CN109029281A - 一种在碳纤维增强复合材料上粘贴fbg传感器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法，它采用粘结剂在碳纤维增强复合材料的表面粘贴FBG传感器，并且FBG传感器的至少一部分包裹于粘结剂中，粘结剂为环氧树脂粘结剂，粘结剂形成的粘结剂层在FBG传感器长度方向上的最长长度L≥12mm，粘结剂形成的粘结剂层在FBG传感器高度方向上的最大高度≤0.4mm。本发明能够减小表贴安装过程影响、尽量保证FBG传感器监测到的和CFRP材料实际应变一致，提高FBG传感器灵敏度。

Description

一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法
技术领域
本发明涉及一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法。
背景技术
目前，将光纤光栅与碳纤维增强复合材料（以下简称CFRP）通过某种加工工艺形成新的材料对实现同步监测是大势所趋，为实现这一目标，必须考虑FBG传感器与被测物的连接手段问题，只有与被测物发生同步形变，才能及时的反馈信号实现实时监测，
FBG传感器在CFRP上的主要安装方式有以下两种：
第一种是粘贴式安装方式：表面粘接就是采用合适的胶黏剂将FBG传感器贴附在CFRP上，当CFRP由于外界施加载荷而产生形变时，会通过FBG传感器向外界传输信号以感应变化。在传输信号的过程中，不同种类，不同模量的胶黏剂以及粘结剂长度、厚度，都会对传出的结果造成影响，进而影响到监测数据的质量。
第二种是埋入式安装方式：埋入式是用其他材料先将FBG传感器包裹起来再埋入到被测的CFRP中，相较于粘贴式测量表面应变，而埋入式主要是测量物体结构内部的应变。由于FBG传感器在被埋入到被测材料前要进行封装或者保留涂覆层进行防护，从而使得FBG传感器和基体之间形成了一个彼此模量相差较大的微小胶接间隙，同时在CFRP的固化成型过程中也会对FBG传感器产生不可消去的残留固化应力影响，最终导致健康监测结果与实际情况存在差异。
表面粘贴方式中常用的粘结剂种类有三种：
第一种是环氧树脂粘结剂，环氧树脂胶的粘结强度比较高，需要较长时间进行固化，固化后收缩率小，但当改变其组分比例时，其物理参数也会发生相应的变化。
第二种是AB胶粘结剂，AB胶粘结剂的机械性能较好，具有较高的强度和硬度，室温下即可固化，但由于其较大的黏性导致其不易涂匀，并且长时间使用会出现老化现象。
第三种是502胶粘结剂，502胶粘结剂作为瞬间胶粘剂能短时间内将FBG传感器与被测物粘好，并且胶层很薄，能很好地传递应变信号，减少干扰，但由于FBG传感器与被测物体的粘接面积较小，容易脱离。
但在使用过程中，几乎很少有使用者会去深入探究以上三种常规胶黏剂在表面粘结FBG传感器时产生的影响，同时粘结的长度和厚度等参数也常常被忽视，导致FBG传感器的灵敏度发生改变，甚至影响着对CFRP健康状态的判断。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法，它能够减小表贴安装过程影响、尽量保证FBG传感器监测到的和CFRP材料实际应变一致，提高FBG传感器灵敏度。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法，其特征在于，采用粘结剂在碳纤维增强复合材料的表面粘贴FBG传感器，并且FBG传感器的至少一部分包裹于粘结剂中，粘结剂为环氧树脂粘结剂，粘结剂形成的粘结剂层在FBG传感器长度方向上的最长长度L≥12mm，粘结剂形成的粘结剂层在FBG传感器高度方向上的最大高度≤0.4mm。
进一步，所述粘结剂层的横截面为四边形或三角形结构。
采用了上述技术方案后，本发明对粘结剂层的种类、长度和高度的限定，能够减小表贴安装过程影响、尽量保证FBG传感器监测到的和CFRP材料实际应变一致，提高FBG传感器监测精度。
附图说明
图1为本发明的在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的状态图一；
图2为图1的左视图；
图3为本发明的在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的状态图二；
图4为图3的左视图；
图5为本发明的在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的状态图三；
图6为图5的左视图；
图7为拉伸测试过程中FBG传感器波长与引伸计测得的应变关系图；
图8为环氧粘结试样的FBG应变测试值与应变值的关系图；
图9为AB胶粘结试样的FBG应变测试值与应变值的关系图；
图10为502胶粘结试样的FBG应变测试值与应变值的关系图。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
引伸计被公认为是测量CFRP应变的最权威设备，但因检测条件约束无法实现在线监测，同时由于不同厂家生产的FBG传感器与引伸计的换算关系有差异，因此需要先将FBG传感器中的中心波长信号变化量与引伸计在拉伸测试中测得的实际CFRP应变量进行标定，其结果如图7所示：
当采用环氧树脂粘结剂粘结FBG传感器时，所得到的FBG传感器监测的应变值（由其中心波长的变化值经图7中的标定方程换算得到）与CFRP的实际应变值（由引伸计直接测定）之间的关系如图8所示，图中的拟合方程系数越接近1，表示FBG传感器监测的应变值越接近真实值，其粘结剂对它的影响也就越小。
当采用AB胶粘结剂粘结FBG传感器时，所得到的FBG传感器监测的应变值（由其中心波长的变化值经图7中的标定方程换算得到）与CFRP的实际应变值（由引伸计直接测定）之间的关系如图9所示。
当采用502胶粘结剂粘结FBG传感器时，所得到的FBG传感器监测的应变值（由其中心波长的变化值经图7中的标定方程换算得到）与CFRP的实际应变值（由引伸计直接测定）之间的关系如图10所示。
由图7~10所示，采用同种粘结参数的环氧树脂粘结时，FBG传感器的灵敏度较高，故，本发明采用粘结剂为环氧树脂粘结剂。
实施例一
一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法，它采用粘结剂在碳纤维增强复合材料1的表面粘贴FBG传感器2，并且FBG传感器2的至少一部分包裹于粘结剂中，粘结剂为环氧树脂粘结剂，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为12mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为0.4mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.986。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为12mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为0..2mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.992。
比较例一
本比较例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为8mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为1mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.637。
比较例二
本比较例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为10mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为1mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.813。
比较例三
本比较例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为12mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为1mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.912。
比较例四
本比较例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为14mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为1mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.956。
比较例五
本比较例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为16mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为1mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.974。
比较例六
本比较例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为12mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为0.8mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.930。
比较例七
本比较例与实施例一基本相同，不同的是：粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2长度方向上的最长长度L为12mm，粘结剂形成的粘结剂层3在FBG传感器2高度方向上的最大高度为0.6mm，得到的FBG传感器灵敏度为0.951。
以上实施例和比较例发现，实施例一和实施例二，其FBG传感器灵敏度，通过粘结剂种类、长度和高度的限定减小了表贴安装过程影响、保证了FBG传感器监测到的和CFRP材料实际应变一致。
本实施例和比较例中，如图1、2所示，所述粘结剂层的横截面可以为四边形，如图3、4所示，所述粘结剂层的横截面可以为三角形结构，当然，如图5、6所示，所述粘结剂层的横截面还可以为异形结构。
本发明的工作原理如下：
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法，其特征在于，它采用粘结剂在碳纤维增强复合材料（1）的表面粘贴FBG传感器（2），并且FBG传感器（2）的至少一部分包裹于粘结剂中，粘结剂为环氧树脂粘结剂，粘结剂形成的粘结剂层（3）在FBG传感器（2）长度方向上的最长长度L≥12mm，粘结剂形成的粘结剂层（3）在FBG传感器（2）高度方向上的最大高度≤0.4mm。
2.根据权利要求1所述的一种在碳纤维增强复合材料上粘贴FBG传感器的方法，其特征在于：所述粘结剂层（3）的横截面为四边形或三角形结构。
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