CN109060172A - 基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法，利用光纤光栅作为传感器，监测雷击时纤维复合材料三明治结构的应力应变和温度的变化，同时在制备过程中使用预固化‑二次固化的成型工艺，使得传感器测量数据更加精准，可以显著降低成型和使用过程中的外界物理因素的影响。将得到的光信号经耦合器耦合输入解调仪，转换为电信号，再输入处理器中，得到纤维复合材料三明治结构的剩余强度等重要相关参数，并以图像、曲线形式输出，最终达到对于雷击造成复合材料的内部损伤进行在线监测，有效解决雷击损伤难以监测、雷击产生的巨大磁场对监测的干扰、雷击强大电流对传感器的破坏等问题。

Description

基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法

技术领域

本发明涉及基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法。

背景技术

纤维复合材料三明治结构具有质量轻、耐腐蚀、成本低、抗疲劳性能优异等诸多优点，是航天、船舶、车辆等的理想结构材料，已经应用于航空航天飞行器的非承力结构件上，尤其在飞机结构件中，发挥着极其重要的作用。使得飞机自身重量大大降低，减小了运输成本。

经过统计，每架飞机平均飞行3000小时就会遭受1次雷击。在受地理位置、地形等因素影响下的雷雨多发地，遭受雷击概率会大大升高。虽然纤维复合材料三明治结构在某些领域代替金属材料，但是纤维复合材料三明治结构导电导热性不如金属，遭受雷击后更容易损坏，而且内部损伤往往比外部更加严重，肉眼难以辨别。飞机在人类日常生活中的运物载人能力显而易见，但如果遭受雷击后并造成严重损伤后没有得到及时修复，容易造成不可挽回的严重后果。然而飞机在空中飞行，无法完全避雷，如何在线监测飞机复合材料构件遭受雷击的过程以及雷击后的损伤程度，以决定是否立即返航维修，这对飞机安全性和运营成本来说意义重大，备受航空部门关注。在线监测复合材料雷击损伤位置、损伤面积、损伤深度，以及评估复合材料构件遭受雷击后的剩余强度，对飞机飞行安全具有极其重要的实用价值。

雷电是一种瞬间(几百微秒)发生的强电磁现象，电流巨大(可高达200kA)，难以做到在线监测。传统用于复合材料雷击损伤检测传感器在使用时主要有以下缺陷：

(1)传统传感器采用微电流作为信号，雷击发生时会产生巨大的电磁场，干扰信号传输，无法得出及时有效的监测数据，而且在雷电强电流的影响下容易造成传感器失效；

(2)传统传感器体积仍然较大，自身贴于飞机表面或者植入内部，如果贴于飞机表面则难以检测材料内部损伤，无法对材料内部进行实质性的监测，预埋于飞机结构内部会对复合材料强度产生影响，容易造成应力集中；

(3)即使现有的光纤光栅传感器，在制作过程中几乎在内植过程中不可避免的都会受到残余气体、内应力等其他因素的影响，使得测试曲线与实际拟合度相差较大。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法，利用光纤光栅作为传感器，监测雷击时纤维复合材料三明治结构的应力应变和温度的变化，同时在制备过程中使用预固化-二次固化的成型工艺，使得传感器测量数据更加精准，可以显著降低成型和使用过程中的外界物理因素的影响。将得到的光信号经耦合器耦合输入解调仪转化为电信号，再输入信号处理器中，得到纤维复合材料三明治结构的剩余强度等重要相关参数，并以图像、曲线形式输出，最终达到对于雷击造成复合材料的内部损伤进行在线监测，有效解决雷击损伤难以监测、雷击产生的巨大磁场对监测的干扰、雷击强大电流对传感器的破坏等问题。同时改进了纤维复合材料三明治结构的制备工艺，降低系统误差，进而大大提高了监测的精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

作为发明的第一方面，提供了基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置；其具有可在线监测和监测精度高的优点。

基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置，包括：

预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的回字形模框围成的模腔，在所述模腔内逐层铺设预先裁切好的碳纤维预浸料，按照预先设计好的铺层顺序进行铺设；选择两层相邻预浸料，在光纤光栅所处位置的上下两层预浸料中分别开设位置一致且尺寸一致的凹槽，将光纤光栅温度传感器或光纤光栅应变传感器用长条状碳纤维预浸料封装保护后，嵌入两层预浸料的所述凹槽内；在封装时使长条状碳纤维预浸料的纤维方向与光纤光栅轴线方向一致；信号处理器对光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器采集的数据进行实时监测与处理；将预先涂好脱模剂的上模板盖在预先涂好脱模剂的下模板上，闭合模具，将模具送入热模压机的加热板之间进行加热加压，实现预固化，信号处理器记录检测到的初始光谱图；预固化结束后立即卸压，在不开模的情况下自然冷却至室温，信号处理器记录预固化过程中温度和应变的变化过程；冷却到室温后，脱离上模板、下模板和模框，得到第一面板；采用同样的步骤，得到第二面板；

将蜂窝芯层置于第一面板和第二面板之间，将第一面板、蜂窝芯层和第二面板定位对齐，得到待二次固化的三明治构件，将待二次固化的三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化；信号处理器对温度和应变全过程进行实时监测；二次固化结束后暂不卸压；在不开模的情况下自然冷却至室温，然后对固化成型后的三明治构件进行脱模，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件；把得到的内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件安装到人工雷击损伤测试装置上，进行雷击损伤监测。

进一步的，将光纤光栅温度传感器或光纤光栅应变传感器用长条状碳纤维预浸料封装保护，是指：两层长条状碳纤维预浸料重叠铺好，将传感器置于两层长条状碳纤维预浸料中间，使长条状碳纤维预浸料的纤维走向与光纤光栅轴线方向一致。

进一步的，回字形模框的四个边，每个边的中心位置均设有引线凹槽；回字形模框的四个角，每个角也设有引线凹槽；所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的引线从相应的回字形模框的引线凹槽中引出，与光纤耦合器连接，光纤耦合器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与信号处理器连接。

进一步的，将模具送入热模压机的加热板之间进行加热加压，实现预固化，是指：

将模具送入热模压机的加热板之间，升温至凝胶点以下的T1℃，保温N1min，此阶段的压力大小为P1。

进一步的，将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化，是指：

将模具送入热模压机的下层加热板和中间加热板之间，两个加热板同时加热，先升温至T1℃，保温N1min，再升温至T2℃，保温N2min，此阶段压力大小为P2。

进一步的，按照预先设计好的铺层顺序进行铺设，在选择光纤光栅传感器位置时，要找到上下两层具有相同的纤维方向且纤维方向与光纤光栅传感器同向的碳纤维预浸料。

进一步的，在二次固化开始前，计算蜂窝芯体的压缩强度，确保施加在蜂窝芯体上的压力在蜂窝芯体的承受范围之内，确保蜂窝芯体在成型过程中不受损坏。

进一步的，所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器起滤波作用，将相应的波长的激光进行反射，光纤耦合器将耦合后的信号输入解调仪，完成信号解调，光纤光栅解调仪内置激光器，发射连续调频激光，通过光纤光栅，形成稳定的反射信号；光纤光栅解调仪连接信号处理器，处理所接收到的信号，并进行三维建模，输出显示雷击损伤位置、损伤面积、损伤深度。

进一步的，所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器成对平行铺设。

进一步的，光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的植入位置：根据待监测的纤维复合材料三明治结构的尺寸和监测点的数量，选择点布设或者阵列布设。将光纤光栅传感器置于上下面板的铺层中，为确保监测的灵敏度又防止光纤光栅被损坏，一般将光纤光栅置于上下面板的预定位置，且避免置于中心或者过于边缘的位置。

进一步的，回字形模框表面用耐高温高分子薄膜均匀缠绕包裹。

进一步的，按照模框尺寸预先裁切碳纤维预浸料。

进一步的，在二次固化加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温，为使固化后层合板内的残余应力缓慢释放，防止层合板过度变形。

综上，基于上述监测原理，其中起到至关重要作用的是光纤光栅传感器，而光纤光栅传感器在所需监测的纤维复合材料三明治结构中的植入工艺会直接影响最终的监测数据的精度和稳定性。

作为本发明的第二方面，提供了基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测方法。

基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测方法，包括：

步骤(1)：选择与铺层总厚度相适应的模框，根据预设光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器铺设位置在模框的四条侧壁框板上确定引线凹槽的位置，并加工引线凹槽，然后将整个模框表面均匀缠绕若干层耐高温的高分子薄膜，引线凹槽的表面也用高分子薄膜完全覆盖；

步骤(2)：剪裁出设定尺寸和数量的预浸料，在预先涂好脱模剂的下模板上放置预先覆膜的模框并固定，并在预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的回字形模框围成的模腔中，按照预先设计的铺层顺序铺设预浸料；选择两层相邻预浸料，在光纤光栅所处位置的上下两层预浸料中分别开设位置一致且尺寸一致的凹槽，将光纤光栅温度传感器或光纤光栅应变传感器用长条状碳纤维预浸料封装保护后，嵌入两层预浸料的所述凹槽内；在封装时保证长条状碳纤维预浸料的纤维方向与光纤光栅轴线方向一致；光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的引线从引线凹槽引出；

步骤(3)：将预先涂好脱模剂的上模板盖在预先涂好脱模剂的下模板上，闭合模具，将模具送入热模压机，引线与光纤耦合器连接，光纤耦合器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与信号处理器连接；信号处理器对光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器采集的数据进行处理与实时监测；

热模压机进行预固化，信号处理器记录监测到的初始光谱图和预固化过程中光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器采集的温度和应变的变化历程；预固化结束后立即卸压，在不开模的情况下自然冷却至室温，信号处理器记录预固化过程中的温度和应变的变化过程；冷却至室温后，断开引线与解调仪的连接，脱离上模板、下模板和模框，得到第一面板；采用同样的制备工艺，得到第二面板；第二面板的预浸料铺层与传感器埋入位置与第一面板对称；

步骤(4)：将蜂窝芯层置于第一面板和第二面板之间，将第一面板、蜂窝芯层和第二面板定位对齐，得到待二次固化的三明治构件，将待二次固化的三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化；信号处理器对温度和应变全过程进行实时监测；二次固化结束后暂不卸压；在不开模的情况下自然冷却至室温，然后对固化成型后的三明治构件进行脱模，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件；把得到的内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件安装到人工雷击损伤测试装置上，进行雷击损伤监测。

所述步骤(4)中，将待二次固化的三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机的下加热板和中间加热板中间，将两块金属板放置在中间加热板上，将光纤引线连接到解调仪，设定温度工艺为：先升温至第一设定温度值，保温第一设定时间段，再升温至第二设定温度值与压力值，再保温第二设定时间段；加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温，完成复合材料蜂窝三明治板的固化，并实时监测固化过程中的温度和应变变化；打开热模压机，断开光纤引线与解调仪的连接，将模具脱除，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件。

所述预浸料，采用碳纤维/环氧树脂预浸料；

所述耐高温的高分子薄膜，是聚偏氟乙烯、玻璃纸等一种材质的高分子薄膜，也可以是多种材质的高分子薄膜的组合。

所述耐高温的高分子薄膜厚度为0.1～0.3mm。

所述步骤(2)中，剪裁出设定尺寸和数量的预浸料，是指按平行于纤维方向、垂直于纤维方向、与纤维轴线成45°方向裁切出若干个纤维预浸料；

所述步骤(1)中引线凹槽，设置在模框的每条侧壁框板的二分之一处、四分之一处或四个角处；

单层预浸料厚度为0.1～0.4mm。

光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的光纤上分布数个光栅栅区，光纤光栅温度传感器用纤细的不锈钢毛细管(例如，外径0.7mm、壁厚0.2mm)封装。

所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的铺设方式为：光纤光栅轴线方向保持与该光栅栅区附近的碳纤维轴线方向一致，否则容易造成光栅栅区折断失效。光纤光栅应变传感器需与光纤光栅温度传感器成对平行铺设，并间隔5-10mm，只监测温度的传感器可单独铺设，但各个传感器不能相接触。传感器的引线从相应引线凹槽引出后用耐高温胶带将其固定在凹槽上，防止光纤弯折影响信号强度，造成信号不易探测，也可使内部光栅栅区保持固定，与纤维方向始终保持一致。

所述步骤(3)的预固化温度为70-90℃，预固化的原则是保证面板有刚度，使后续脱模时不会弯折，同时不影响在二次固化时复合材料与芯层的粘接。预固化度控制在15-35％之间，若固化度太小，会导致面板刚度过低；若固化度太大，则会造成两个面板与芯层粘结困难。

所述步骤(4)的成型压力为0.05-0.25MPa，为了确保蜂窝夹芯板制备过程中内植光纤光栅的存活率及所测数据的准确性，建议采取的冷却方式为不开模自然冷却至室温。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供了一种复合材料雷击损伤在线监测装置，解决了传统的雷击过程短暂难以捕捉、雷击损毁传感器、瞬变电磁场干扰检测系统、雷击电涌损毁检测器等在线监测的难题。

2.本发明采用光纤光栅传感器，其体积小，可以很好地内植入纤维复合材料三明治结构中，不会导致应力集中，对复合材料构件强度和刚度几乎不产生影响，同时可以检测肉眼不可见的复合材料的内部损伤，使得使用者可以更加全面地了解被监测三明治结构的损伤程度，采取及时有效的措施进行修复。

3.本发明采用预固化-二次固化的制备方法，可以使得层合板中的残存的空气基本排除干净，使得光纤光栅传感器在监测时受到上下面板中残余空气、内应力等其他因素的影响小，极大地提高了监测的稳定性和精准度。

4.当没有设置凹槽，也没有对光纤光栅进行长条预浸料同向封装保护时，由于在压制时，传感器相可视为异物，会受到局部应力，容易在与刚硬的碳纤维的交叉之处被剪切破坏；单独为其设置凹槽是为传感器挖设生存空间，单独在传感器上下覆盖同向纤维预浸料，最大可能将两者视为一体，可以使得传感器受到额外压应力降到最低，充分保证了传感器的存活率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的流程图；

图2(a)为上面板中光纤光栅铺设示意图；

图2(b)为下面板中光纤光栅铺设示意图；

图3为二次固化工艺图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

一种基于内植光纤光栅的纤维复合材料三明治结构雷击损伤在线监测及其制备方法，该装置的主要组成部分为：温度光纤光栅、应变光纤光栅、光纤耦合器、光纤光栅解调仪和信号处理器。其中光纤光栅作为传感器，利用光纤光栅的滤波作用，接收遭受雷击时纤维复合材料三明治结构的应变和温度变化而产生的光信号，光信号通过耦合器耦合后输入解调仪变为电信号，通过信号处理器处理得到的电信号判断雷击损伤位置、损伤面积、损伤深度等数据，实现对于雷击造成复合材料的内部损伤进行实时监测。

为实现上述目的并提高最终的监测数据的精度和稳定性，采用的光纤光栅传感器的植入工艺如下：

1.预浸料的铺层：将低温储存的碳纤维/环氧树脂预浸料取出，按照预先设计的方式进行铺设。

2.植入光纤光栅前，应考虑实际情况，如果监测的纤维复合材料三明治结构的尺寸较小或者被监测点较少，优先考虑单点密集布设，如果监测的纤维复合材料三明治结构的尺寸较大或者监测点较多，优先考虑阵列布设。

3.将光纤光栅传感器置于碳纤维/环氧树脂预浸料铺层中，按照步骤2中所选定的位置放置。同时采用长条状碳纤维预浸料封装保护光纤光栅，其纤维方向与光纤光栅轴线方向一致，并于光纤光栅所在位置的上下两层预浸料中开设与所述长条状预浸料同样大小的凹槽。

4.利用热模压机进行纤维复合材料三明治结构上下面板的制作，设定热模压机的加热温度T1℃和加热压力P1，内植光纤光栅的预浸料铺层加热加压N1min。

5.N1min后立刻关闭热模压机，使预固化的层合板在闭模状态下自然冷却至室温。

6.光纤光栅传感器在线记录预固化过程中层合板温度和应变的变化历程。

7.计算蜂窝芯体的压缩强度，并以此为主要标准设定所施加的压力。

8.将蜂窝芯体置于预固化的上下面板之间，放入热模压机的加热板之间，先设定热模压机的加热温度T1℃和压力P2，此状态仍保持N1min。N1min后将加热温度升高至T2℃，此状态保持N2min。加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温，完成复合材料蜂窝三明治板的固化。

9.用光纤光栅传感器在线记录二次固化过程中层合板温度和应变的变化历程。

步骤3中，为保证监测的灵敏度又防止光纤光栅被损坏，一般将光纤光栅置于上面板的中间层位置，且避免置于中心或者过于边缘的位置。

步骤4中，在回字形模框四条边的每边中心位置处加工引线沟槽，同时在模框的每个顶角位置处加工同样大小的引线沟槽，便于光纤光栅传感器传输光缆的引出。

步骤7中，为了保证蜂窝芯体在成型过程中不受损坏，应保证施加在蜂窝芯体上的压力在蜂窝芯体的承受范围之内。

步骤8中，为了使固化后层合板内的残余应力缓慢释放，防止层合板过度变形，在二次固化加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温。

实施例一

一种300mm×300mm，铺层顺序为[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]s纤维复合材料三明治构件(如图1)雷击损伤在线监测装置及其制备方法。在本实施例中选用光纤Bragg光栅。

[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]s表示：先铺-45°两层预浸料，再0°两层预浸料，再45°两层，90°两层，0°一层，90°一层，0°一层。此为一个面板的一半，小计11层，小写字母s的含义为镜面对称，按照刚才的铺层顺序逆序再铺一遍，合计22层。

所用器材包括：碳纤维/环氧树脂预浸料，芳纶蜂窝，光纤Bragg光栅，热模压机，光纤光栅解调仪。

1.光纤光栅传感器植入位置

(1)上面板中各传感器所处位置与坐标分别为：S1-90-1/2与S2-90-1/4分别植入15、16层预浸料之间90°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(0，-15)，(0，75)。S3-0-1/2与S4-0-1/4分别植入11、12层预浸料之间0°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(-15，0)，(75，0)(如图2(a)和图2(b)所示)。

为实时监测复合材料的固化和开模过程，将一个温补光栅T1-0-1/2植入11、12层预浸料之间，位置与0°方向中线的1/2处应变光栅平行，且距其5mm，坐标为(-15，5)。

(2)下面板中各传感器所处位置与坐标分别为：S5-0-1/2与S6-0-1/4分别植入11、12层预浸料之间0°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(-15，0)，(75，0)。S7-90-1/2与S8-90-1/4分别植入15、16层预浸料之间90°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(0，-15)，(0，75)(如图2(a)和图2(b)所示)。

温补光栅T2-0-1/2植入11、12层预浸料之间，位置与0°方向中线的1/2处应变光栅平行，且距其5mm，坐标为(-15，5)。

2.成型工艺

铺设预浸料及光纤光栅传感器：将面内尺寸为300mm×300mm的碳纤维/环氧树脂预浸料按照[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]_s的铺层方式进行铺排。二次固化中，先升温至80℃，保温30min，再升温至120℃，保温60min，为防止层合板过度变形，在二次固化加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温。

3.压力验算

二次固化过程(如图3)中，所述二次固化成型压力范围为0.05-0.25MPa，故二次固化设定热模压机的压力为0.08MPa。

蜂窝的压缩强度为1.72MPa，0.08MPa<1.72MPa，保证蜂窝芯子在成型过程中不会压碎。4.雷击监测

把固化后的三明治结构脱模并安装到人工雷击损伤测试平台上，光纤光栅两端引线分别接入耦合器，耦合器通过传导光纤连接光栅解调仪，光栅解调仪通过传导接头双绞线连接电脑，利用计算机的检测软件，处理所接收到的信号，并进行三维建模，输出显示雷击损伤分布。

实施例二

一种300mm×300mm，铺层顺序为[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]s的纤维复合材料三明治构件(如图1)雷击损伤在线监测装置及其制备方法。在本实施例中选用光纤Bragg光栅。

所用器材包括：碳纤维/环氧树脂预浸料，芳纶蜂窝，光纤Bragg光栅，热压罐，光纤光栅解调仪。

1.光纤光栅传感器植入位置

(1)上面板中各传感器所处位置与坐标分别为：S1-90-1/2与S2-90-1/4分别植入15、16层预浸料之间90°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(0，-15)，(0，75)。S3-0-1/2与S4-0-1/4分别植入11、12层预浸料之间0°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(-15，0)，(75，0)(如图2(a)和图2(b)所示)。

为实时监测复合材料的固化和开模过程，将一个温补光栅T1-0-1/2植入11、12层预浸料之间，位置与0°方向中线的1/2处应变光栅平行，且距其5mm，坐标为(-15，5)。

(2)下面板中各传感器所处位置与坐标分别为：S5-0-1/2与S6-0-1/4分别植入11、12层预浸料之间0°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(-15，0)，(75，0)。S7-90-1/2与S8-90-1/4分别植入15、16层预浸料之间90°方向中线的1/2处、1/4处，坐标分别为(0，-15)，(0，75)(如图2(a)和图2(b)所示)。

温补光栅T2-0-1/2植入11、12层预浸料之间，位置与0°方向中线的1/2处应变光栅平行，且距其5mm，坐标为(-15，5)。

2.成型工艺

在预固化后的夹心结构上依次覆盖隔离膜、透气毡和真空袋，光纤引线从真空袋中引出，用高温密封胶密封好之后转移至热压罐中，设定的温度工艺为升温至80℃，保温30min，再升温至120℃，保温60min，再冷却至室温，升降温速率均设为2.5℃/min，所述二次固化成型压力范围为0.05-0.25MPa，故设定压力为0.08MPa，冷却至室温后卸压，完成复合材料蜂窝三明治板的二次固化，并实时监测固化过程中的温度和应变变化。

3.压力验算

蜂窝的压缩强度为1.72MPa，由于热压罐设定压力为0.08MPa<1.72MPa，保证蜂窝芯子在成型过程中不会压碎。

4.雷击监测

把固化后的三明治结构脱模并安装到人工雷击损伤测试平台上，光纤光栅两端引线分别接入耦合器，耦合器通过传导光纤连接光栅解调仪，光栅解调仪通过传导接头双绞线连接电脑，利用计算机的检测软件，处理所接收到的信号，并进行三维建模，输出显示雷击损伤分布。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置，其特征是，包括：

预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的回字形模框围成的模腔，在所述模腔内逐层铺设预先裁切好的碳纤维预浸料，按照预先设计好的铺层顺序进行铺设；选择两层相邻预浸料，在光纤光栅所处位置的上下两层预浸料中分别开设位置一致且尺寸一致的凹槽，将光纤光栅温度传感器或光纤光栅应变传感器用长条状碳纤维预浸料封装保护后，嵌入两层预浸料的所述凹槽内；在封装时使长条状碳纤维预浸料的纤维方向与光纤光栅轴线方向一致；信号处理器对光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器采集的数据进行实时监测与处理；

将预先涂好脱模剂的上模板盖在预先涂好脱模剂的下模板上，闭合模具，将模具送入热模压机的加热板之间进行加热加压，实现预固化，信号处理器记录检测到的初始光谱图；预固化结束后立即卸压，在不开模的情况下自然冷却至室温，信号处理器记录预固化过程中温度和应变的变化过程；冷却到室温后，脱离上模板、下模板和模框，得到第一面板；采用同样的步骤，得到第二面板；

将蜂窝芯层置于第一面板和第二面板之间，将第一面板、蜂窝芯层和第二面板定位对齐，得到待二次固化的三明治构件，将待二次固化的三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化；信号处理器对温度和应变全过程进行实时监测；二次固化结束后暂不卸压；在不开模的情况下自然冷却至室温，然后对固化成型后的三明治构件进行脱模，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件；把得到的内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件安装到人工雷击损伤测试装置上，进行雷击损伤监测。

2.如权利要求1所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置，其特征是，

将光纤光栅温度传感器或光纤光栅应变传感器用长条状碳纤维预浸料封装保护，是指：两层长条状碳纤维预浸料重叠铺好，将传感器置于两层长条状碳纤维预浸料中间，使长条状碳纤维预浸料的纤维走向与光纤光栅轴线方向一致。

3.如权利要求1所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置，其特征是，

回字形模框的四个边，每个边的中心位置均设有引线凹槽；回字形模框的四个角，每个角也设有引线凹槽；所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的引线从相应的回字形模框的引线凹槽中引出，与光纤耦合器连接，光纤耦合器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与信号处理器连接。

4.如权利要求1所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置，其特征是，

将模具送入热模压机的加热板之间进行加热加压，实现预固化，是指：

将模具送入热模压机的加热板之间，升温至凝胶点以下的T1℃，保温N1min，此阶段的压力大小为P1。

5.如权利要求1所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置，其特征是，

将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化，是指：

将模具送入热模压机的下层加热板和中间加热板之间，两个加热板同时加热，先升温至T1℃，保温N1min，再升温至T2℃，保温N2min，此阶段压力大小为P2；

在二次固化开始前，计算蜂窝芯体的压缩强度，确保施加在蜂窝芯体上的压力在蜂窝芯体的承受范围之内，确保蜂窝芯体在成型过程中不受损坏。

6.基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测方法，其特征是，包括：

步骤(1)：选择与铺层总厚度相适应的模框，根据预设光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器铺设位置在模框的四条侧壁框板上确定引线凹槽的位置，并加工引线凹槽，然后将整个模框表面均匀缠绕若干层耐高温的高分子薄膜，引线凹槽的表面也用高分子薄膜完全覆盖；

步骤(2)：剪裁出设定尺寸和数量的预浸料，在预先涂好脱模剂的下模板上放置预先覆膜的模框并固定，并在预先涂好脱模剂的下模板和预先覆膜的回字形模框围成的模腔中，按照预先设计的铺层顺序铺设预浸料；选择两层相邻预浸料，在光纤光栅所处位置的上下两层预浸料中分别开设位置一致且尺寸一致的凹槽，将光纤光栅温度传感器或光纤光栅应变传感器用长条状碳纤维预浸料封装保护后，嵌入两层预浸料的所述凹槽内；在封装时保证长条状碳纤维预浸料的纤维方向与光纤光栅轴线方向一致；光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的引线从引线凹槽引出；

步骤(3)：将预先涂好脱模剂的上模板盖在预先涂好脱模剂的下模板上，闭合模具，将模具送入热模压机，引线与光纤耦合器连接，光纤耦合器与光纤光栅解调仪连接，光纤光栅解调仪与信号处理器连接；信号处理器对光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器采集的数据进行处理与实时监测；

热模压机进行预固化，信号处理器记录监测到的初始光谱图和预固化过程中光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器采集的温度和应变的变化历程；预固化结束后立即卸压，在不开模的情况下自然冷却至室温，信号处理器记录预固化过程中的温度和应变的变化过程；冷却至室温后，断开引线与解调仪的连接，脱离上模板、下模板和模框，得到第一面板；采用同样的制备工艺，得到第二面板；第二面板的预浸料铺层与传感器埋入位置与第一面板对称；

步骤(4)：将蜂窝芯层置于第一面板和第二面板之间，将第一面板、蜂窝芯层和第二面板定位对齐，得到待二次固化的三明治构件，将待二次固化的三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机中进行加热加压，实现第二次固化；信号处理器对温度和应变全过程进行实时监测；二次固化结束后暂不卸压；在不开模的情况下自然冷却至室温，然后对固化成型后的三明治构件进行脱模，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件；把得到的内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件安装到人工雷击损伤测试装置上，进行雷击损伤监测。

7.如权利要求6所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测方法，其特征是，所述步骤(4)中，将待二次固化的三明治构件放入模具中，将模具放入热模压机的下加热板和中间加热板中间，将两块金属板放置在中间加热板上，将光纤引线连接到解调仪，设定工艺为：先升温至第一设定温度值，保温第一设定时间段，再升温至第二设定温度值与压力值，再保温第二设定时间段；

加热结束后暂不卸压，使固化后的复合材料蜂窝夹芯板在不开模的情况下自然冷却至室温，完成复合材料蜂窝三明治板的固化，并实时监测固化过程中的温度和应变变化；打开热模压机，断开光纤引线与解调仪的连接，将模具脱除，最终得到内植光纤光栅的纤维复合材料三明治构件。

8.如权利要求6所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测方法，其特征是，所述步骤(2)中，剪裁出设定尺寸和数量的预浸料，是指按平行于纤维方向、垂直于纤维方向、与纤维轴线成45°方向裁切出若干个纤维预浸料。

9.如权利要求6所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测方法，其特征是，所述光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器的铺设方式为：光纤光栅轴线方向保持与该光栅栅区附近的碳纤维轴线方向一致，否则容易造成光栅栅区折断失效；

光纤光栅应变传感器需与光纤光栅温度传感器成对平行铺设，并间隔5-10mm，只监测温度的传感器可单独铺设，但各个传感器不能相接触。

10.如权利要求6所述的基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测方法，其特征是，

所述步骤(3)的预固化温度为70-90℃，预固化的原则是保证面板有刚度，使后续脱模时不会弯折，同时不影响在二次固化时复合材料与芯层的粘接；预固化度控制在15-35％之间，若固化度太小，会导致面板刚度过低；若固化度太大，则会造成两个面板与芯层粘结困难；

所述步骤(4)的成型压力为0.05-0.25MPa，采取的冷却方式为不开模自然冷却至室温。