器的保护的工装的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
本实施例公开可一种植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，结合图1所示，是通过以下具体步骤实现的：
1)铺设复合材料层5至其厚度与第一工装61最大厚度一致；
2)根据复合材料层5内部待测点8的几何位置以及测量角度θ确定第一工装61与待测点8的距离x1，第二工装62与待测点8的距离x2；
3)将第一工装61和第二工装62通过第一直线刻度尺31和第二直线刻度尺32安装至指定位置x1、x2处，使用第一定位孔11和第二定位孔12将其固定住；
4)在第一工装61中该测量角度对应的第一沟槽21内涂覆脱模剂，将光纤(7)的一端尾纤放入；
5)将第一沟槽21内的尾纤套上第一高弹性模量聚合物材料套管91，并在光纤7与复合材料层5接口位置101处涂上低弹性模量胶黏剂；
6)在第二工装62中该测量角度对应的第二沟槽22内涂覆脱模剂，将光纤7的另一端尾纤放入；
7)将第二沟槽22内的尾纤套上第二高弹性模量聚合物材料套管92，对光纤7施加一定预拉力，并在光纤7与复合材料层5接口位置102处涂上低弹性模量胶黏剂；
8)铺设剩余复合材料层5至其厚度达到结构要求；
9)将铺贴完成的复合材料层5完全固定，放入多层热压机设备中进行热压固化，并执行固化工艺,固化工艺结束后拆除第一工装61和第二工装62。
需要理解的是，在步骤8)中，将剩余复合材料层5铺设，从而将光纤7置于复合材料层5内。
如图2所示，第一工装61包括第一底板111和第一沟槽板121；其中，第一底板111与第一沟槽板121相连接，第一底板111的一侧边与第一沟槽板121的直边相重合；第一底板111为长方形，第一沟槽板121为半圆形状；第一底板111的两端开设有第一定位孔11，第一沟槽板121开设有若干个沿半径方向的第一沟槽21；第一沟槽板121设置有沿其直边方向的第一直线刻度尺31。第一沟槽21的宽度为1mm-1.5mm，深度为1mm-1.5mm；第一底板111的厚度为1.5mm-2mm；第一沟槽板121的厚度为1.5mm-2mm；第一定位孔11的尺寸为Φ10mm。相邻两个第一沟槽21所构成的角度为5°-10°。
如图3所示，第二工装62包括第二底板112和第二沟槽板122；其中，第二底板112与第二沟槽板122相连接，第二底板112的一侧边与第二沟槽板122的直边相重合；第二底板112为长方形，第二沟槽板122为半圆形状；第二底板112的两端开设有第二定位孔12，第二沟槽板122开设有若干个沿半径方向的第二沟槽22；第二沟槽板122设置有沿直边方向的第二直线刻度尺32。第二沟槽22的宽度为1mm-1.5mm，深度为1mm-1.5mm；第二底板112的厚度为1.5mm-2mm；第二沟槽板122的厚度为1.5mm-2mm；第二定位孔12的尺寸为Φ10mm。
第一工装61和第二工装62包括第一定位孔11和第二定位孔12，一定角度的用于封装的第一沟槽21和第二沟槽22，以及第一直线刻度尺31和第二直线刻度尺32，可以实现直线方向和角度方向的定位；
在植入光纤光栅传感器过程中对光纤7施加一定预拉力使传感器的铺设角度在复合材料层5固化过程中保持不变，保证了测量的精度；
对处于第一沟槽21和第二沟槽22内的光纤7的尾纤套上第一高弹性模量聚合物材料套管91和第二高弹性模量聚合物材料套管92，对复合材料层5的出入口部分裸露的尾纤进行有效保护；
在光纤7与复合材料层5接口处涂上低弹性模量胶黏剂和低弹性模量胶黏剂，将光纤7的尾纤进行固定，防止了光纤在复合材料热压固化成型过程中因材料内部受力变化而引起光纤7的移位，避免了移位时因摩擦作用对光纤光栅传感器造成的损伤。
第一直线刻度尺31和第二直线刻度尺32的最小单位均为mm，量程为±5cm，可以根据复合材料层5尺寸调整第一底板111与第二底板112长度尺寸，以及工装直线方向的量程；第一沟槽21和第二沟槽22的最小单位为10°，量程为±80°，并且包含常用的±45°测量角度，并可以根据复合材料层5测试要求调整工装沟槽21和22间隔。第一沟槽21和第二沟槽22宽度和深度尺寸均为1mm，所用板材厚度尺寸为1.5mm，可以满足小于1mm直径的第一高弹性模量聚合物材料涂覆层套管91和第二高弹性模量聚合物材料涂覆层套管92埋入使用要求，可以根据植入光纤直径调整第一沟槽板121和第二沟槽板122厚度尺寸，以及第一沟槽21和第二沟槽22宽度和深度尺寸。第一定位孔11和第二定位孔12的尺寸为Φ10mm，板材厚度尺寸为1.5mm，可以根据复合材料层5结构厚度调整第一底板111和第二底板112厚度尺寸。
第一高弹性模量聚合物材料涂覆层套管91和第二高弹性模量聚合物材料涂覆层套管92的材料为聚酰亚胺，弹性模量大于1GPa，外径为0.13mm～1mm；第一高弹性模量聚合物材料涂覆层套管91和第二高弹性模量聚合物材料涂覆层套管92包覆在光纤7的尾纤表面，对尾纤提供高强度的保护，防止复合材料固化工艺过程中树脂变硬对裸露的光纤的损伤。
低弹性模量胶黏剂的材料为有机硅凝胶或硅橡胶，在封装过程中通过给光纤7施加一定预拉力再进行固化能有效防止固化工艺过程中光纤7的移位，保证传感器的铺设角度，从而提高测量的精度。
图4是本发明实施例提供的用于植入复合材料的光纤光栅传感器的保护的工装的结构示意图。如图4所示，本实施例还提供了一种用于植入复合材料的光纤光栅传感器的保护的工装，该工装包括：底板110和沟槽板120；其中，底板110与沟槽板120相连接，底板110的一侧边与沟槽板120的直边相重合；底板110为长方形，沟槽板120为半圆形状；底板110的两端开设有定位孔10，沟槽板120开设有若干个沿半径方向的沟槽20；沟槽板120设置有沿直边方向的直线刻度尺30。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)铺设复合材料层(5)至其厚度与第一工装(61)最大厚度一致；
(2)根据复合材料层(5)内部的待测点(8)的几何位置以及测量角度θ确定第一个定位工装(61)与待测点(8)的距离为x1和第二个工装(62)与待测点(8)的距离为x2；
(3)将第一工装(61)通过第一直线刻度尺(31)安装至与待测点(8)的距离为x1的水平位置处，使用第一定位孔(11)固定住；将第二工装(62)通过第二直线刻度尺(32)安装至与待测点(8)的距离为x2的水平位置处，使用第二定位孔(12)固定住；
(4)对第一工装(61)中测量角度θ对应的第一沟槽(21)内涂覆脱模剂，将光纤(7)的一端尾纤放入该第一沟槽(21)内；
(5)将第一沟槽(21)内的尾纤套上第一高弹性模量聚合物材料套管(91)，并在光纤(7)与复合材料层(5)接口处涂上低弹性模量胶黏剂；
(6)对第二工装(62)中测量角度θ对应的第二沟槽(22)内涂覆脱模剂，将光纤(7)的另一端尾纤放入该第二沟槽(22)内；
(7)将第二沟槽(22)内的尾纤套上第二高弹性模量聚合物材料套管(92)，并在光纤(7)与复合材料层(5)接口处涂上低弹性模量胶黏剂；
(8)铺设复合材料层(5)至其厚度达到所需厚度；
(9)热压固化，固化工艺结束后拆除第一工装(61)和第二工装(62)。
2.根据权利要求1所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：所述第一工装(61)包括第一底板(111)和第一沟槽板(121)；其中，
第一底板(111)与第一沟槽板(121)相连接，第一底板(111)的一侧边与第一沟槽板(121)的直边相重合；
第一底板(111)为长方形，第一沟槽板(121)为半圆形状；
第一底板(111)的两端开设有第一定位孔(11)，第一沟槽板(121)开设有若干个沿半径方向的第一沟槽(21)；
第一沟槽板(121)设置有沿其直边方向的第一直线刻度尺(31)。
3.根据权利要求1所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：所述第二工装(62)包括第二底板(112)和第二沟槽板(122)；其中，
第二底板(112)与第二沟槽板(122)相连接，第二底板(112)的一侧边与第二沟槽板(122)的直边相重合；
第二底板(112)为长方形，第二沟槽板(122)为半圆形状；
第二底板(112)的两端开设有第二定位孔(12)，第二沟槽板(122)开设有若干个沿半径方向的第二沟槽(22)；
第二沟槽板(122)设置有沿直边方向的第二直线刻度尺(32)。
4.根据权利要求2所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：所述第一沟槽(21)的宽度为1mm-1.5mm，深度为1mm-1.5mm；第一底板(111)的厚度为1.5mm-2mm；第一沟槽板(121)的厚度为1.5mm-2mm；第一定位孔(11)的尺寸为Φ10mm。
5.根据权利要求2所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：所述第二沟槽(22)的宽度为1mm-1.5mm，深度为1mm-1.5mm；第二底板(112)的厚度为1.5mm-2mm；第二沟槽板(122)的厚度为1.5mm-2mm；第二定位孔(12)的尺寸为Φ10mm。
6.根据权利要求1所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：在步骤(8)中，铺设复合材料层(5)至其厚度达到3.5mm以上。
7.根据权利要求1所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：所述第一高弹性模量聚合物材料涂覆层套管(91)和所述第二高弹性模量聚合物材料涂覆层套管(92)的材料均为聚酰亚胺。
8.根据权利要求1所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：所述低弹性模量胶黏剂为有机硅凝胶或硅橡胶。
9.根据权利要求2所述的植入复合材料的光纤光栅传感器的保护方法，其特征在于：相邻两个第一沟槽(21)所构成的角度为5°-10°。
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- 2018-01-31 CN CN201810093936.1A patent/CN108332777B/zh active Active
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