CN111257993A - 一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用，该光纤光栅应变传感器的结构中包括应变光纤光栅、玻璃纤维单向布、热塑性高分子无纺毡、树脂体系；其中，应变光纤光栅沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；应变光纤光栅、玻璃纤维单向布与热塑性高分子无纺毡整个区域内分布有树脂体系，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂形成微区域双连续相，组成完整的光纤光栅传感器。该光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器成对内植于叶片模具内使用。本发明提高了内植式光纤光栅传感器的存活率、复杂应变可检性及长期使役稳定性。

Description

一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用

技术领域

本发明涉及材料制备和光纤通信技术领域，具体涉及一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

风电是世界上增长最快的清洁能源之一，大型化、轻量化和智能化是其发展趋势。近年来海上风电的需求大增，与陆上风电相比，海上风电的特点是叶片长度更长(100米级及以上)，不便于进行状态监测和维修，这就对叶片的机械强度和耐疲劳性提出了更高的要求。要想制造出高精度、高质量、长寿命的叶片，首先必须发展先进的模具制造技术。现今国内制造出的最长的叶片模具约为84米，基本上是由玻璃纤维或碳纤增强复合材料、加热系统、钢结构调节系统和翻转系统构成。随着模具长度提高至100米级，复材模具的变形量会增大，如果单纯依靠钢结构强行调整型面，会使模具内部内应力增大，甚至产生微裂纹等缺陷，导致模具使用寿命缩短。

现今叶片模具型面精度检测最常见的手段是三坐标测量仪，其优势在于测量精度高、柔性好，适用于大型的曲面结构测量，但也存在测量速度慢、不适合大范围的动态测量，且造价比较昂贵的缺点。而光纤光栅传感器由于其灵敏度高、抗电磁干扰、便于大规模低成本组网、可埋入材料内部和进行在线监测的优势，在土木工程、航空航天和石油化工等行业得到了广泛的应用，成为传感领域发展最快的技术之一。如果将分布式光纤光栅传感器内植于叶片模具内部，就可以实时在线监测模具内部的温度和应变状态，进一步优化加热工艺，并根据模具的实时变形情况来监测模具的型面精度，便于及时修正模具型面，防止出现上述内应力过大的问题，也可以弥补使用三坐标测量仪带来的检测速度慢且造价昂贵的不足。

然而，发明人发现，实际上，风电叶片模具的生产过程非常复杂，往往存在各种不可控的施工外力作用，现有的对光纤光栅应变传感器的保护技术往往只能应用于实验室制品，在应用于实际工业化生产时容易产生严重的啁啾现象，甚至会导致光栅失活，因而现有技术无法满足实际生产的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种适用于大型工业化生产的光纤光栅传感器组件的制造、植入和保护方法，确保光纤光栅传感器在恶劣的制造施工环境中存活，并大幅减少啁啾现象(啁啾现象即传感器所测信号出现杂峰或者峰形不尖锐，甚至解调仪无法解调出光纤光栅信号的现象)的产生，实现对叶片模具的温度和应变进行实时在线监测，提高了内植式光纤光栅传感器的存活率、复杂应变可检性及长期使役稳定性。

本发明的目的之一是提供一种智能化叶片模具的光纤光栅传感器组件及其成型方法，该光纤光栅传感器组件包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器采用薄而窄的长条状结构，挤压成型后可缠绕成卷。利用玻璃纤维单向布的增强作用，在浸渍树脂固化后就形成了一个横观各向同性的高刚度、高强度玻璃纤维复合材料棒，从而保证光纤光栅应变传感器在恶劣的施工条件下存活，同时利用热塑性高分子无纺毡和树脂形成的微区域双连续相对树脂进行增韧，把栅区段的复杂内应力做平均化处理，使得同一段栅区上的应变比较均匀，进而有效减少应变传感器的啁啾现象，在玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的协同作用下保证光纤光栅应变传感器在暴力施工、复杂内应力、剧烈剪切/拉压应力及组合应力下存活，为智能化叶片模具的制造打下坚实的基础。

本发明的目的之二是提供一种将光纤光栅传感器组件植入叶片模具的方法，本发明的方法包括光纤光栅传感器组件的制备、组件植入叶片模具的方式以及光纤引线的引出和保护方法，全面而系统地提高了光纤光栅传感器应用于实际工业化生产时的存活率及稳定性，并有效避免了啁啾现象的发生，为风电叶片模具的型面精度监测提供了简单有效的方案。

具体地，本发明的技术方案如下所述：

在本发明的第一方面，本发明提供了一种光纤光栅应变传感器，其能够作为组件应用于智能化叶片模具内，所述光纤光栅应变传感器的结构中包括应变光纤光栅、玻璃纤维单向布、热塑性高分子无纺毡、树脂体系；

其中，沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；

包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；

应变光纤光栅与热塑性高分子无纺毡之间的区域内分布有树脂体系(即应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡整个区域内分布有树脂体系)，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂体系形成微区域双连续相，组成完整的光纤光栅传感器。

在本发明的实施方式中，所述应变光纤光栅的每根光纤上刻制多个栅区，形成分布式检测的光纤光栅串，栅区之间的间距可根据需要自行设定。所述光纤光栅应变传感器的栅区周围沿着光纤轴向用玻璃纤维单向布包埋，在浸胶(即浸渍液态树脂体系)固化之后，形成一个以应变光纤光栅为中心、横观各向同性的高刚度、高强度玻璃纤维复合材料棒，从而保证光纤光栅应变传感器在恶劣施工条件和复杂内应力下存活。

在本发明的一些实施方式中，所述玻璃纤维单向布宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm。

在本发明的实施方式中，所述应变光纤光栅的纤芯直径为5-50μm，栅区长度为10-15mm，比如可以为10mm。

在本发明的实施方式中，所述应变光纤光栅在牵引的作用下取直并在由此获取的预应力下固定在玻璃纤维单向布上，可以提高测试数据的稳定性。固定可采用粘结的方式，比如采用胶黏剂，胶黏剂应具有粘结力强、粘结速度快且不与玻璃纤维反应的特点，优选401胶作为固定应变光纤光栅的胶粘剂。

在本发明的实施方式中，所述热塑性高分子无纺毡具有很好的随形性，其上下两层将两层玻璃纤维单向布及这两层玻璃纤维单向布内包埋的应变光纤光栅包覆，其上下两层对于应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆均能形成Ω管形貌，从而实现全面地包覆。

所述的玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡必须协同作用，缺一不可，而且玻璃纤维单向布必须被包裹在热塑性高分子毡的里面，否则无法达到将周围应力均匀化、减少啁啾现象的作用。

在本发明的一些实施方式中，所述热塑性高分子无纺毡根据具体使用要求可选择聚醚醚酮(PEEK)和/或尼龙无纺毡。

在本发明的一些实施方式中，所述热塑性高分子无纺毡宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm。

在本发明的实施方式中，所述树脂体系包括环氧树脂和固化剂；其中，环氧树脂与固化剂用量(质量)比例为4-6:1-2，优选5:2配置。在本发明的实施方式中，所述的环氧树脂种类应与叶片模具制造时所用的树脂相匹配，二者应有良好的相容性，尽可能减少植入光纤光栅传感器组件对模具性能的影响，并有效降低应变传递损耗，提高测试的可靠性。

在本发明的实施方式中，树脂体系固化后在光纤光栅应变传感器中的体积含量为40％-60％。

在本发明的第二方面，本发明提供了一种如上第一方面中所述的光纤光栅应变传感器的成型方法，其包括：按照热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的顺序自下而上(或自上而下)进行堆叠后干燥，然后进行第一次挤压，挤压后置于液态树脂体系中浸渍，浸渍完成后进行第二次挤压，冷却成型。

在本发明的实施方式中，所述成型方法基于具有以下结构的成型装置，该装置包括至少5个设置有纱架导辊的纱架筒分别依次固定材料：热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡，以及包括干燥箱、第一挤压辊、浸渍槽、第二挤压辊及若干个导辊；

其中，干燥箱设置于原料纱架筒与第一挤压辊之间，浸渍槽位于第一挤压辊和第二挤压辊之间；纱架筒与干燥箱之间靠近干燥箱处设有导辊，用以引导经纱架导辊穿出的材料堆叠汇合；第一挤压辊与浸渍槽之间位于浸渍槽入口处以及浸渍槽与第二挤压辊之间位于浸渍槽出口处分别设置有引导辊，分别用以引导挤压后的物件进入浸渍槽和用以引导浸渍后的物件离开浸渍槽进入第二挤压辊；浸渍槽内靠近底部设置有正下辊，用以引导进入浸渍槽的物件自正下辊下方通过浸渍槽，使物件在浸渍槽内充分浸润。

在本发明的实施方式中，本发明所述的光纤光栅应变传感器的成型方法包括：基于上述装置，热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡被分别固定在纱架筒上各自穿过纱架导辊穿出，于干燥箱前经导辊引导进行汇合堆叠，各材料的堆叠顺序自上而下依次为热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡；汇合堆叠后的物件进入干燥箱干燥，干燥后的物件进入第一挤压辊挤压后经引导辊引导进入浸渍槽，浸渍槽内盛有液态树脂体系，液体高度应足以没过浸渍槽底部设置的正下辊，且挤压后的物件可在正下辊下方通过，以使物件在液态树脂体系中充分浸渍，浸渍后的物件在正下辊下方通过后经位于浸渍槽出口处的引导辊引导进入第二挤压辊加温挤压，挤压后的物件冷却成型，即得。

在本发明的一些实施方式中，堆叠于应变光纤光栅上侧及下侧的热塑性高分子无纺毡与玻璃纤维单向布分别经纱架导辊穿出后各自经另一导辊引导提前汇合，然后在干燥箱前经导辊引导按热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的顺序自上而下堆叠。

在本发明的一些实施方式中，堆叠汇合时，应变光纤光栅被固定于位于其下侧的玻璃纤维单向布上，固定方式优选使用粘结剂。

在本发明的一些实施方式中，浸渍槽内设置有至少1个正下辊，优选至少2个，分别位于浸渍槽两端。在一些实施方式中，本发明所述的浸渍槽为方形，其宽度和深度可以容纳导辊(正下辊)即可，比如在一些实施方式中，所述浸渍槽的长度为1-2m，以延长传感器组件的浸渍时间。

在本发明的实施方式中，热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡按顺序堆叠汇合时标记出第一个栅区的位置。

在本发明的实施方式中，经第二挤压辊挤压，然后室温冷却成型后，根据所标记的第一个栅区的位置和栅区间距逐个标记出其他栅区的位置，根据实际需要裁切成所需长度，切割位置距离栅区至少100mm。

在本发明的实施方式中，沿光纤轴向去除成型后的传感器两端的部分热塑性高分子无纺毡与玻璃纤维单向布，使光纤在两端露出，两端分别设置引线接口。露出的光纤用聚四氟乙烯套管保护好并与光纤引线熔接，得到两端均有引线接口的传感器，这样即使中间有栅区被损坏也能保证其他栅区可正常传递光信号，进一步保证了光纤光栅传感器能有效存活。

在本发明的实施方式中，干燥箱内的干燥温度为85-95℃，比如90℃；经过干燥箱后可除去多余水分。

在本发明的实施方式中，第一挤压辊压力为0.02-0.05MPa。

在本发明的实施方式中，浸渍槽内的液态树脂体系为环氧树脂与固化剂的混合溶液，其中，环氧树脂与固化剂用量(质量)比例为4-6:1-2，比如为5:2。

在本发明的实施方式中，浸渍槽内温度的设定值要高于树脂(比如环氧树脂)的粘流温度，确保树脂流动性较好，能充分浸润被热塑性高分子无纺毡和玻璃纤维单向布包覆的应变光纤光栅。比如，在本发明的一些实施方式中，其温度区间为30-40℃。

在本发明的实施方式中，第二挤压辊内置电加热丝，其设定温度要大于树脂(比如环氧树脂)的粘流温度，以确保树脂不会在第二挤压辊上固化，并调整设定压力将树脂的体积含量控制在40-60％，从而使光纤光栅应变传感器兼具强度和柔韧性。若树脂的体积含量过低，容易产生贫胶、干斑等缺陷；反之，过高则容易导致光纤光栅应变传感器的力学性能较差，无法承受叶片模具实际生产时的施工外力和复杂内应力。在本发明的一些实施方式中，第二挤压辊加温温度为30-40℃，比如设置为35℃，压力为0.1-0.3MPa。本发明成型好的光纤光栅应变传感器在制备完成以及使用前应进行标定，得到应变灵敏度系数。

在本发明的第三方面，本发明提供了一种应用于智能化叶片模具的光纤光栅传感器组件，其包括光纤光栅温度传感器和如上第一方面中所述的光纤光栅应变传感器；

其中，温度光纤光栅用毛细钢管封装，毛细钢管两端密封，组成光纤光栅温度传感器；比如，在一些实施方式中，所述毛细钢管的外径为0.7mm，壁厚为0.2mm。发明人在实际生产现场研究使用时发现，毛细钢管封装后的温度传感器存活率为100％，而且不存在啁啾现象，具有良好的稳定性，不需要额外的封装保护。

应用于智能化叶片模具时，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，形成一个兼具温度和应变监测功能的光栅对。

本发明所述的成型好的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器组件在制备完成和使用前都应进行标定，得到温度和应变灵敏度系数。

在本发明的实施方式中，温度光纤光栅的每根光纤上刻制多个栅区，形成分布式检测的光纤光栅串，栅区之间的间距可根据需要自行设定，但是在本发明的实施方式中，温度光纤光栅与应变光纤光栅的栅区位置应一一对应。在本发明的一些实施方式中，所述光纤光栅温度传感器的纤芯直径为5-50μm，栅区长度为10-15mm。

在本发明的实施方式中，相邻光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器成对铺设，其之间的平行间距为5-10mm。

在本发明实施方式中，所述光纤光栅温度传感器的两端和光纤光栅应变传感器的两端分别设置引线接口。其中，在光纤光栅温度传感器中，光纤可以从毛细钢管的两端穿出，再用密封胶将光纤和毛细钢管之间的缝隙填充完成密封，从毛细钢管两端穿出的光纤和引线熔接后即可实现在温度传感器的两端均设置有引线接口。

在本发明的第四方面，本发明提供了一种将上述第三方面中所述的光纤光栅传感器组件植入叶片模具的方法，其包括：

(1)叶片模具的预成型工序；叶片模具通常采用灌注成型的方法，比如采用环氧树脂，在18-60℃的温度下固化6-8h完成预成型。

(2)打磨预成型叶片模具的内结构层表面，使本发明的光纤光栅传感器组件能够很好地贴合到模具的内结构层表面上，标记出光纤光栅传感器组件的定位，在植入光纤光栅传感器组件的位置处刷涂树脂体系。

(3)在植入位置处铺放光纤光栅传感器组件，在栅区之外的位置再次刷涂树脂体系，以实现固定和保护光纤光栅传感器组件的目的。

(4)叶片模具加热层的制造工序；该工序为常规的制造工序，本领域技术人员可以常规操作进行。

(5)在预成型叶片模具的外结构层铺布完成后，依次铺放脱模布、多孔膜、导流网以及真空膜，并将光纤引线引出至真空膜外，并将引线自始端进行密封包裹。

(6)叶片模具的树脂灌注及固化工序完成后，比如在一些实施方式中，在树脂灌注结束后40～60℃固化6小时后，清理光纤引线区域的辅材，其他区域的辅材借助机械吊钩清理干净。

(7)方钢和钢架的安装和焊接工序；该工序为常规的制造工序，本领域技术人员可以常规操作进行。

在本发明的实施方式中，步骤(2)和步骤(3)中刷涂使用的树脂体系为环氧树脂与固化剂的混合溶液；树脂体系在刷涂前进行消泡处理。其应与叶片模具灌注成型使用的树脂相匹配，以保证良好的相容性，尽可能减少对模具性能的影响。比如，此处刷涂使用的树脂体系为手糊树脂与固化剂的混合溶液，所述手糊树脂比如手糊环氧树脂，该类树脂与固化剂的配比范围为9-11:2-4，在本发明一些实施方式中，优选以10:3配置。

在本发明的实施方式中，步骤(3)中将光纤光栅应变传感器组件植入风电叶片模具时，先在预先设计好的位置处铺放光纤光栅应变传感器，然后将用毛细钢管封装好的光纤光栅温度传感器平行铺设在光纤光栅应变传感器旁边，相邻光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器之间的平行间距在5-10mm；在栅区之外的位置刷涂树脂体系，树脂室温固化后实现对光纤光栅传感器的固定和保护；以及，在一些实施方式中，在预先设计好的位置处依次铺放裁剪好的玻璃纤维多轴向织物、成对铺设光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器以及玻璃纤维多轴向织物，然后再在栅区之外的位置刷涂树脂体系，树脂室温固化后实现对光纤光栅传感器的固定和保护。

在本发明的实施方式中，步骤(4)中，安装加热层时应避开光纤光栅传感器组件的植入位置，并将光纤引线密封保护，比如用真空袋和密封胶将光纤引线密封在真空袋内以保证引线接口不被污染。加热层完成后，拆除密封。

在本发明的实施方式中，步骤(5)中，真空膜至少铺设2层。由于光纤引线的套管与引线之间存在缝隙会导致漏气，无法满足真空度的要求，因此需要在引线始端用密封胶包裹密封以防止漏气。以及，需要将光纤引线引出至所有真空膜的外面，方法是在引线引出的位置将真空膜局部沿直线剪开，沿直线剪开的真空膜两侧开口贴有密封胶，把引线取出后将两侧开口闭合并使用密封胶密封。

所述步骤(5)中需要注意的是如果将光纤引线放置在真空膜里面，即使引线有真空袋和密封胶的保护也仍然难以避免在真空灌注的过程中被树脂污染，尤其是部分树脂固化在引线上将使得引线变得硬而脆，如果引线接口被污染则很难将硬而脆的引线重新熔接而导致栅区报废。

在本发明的实施方式中，步骤(7)中，在进行方钢和钢架的安装和焊接工序时，对光纤引线进行覆盖保护，比如采用至少6层略润湿的玻璃纤维多轴向织物对光纤引线进行覆盖，避免其被焊接的火花和金属熔融碎粒的烧损。

在本发明的实施方式中，步骤(7)的方钢和钢架的安装和焊接工序完成后，将植入的光纤光栅传感器组件通过光纤引线接口与解调仪和电脑相连，进行预固化、离模、后固化过程温度和应变的在线监测，由各个监测点的应变可以得到模具型面的实时变形情况并进行调控，也可以进一步优化成型温度工艺。

在本发明的第五方面，本发明提供了上述第一方面中所述的光纤光栅应变传感器或上述第三方面中所述的光纤光栅传感器组件在叶片模具尤其是风电叶片模具中的应用。

在本发明的实施方式中，所述应用包括将上述第一方面中所述的光纤光栅应变传感器或上述第三方面中所述的光纤光栅传感器组件植入叶片模具中，通过光纤引线接口与解调仪和电脑相连，进行预固化、离模、后固化过程温度和应变的在线监测，实时监测叶片模具整体的应变分布情况，由各个监测点的应变可以得到模具型面的实时变形情况并进行调控，和/或进一步用于型面精度的监测以及成型工艺的优化。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明解决了现有的光纤光栅传感器在实际工业化生产时存活率低且啁啾现象严重的问题，提供了一种兼具强度和韧性的光纤光栅应变传感器，利用单向玻璃纤维的增强作用和热塑性高分子无纺毡对环氧树脂的增韧作用，使得制备的光纤光栅应变传感器能够适应叶片模具恶劣的施工条件和复杂的应力状况，从而显著改善光纤光栅应变传感器的啁啾现象，提高传感器在工业化生产过程中的存活率、复杂应变可检性以及传感器检测的稳定性。

(2)本发明提供了一种光纤光栅传感器组件植入叶片模具的方法，该方法操作简单、稳定，适用于工业化生产。由于传感器组件有很好的随形性，可以很好地贴合模具结构层的表面，可以对后续的模具制造和使役过程的温度和应变进行精确、稳定的实时在线监测。

(3)本发明可以通过光纤光栅传感器组件监测的应变情况得到模具的实时变形情况来监测模具的型面精度，便于及时修正模具型面，可以作为三坐标测量仪的替代检测设备，弥补使用三坐标测量仪带来的检测速度慢且造价昂贵的不足。

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。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1：1(a)为光纤光栅应变传感器组件的结构示意图，1(b)为光纤光栅应变传感器组件的图1(a)的A-A向示意图；

图2为光纤光栅应变传感器组件制造生产线示意图；

图3为光纤光栅传感器监测的风电叶片模具固化过程中的应变、温度与时间关系曲线；

其中，1.光纤光栅应变传感器，2.应变光栅单元，3.尼龙无纺毡，4.玻璃纤维单向布，5.环氧树脂，6(6’).热塑性高分子无纺毡纱架筒，7(7’).玻璃纤维单向布纱架筒，8.应变光纤光栅纱架筒，9.纱架导辊，10.导辊2，11.导辊1，12.干燥箱，13.第一挤压辊，14.引导辊，15.浸渍槽，16、正下辊，17.液态树脂体系，18.第二挤压辊。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。

除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。本发明所使用的试剂或原料均可通过常规途径购买获得，如无特殊说明，本发明所使用的试剂或原料均按照本领域常规方式使用或者按照产品说明书使用。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。

本发明所述光纤光栅传感器组件中光纤光栅应变传感器的成型方法可以基于具有下述结构的成型装置，该装置包括至少5个设置有纱架导辊的纱架筒分别依次固定材料：热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡，以及包括干燥箱、第一挤压辊、浸渍槽、第二挤压辊及若干个导辊。

比如，在本发明的实施方式中(包括下文中涉及的具体实施例)，干燥箱(12)设置于原料纱架筒(6,7,8,7’,6’)与第一挤压辊(13)之间，浸渍槽(15)位于第一挤压辊(13)和第二挤压辊(18)之间；纱架筒(6,7,8)与干燥箱之间靠近干燥箱处设有导辊(11)，用以引导经纱架导辊(9)穿出的材料堆叠汇合；第一挤压辊(13)与浸渍槽(15)之间位于浸渍槽(15)入口处以及浸渍槽(15)与第二挤压辊(18)之间位于浸渍槽(15)出口处分别设置有引导辊(14)，分别用以引导挤压后的物件进入浸渍槽(15)和用以引导浸渍后的物件离开浸渍槽进入第二挤压辊(18)；浸渍槽(15)内靠近底部设置有正下辊(16)，用以引导进入浸渍槽(15)的物件自正下辊(16)下方通过浸渍槽，浸渍槽(15)内盛有液态树脂体系(17)，使物件在浸渍槽内充分浸润。

在本发明的一些实施方式中，本发明所述的光纤光栅应变传感器的成型方法包括：基于上述装置，热塑性高分子无纺毡(6)、玻璃纤维单向布(7)、应变光纤光栅(8)、玻璃纤维单向布(7’)和热塑性高分子无纺毡(6’)被分别固定在纱架筒上各自穿过纱架导辊(9)穿出，于干燥箱前经导辊(11)引导进行汇合堆叠，各材料的堆叠顺序自上而下依次为热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡；汇合堆叠后的物件进入干燥箱(12)干燥，干燥后的物件进入第一挤压辊(13)挤压后经引导辊(14)引导进入浸渍槽(15)，浸渍槽内盛有液态树脂体系(17)，液体高度应足以没过浸渍槽底部设置的正下辊(16)，且挤压后的物件可在正下辊(16)下方通过，以使物件在液态树脂体系中充分浸渍，浸渍后的物件在正下辊下方通过后经位于浸渍槽出口处的引导辊(14)引导进入第二挤压辊(18)加温挤压，挤压后的物件冷却成型，即得。

在本发明的一些实施方式中，堆叠于应变光纤光栅上侧及下侧的热塑性高分子无纺毡(6,6’)与玻璃纤维单向布(7,7’)分别经纱架导辊(9)穿出后各自经另一导辊2(10)引导提前汇合，然后在干燥箱前经导辊1(11)引导按热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的顺序自上而下堆叠。

本发明的光纤光栅应变传感器可根据上述成型方法制备得到，下述实施例中制备过程均基于此，在此基础上，本领域技术人员可根据本发明的公开，基于本发明的构思选取合适的材料、调节参数来实现本发明的技术效果。

实施例1

一种光纤光栅传感器组件植入风电叶片模具的方法，包括光纤光栅传感器组件的制备、组件植入叶片模具的方式以及光纤引线的引出和保护方法。

第一步，光纤光栅应变传感器长条状组件的制备：

(1)准备材料，如两筒玻璃纤维单向布、两筒尼龙无纺毡、一筒刻栅完成的应变光纤光栅和环氧树脂及其固化剂，其中，玻璃纤维单向布宽8mm、厚0.3mm，应变光纤光栅按需求进行刻栅(如每隔70mm刻一个栅区)，尼龙无纺毡宽8mm、厚0.3mm。

(2)设定浸渍槽和第二挤压辊的温度，将环氧树脂RIMR935和固化剂RIMH937按质量比例5:2混合好加入浸渍槽中，并始终保持树脂的量大于等于浸渍槽容积的2/3。

(3)将玻璃纤维单向布、应变光纤光栅和尼龙无纺毡分别固定在纱架筒上，各自穿过导纱架，堆叠顺序是尼龙无纺毡、玻璃纤维单向布、光纤、玻璃纤维单向布、尼龙无纺毡，上层和下层的尼龙无纺毡和玻璃纤维单向布在堆叠汇合前的某处汇合。

(4)玻璃纤维单向布、应变光纤光栅和尼龙无纺毡在进入干燥箱之前汇合，用401胶将光纤固定在下层的玻璃纤维单向布上，并标记出第一个栅区的位置，然后经过90℃的干燥箱干燥。

(5)从干燥箱出来后通过第一挤压辊进入盛有环氧树脂和固化剂混合溶液的浸渍槽，然后经过35℃的第二挤压辊，调整第二挤压辊的压力符合0.1-0.3Mpa，使得光纤光栅组件的树脂体积含量在40-60％。

(6)常温冷却成型后，根据所标记的第一个栅区的位置和栅区间距逐个标记出其他栅区的位置，每4m裁切成一段。

(7)传感器组件两端均去除部分玻璃纤维单向布和尼龙无纺毡，露出的光纤用聚四氟乙烯套管保护好并与光纤引线熔接，得到一个两端均有引线接口的光纤光栅应变传感器组件。光纤光栅应变传感器如图1所示，其制造生产线如图2所示。

温度光纤光栅用毛细钢管封装，毛细钢管两端密封，组成光纤光栅温度传感器；毛细钢管的外径为0.7mm，壁厚为0.2mm。光纤可以从毛细钢管的两端穿出，再用密封胶将光纤和毛细钢管之间的缝隙填充完成密封，从毛细钢管两端穿出的光纤和引线熔接后即可实现在温度传感器的两端均设置有引线接口。

成型好的光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器在制备完成和使用前进行标定，得到温度和应变灵敏度系数。

第二步，将光纤光栅传感器组件植入叶片模具：

(1)叶片模具的预成型工序：铺设好的内结构层在灌注完成后，在18-60℃的温度下固化6-8h完成预成型。

(2)将预成型的内结构层表面的凸起打磨平整，使得上述制备的光纤光栅传感器组件能很好地贴合模具的内结构层表面。

(3)在打磨光滑的模具的内结构层表面标记出光纤光栅传感器的定位，在需要植入传感器的位置处手工刷涂真空消泡的手糊环氧树脂2513-A及固化剂体系2513-BF，质量配比为10:3。

(4)在预先设计好的位置处依次铺放裁剪好的玻璃纤维多轴向织物、光纤光栅应变传感器、光纤光栅温度传感器和玻璃纤维多轴向织物，再次手工刷涂真空消泡的环氧树脂及固化剂体系，树脂室温固化后就达到了传感器组件固定和保护的目的。

(5)叶片模具加热层的制造工序：安装加热层时应避开光纤光栅传感器组件的植入位置，用真空袋和密封胶将光纤引线密封在真空袋内以保证引线接口不被污染。加热层完成后，拆除密封。

(6)在预成型叶片模具的外结构层铺布完成后，再依次铺放脱模布、多孔膜、导流网以及2层真空膜。光纤引线始端用密封胶包裹密封好防止漏气。另外，在引线引出的位置将真空袋局部沿直线剪开，沿直线剪开的真空袋两侧开口贴有密封胶，把光纤引线取出后将两侧开口闭合并使用密封胶密封。

(7)在树脂灌注结束后40-60℃固化6小时，光纤引线区域的辅材手工撕掉，其他区域的辅材借助机械吊钩清理干净。

(8)进行方钢和钢架的安装和焊接工序：用略湿润的6-10层玻璃纤维多轴向织物覆盖光纤引线，避免其被焊接的火花和金属熔融碎粒的烧损。

(9)钢架安装结束后将植入的光纤光栅传感器通过引线接口与解调仪和电脑相连，进行预固化、离模、后固化过程温度和应变的在线监测。

图3为光纤光栅传感器监测的风电叶片模具固化过程中的应变、温度与时间关系曲线，FBG-S1545、FBG-S1551和FBG-S1554分别代表中心波长为1545nm、1551nm和1554nm的应变传感器。可以看出，应变曲线的变化与温度曲线几乎相同。说明本实施例的制备方式全面而系统地提高了光纤光栅传感器应用于风电叶片实际工业化生产时的存活率，并且可以使得光纤光栅所受的应变均匀性显著提高，因而监测得到的应变均匀性也提高，反射光的中心波长一致变化，进而有效避免杂峰或者峰形不尖锐问题，即避免啁啾现象，进而能够提高复杂应变可检性及检测稳定性。此外，由于复合材料本身的热胀冷缩而产生的应变是非常重要的一部分，另外，由于开始时固化度很低，由于发生化学交联反应而产生的收缩应变没有显示出来。不同中心波长的位置处应变值有明显差异，存在应变梯度。可见如果将分布式光纤光栅传感器植入叶片模具中，即可实时监测叶片模具整体的应变分布情况，进一步可以用于型面精度的监测以及成型工艺的优化。

实施例2

与实施例1的差异仅在于，光纤光栅应变传感器中所使用的热塑性高分子无纺毡为聚醚醚酮。该实施例以与实施例1相同的方式实测了光纤光栅传感器监测的风电叶片模具固化过程中的应变、温度与时间关系曲线，应变曲线的变化与温度曲线几乎相同，说明本实施例有效地提高了光纤光栅传感器在风电叶片实际工业化生产时的存活率，并有效避免了啁啾现象，可实时监测叶片模具整体的应变分布情况，提高了复杂应变可检性及检测的稳定性，进一步可以用于型面精度的监测以及成型工艺的优化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅应变传感器，其结构中包括应变光纤光栅、玻璃纤维单向布、热塑性高分子无纺毡、树脂体系；

其中，应变光纤光栅沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；

包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；

应变光纤光栅与热塑性高分子无纺毡之间的区域内分布有树脂体系，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂体系形成微区域双连续相，组成光纤光栅传感器。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述应变光纤光栅的每根光纤上刻制多个栅区，所述光纤光栅应变传感器的栅区周围沿着光纤轴向用玻璃纤维单向布包埋；

优选地，所述应变光纤光栅的纤芯直径为5-50μm，栅区长度为10-15mm；

优选地，所述应变光纤光栅在牵引的作用下取直并在由此获取的预应力下固定在玻璃纤维单向布上；

优选地，所述玻璃纤维单向布宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm；

优选地，所述热塑性高分子无纺毡具有随形性，其上下两层对于应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆均能形成Ω管形貌；

优选地，所述热塑性高分子无纺毡为聚醚醚酮(PEEK)和/或尼龙无纺毡；

优选地，所述热塑性高分子无纺毡宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm；

优选地，所述树脂体系包括环氧树脂和固化剂；

优选地，树脂体系在光纤光栅应变传感器中的体积含量为40％-60％。

3.权利要求1或2所述的应用于智能化叶片模具内的光纤光栅应变传感器的成型方法，其包括：按照热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的顺序自下而上进行堆叠后干燥，然后进行第一次挤压，挤压后置于液态树脂体系中浸渍，浸渍完成后进行第二次挤压，冷却成型；

优选地，所述方法基于具有以下结构的成型装置，包括至少5个设置有纱架导辊的纱架筒分别依次固定热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡，以及包括干燥箱、第一挤压辊、浸渍槽、第二挤压辊及若干导辊；

其中，干燥箱设置于原料纱架筒与第一挤压辊之间，浸渍槽位于第一挤压辊和第二挤压辊之间；纱架筒与干燥箱之间靠近干燥箱处设有导辊，用以引导经纱架导辊穿出的材料堆叠汇合；第一挤压辊与浸渍槽之间位于浸渍槽入口处以及浸渍槽与第二挤压辊之间位于浸渍槽出口处分别设置有引导辊，分别用以引导挤压后的物件进入浸渍槽和用以引导浸渍后的物件离开浸渍槽进入第二挤压辊；浸渍槽内靠近底部设置有正下辊，用以引导进入浸渍槽的物件自正下辊下方通过浸渍槽，使物件在浸渍槽内充分浸润；

优选地，所述成型方法包括：热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡被分别固定在纱架筒上各自穿过纱架导辊穿出，于干燥箱前经导辊引导进行汇合堆叠，各材料的堆叠顺序自上而下依次为热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡；汇合堆叠后的物件进入干燥箱干燥，干燥后的物件进入第一挤压辊挤压后经引导辊引导进入浸渍槽，浸渍槽内盛有液态树脂体系，液体高度应足以没过浸渍槽底部设置的正下辊，且挤压后的物件可在正下辊下方通过，以使物件在液态树脂体系中充分浸渍，浸渍后的物件在正下辊下方通过后经位于浸渍槽出口处的引导辊引导进入第二挤压辊加温挤压，挤压后的物件冷却成型，即得。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，堆叠于应变光纤光栅上侧及下侧的热塑性高分子无纺毡与玻璃纤维单向布分别经纱架导辊穿出后各自经另一导辊引导提前汇合，然后在干燥箱前经导辊引导按热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的顺序自上而下堆叠；

优选地，堆叠汇合时，应变光纤光栅被固定于位于其下侧的玻璃纤维单向布上，固定方式优选使用粘结剂；

优选地，浸渍槽内设置有至少1个正下辊，优选至少2个，分别位于浸渍槽两端；

优选地，堆叠汇合时标记出第一栅区的位置；

优选地，常温冷却成型后，根据所标记的第一个栅区的位置和栅区间距逐个标记出其他栅区的位置，选取长度裁切成段，切割位置距离栅区至少100mm；

优选地，沿光纤轴向去除成型后的传感器两端的部分热塑性高分子无纺毡与玻璃纤维单向布，使光纤在两端露出，两端分别设置引线接口。

5.根据权利要求3所述的成型方法，其特征在于，干燥箱内的干燥温度为85-95℃；

优选地，第一挤压辊压力为0.02-0.05MPa；

优选地，浸渍槽内的液态树脂体系为环氧树脂与固化剂的混合溶液，其中，环氧树脂与固化剂质量比例为4-6:1-2；

优选地，浸渍槽的温度高于其内树脂的粘流温度以确保树脂的流动性，温度区间优选为30-40℃；

优选地，第二挤压辊的加热温度高于浸渍槽内树脂的粘流温度，优选加热温度为30-40℃，更优选为35℃，压力为0.1-0.3MPa。

6.一种智能化叶片模具的光纤光栅传感器组件，其包括光纤光栅温度传感器和权利要求1或2中所述的光纤光栅应变传感器；

其中，温度光纤光栅用毛细钢管封装，毛细钢管两端密封，组成光纤光栅温度传感器；

应用于智能化叶片模具时，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，形成一个兼具温度和应变监测功能的光栅对。

7.根据权利要求6所述的光纤光栅传感器组件，其特征在于，所述光纤光栅温度传感器的纤芯直径为5-50μm，栅区长度为10-15mm；

相邻光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器之间的平行间距为5-10mm；

优选地，所述光纤光栅温度传感器的两端和光纤光栅应变传感器的两端分别设置引线接口。

8.一种将光纤光栅传感器组件植入叶片模具的方法，其包括：

(1)叶片模具的预成型工序；

(2)打磨预成型叶片模具的内结构层表面，标记出光纤光栅传感器组件的定位，在植入位置处刷涂树脂体系；

(3)在植入位置处铺放光纤光栅传感器组件，在栅区之外的位置再次刷涂树脂体系；

(4)叶片模具加热层的制造工序；

(5)在预成型叶片模具的外结构层铺布完成后，依次铺放脱模布、多孔膜、导流网以及真空膜，并将光纤引线引出至真空膜外，并将引线自始端进行密封包裹；

(6)树脂灌注及固化工序完成后，清理光纤引线区域及其他区域的辅材；

(7)方钢和钢架的安装和焊接工序。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤(2)和步骤(3)中刷涂使用的树脂体系为手糊树脂与固化剂的混合溶液，所述手糊树脂优选为手糊环氧树脂；

优选地，所述手糊树脂与固化剂的质量比为9-11:2-4；

优选地，步骤(3)中将光纤光栅应变传感器组件植入风电叶片模具时，先在预先设计好的位置处铺放光纤光栅应变传感器，然后将用毛细钢管封装好的光纤光栅温度传感器平行铺设在光纤光栅应变传感器旁边，相邻光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器之间的平行间距在5-10mm；在栅区之外的位置刷涂树脂体系，树脂室温固化后实现对光纤光栅传感器的固定和保护；

优选地，步骤(4)中，安装加热层时应避开光纤光栅传感器组件的植入位置，并将光纤引线密封保护以保证引线接口不被污染；

优选地，步骤(5)中，真空膜至少铺设2层，将光纤引线引出至真空膜外的方法为将真空膜沿直线剪开，将光纤引线引出后进行密封包裹；

优选地，步骤(7)中，在进行方钢和钢架的安装和焊接工序时，对光纤引线进行覆盖保护，优选采用至少6层略润湿的玻璃纤维多轴向织物对光纤引线进行覆盖，避免其被焊接的火花和金属熔融碎粒的烧损；

优选地，步骤(7)的方钢和钢架的安装和焊接工序完成后，将植入的光纤光栅传感器组件通过光纤引线接口与解调仪和电脑相连，进行预固化、离模、后固化过程温度和应变的在线监测。

10.权利要求1所述的光纤光栅应变传感器或权利要求7所述的光纤光栅传感器组件在叶片模具尤其是风电叶片模具中的应用；

优选地，所述应用包括将权利要求1所述的光纤光栅应变传感器或权利要求7所述的光纤光栅传感器组件植入叶片模具中，进行预固化、离模、后固化过程温度和应变的在线监测，实时监测叶片模具整体的应变分布情况，和/或进一步用于型面精度的监测以及成型工艺的优化。

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