CN111284039B - 一种内植式光纤光栅传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内植式光纤光栅传感器，其结构包括：复合材料基板、干态纤维布、高分子无纺布、纤维单向束、真空灌注的液态树脂及光纤光栅；其中，复合材料基板位于整个内植式光纤光栅传感器的底部，作为光纤光栅传感器的载体；干态纤维布作为覆盖层，位于整个内植式光纤光栅传感器的顶部；干态纤维布和复合材料基板之间为包覆于纤维单向束内的光纤光栅和高分子无纺布，其中，高分子无纺布位于光纤光栅上下两侧；复合材料基板与干态纤维布之间的区域内分布真空灌注的液态树脂，液态树脂固化之后，与上层干态纤维布以及底部复合材料基板形成强界面关系。本发明提高了内植式光纤光栅传感器存活率及长期使役稳定性，解决了叶片模具难以在线监测的难题。

Description

一种内植式光纤光栅传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及材料制备和光纤通信技术领域，具体涉及一种内植式光纤光栅传感器及其制备方法。
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。
进入21世纪以来，风电作为一种最具发展潜力的清洁能源，越来越受到世界各国的重视。目前，我国已成为全球风力发电规模最大、增长最快的市场。
风电叶片是风力发电机组实现由风能转化为机械能的关键核心部件之一，叶片质量的好坏将直接影响到风力发电机组的效率及使用寿命，从而影响到整个系统的性能。叶片在运转过程中，除受自身重力以外还将受到气动力以及离心力等多种载荷的复杂作用，为了保证叶片能够正常运转，叶片必须具有足够高的尺寸稳定性、机械强度与弯扭刚度，叶片部位质量的好坏又取决于叶片模具的质量，因此高精度、高质量的叶片模具制造技术必然成为人们最为关注的问题之一。
在叶片模具制造过程中，由于玻璃纤维和环氧树脂的热膨胀系数不匹配、环氧树脂固化收缩以及固化生热不能及时释放等因素的影响，模具内部不可避免会产生残余应力，导致模具产生较大变形。
而光纤光栅作为一种分布式传感元件，以光信号为测量信源，具有体积小、精度高、防水防潮、抗电磁干扰、便于表贴及内植、易于成网、能够实时监测等优点，已广泛应用于纤维复合材料的健康监测领域，因此，光纤传感器被工业互联网产业界寄予了厚望。
内植式光纤光栅传感器在复合材料结构中的存活率和长期使役稳定性是这类传感器能否被工业界认可的重要因素。发明人发现，目前内植式光纤光栅传感器并不被普遍认可，大多数情况下，光纤光栅内植于纤维复合材料之中都会产生啁啾现象，热固性基体本征脆性和连续纤维铺层各向异性在复合材料的复杂内应力的形成方面“协同增效”。更由于树脂基体固有的聚合物粘弹性，复合材料的复杂内应力动态演变，即使解决了内植式光纤光栅传感器在复合材料结构中的存活率，也没能解决内植式光纤光栅传感器在复合材料结构中的长期使役稳定性问题。
发明内容
为了解决现有制备工艺的不足，本发明提供了一种内植式光纤光栅传感器及其制备方法，同时提高了内植式光纤光栅传感器成活率及长期使役稳定性，并在充分考虑连续纤维增强树脂基复合材料的材料特性及制备工艺的情况下，解决叶片模具难以在线监测的难题，进而为叶片模具的在线监测系统提供一定的技术支持。
具体地，本发明的技术方案如下所述：
在本发明的第一方面，本发明提供了一种内植式光纤光栅传感器，其为用于风电叶片模具内植的基片式光纤光栅传感器，其结构包括：纤维复合材料基板、干态纤维布、高分子无纺布、纤维单向束、真空灌注液态树脂及光纤光栅；
其中，复合材料基板位于整个内植式光纤光栅传感器的底部，作为光纤光栅传感器的载体；
干态纤维布作为覆盖层，位于整个内植式光纤光栅传感器的顶部；
干态纤维布和复合材料基板之间为包覆于纤维单向束内的光纤光栅和高分子无纺布，其中，高分子无纺布位于光纤光栅上下两侧；
复合材料基板与干态纤维布之间的区域内分布真空灌注的液态树脂，液态树脂固化之后，与上层干态纤维布以及底部复合材料基板形成强界面关系，组成完整的内植式光纤光栅传感器。
在本发明的一些实施方式中，本发明的复合材料基板主要起到负载高分子无纺布以及光纤光栅并将基体的应变传递到光栅栅区的作用，这就要求基板应具有一定的刚度，此外，为保证光纤光栅传感器可以精确反映叶片模具的温度和应变变化，基板材料需要具有较好的环境相容性和小的应变传递损耗，综合考虑以上性能要求，以及叶片模具的主体材料与基板材料的相容性，本发明优选玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为内植式光纤光栅传感器的基板材料。
在本发明的实施方式中，所述复合材料基板的厚度为0.125-0.25mm；在该厚度范围内能够避免传感器外贴于结构件上时因基板厚度过大而引起应力集中的现象，进而避免影响测试精度。
在本发明的实施方式中，所述光纤光栅的种类不受限制，光纤光栅可以为光纤Bragg光栅，也可以选用长周期光纤光栅，根据具体要求可以自行选择光纤光栅串或者单栅区光纤光栅。
在本发明的实施方式中，所述纤维单向束为玻璃纤维单向束，其直径与光纤光栅一致，避免因尺寸偏差过大而导致灌注过程中栅区周围出现积胶等现象，提高传感器的灵敏度及精确度，比如，所述的玻璃纤维单向束直径可以为125μm。
本发明的高分子无纺布位于光纤光栅上下两侧，作为一种特殊的增韧层，高分子无纺布与真空灌注的液态树脂复合的微区域具有高韧性且各向同性，为光纤光栅的栅区提供一种“环境影响均化套”，即把外部复合材料结构的复杂内应力均化处理，使得同一段光纤光栅上的应变比较均匀，避免出现信号啁啾现象；在本发明的实施方式中，所述高分子无纺布为热塑性无纺布，根据具体使用要求可选自尼龙无纺布和/或PEEK(聚醚醚酮)无纺布等。
此外，本发明所述的高分子无纺布应具有很好的随形性，能在室温下部分溶解于真空灌注的液态树脂，从而全面地包覆光纤光栅及其周围的增强纤维单向束，在整个复合材料结构固化成型之后，高分子无纺布能和固化的液态树脂材料构成微区域的相反转结构，并且具有双连续相的特征，从而使得这个微区域里的固化树脂被大幅度地增韧改性。
本发明的干态纤维布作为覆盖层位于光纤光栅传感器的上方，在复合材料基板与干态纤维布之间真空灌注的液态树脂可将干态纤维布浸润，液态树脂固化之后，与上层纤维布以及底部基板形成良好的界面关系，组成一个完整的光纤光栅传感器；考虑到光纤光栅上方的覆盖层需要与底部基板具有一定的物性相容性，在本发明的一些实施方式中，所述干态纤维布优选干态玻璃纤维布作为光纤光栅的覆盖层，当然在一些实施方式中，也可根据具体光纤光栅传感器基片的强度需要自行设计干态纤维布。在本发明的实施方式中，所述干态纤维布可设置至少1层，更优选为1层或2层。
本发明的真空灌注树脂应具有良好的流动性，可以浸润干态纤维布且固化后与基板材料以及上方的干态纤维布具有很好的界面强度，综合以上性能要求，优选室温下能够固化的液态树脂，比如室温固化液态环氧树脂作为真空灌注液态树脂；在本发明的一些实施方式中，所述液态树脂按照树脂与固化剂的比例为4-6:2-4，优选5:2配制，混合后脱泡使用。本领域技术人员可以根据固化速率的要求选择适宜的配置比，若需要做到快速固化，固化剂所占比例适当提高即可。
本发明的纤维单向束作为增强相，作用是将光纤光栅包覆其中，为光纤光栅的栅区提供一种“性能增强保护套”，在制备以及使役过程中，可以延长传感器使用寿命、提高抗拉强度和弯扭强度等性能等；在本发明的一些实施方式中，优选玻璃纤维束作为增强纤维单向束，尤其在光纤光栅以及模具主体材料均为玻璃纤维时选取玻璃纤维束作为增强相，具有相容性好、通透性强等优点。
本发明的光纤光栅需在具有一定预应力的状态下粘贴于复合材料基板上。光纤光栅承载一定的预应力可防止其在光纤光栅封装过程中出现微弯现象，提高传感器的测试稳定性。在本发明的实施方式中，光纤光栅可以通过胶粘剂固定，使其在具有一定预应力的状态下粘贴于上下两层高分子无纺布之间，然后整体粘贴在复合材料基板上。光纤光栅胶粘剂的作用是将光纤光栅固定在高分子无纺布以及后期将无纺布粘贴在复合材料基板上，应具有粘着力强、高温下粘接性能不衰减、不与基板材料反应并且快速粘结的特点，因此，在本发明的一些实施方式中，优选401胶作为固定光纤光栅的胶粘剂。
在本发明的第二方面，本发明提供了一种制备上述第一方面中所述的内植式光纤光栅传感器的方法，其包括：
制备预固化复合材料基板；
按照预固化复合材料基板、高分子无纺布、光纤光栅、高分子无纺布、干态纤维布的顺序依次整齐铺放于钢板上，其中，光纤光栅周围包覆有纤维单向束，并通过胶粘剂固定，使其在具有一定预应力的状态下(比如拉紧状态下)粘贴于上下两层高分子无纺布之间，然后整体粘贴在复合材料基板上；在一些实施方式中，为了方便后期脱模，可在上述铺放过程中在干态纤维布的上层以及复合材料基板的下层放置脱模布；本发明所述钢板也可以为其他具有一定刚度的板状物，能够在抽真空过程中，避免模板因刚度不够而导致制品表面不光滑、出现褶皱等缺陷即可。
设置密闭空间，将各铺层密封在该空间内，采用真空灌注工艺将液态树脂灌注到密闭空间内，固化后脱模，即得内植式光纤光栅传感器。
在本发明的实施方式中，所述复合材料基板的预固化工艺条件为70-90℃，优选为80℃，固化压力为0.5-0.8MPa，优选为0.5MPa，固化时间为10-20min。
在本发明的实施方式中，所述预固化复合材料基板的固化度为5-10％，但是固化度不宜过大。如果预固化复合材料基板的固化度过大，则所述的基板在后期的整体固化时就不能和真空灌注的树脂发生所需程度的共固化反应，影响所述的基板和其近邻材料的界面结合强度，进而影响测试精度和长期使用的稳定性。
比如，预固化复合材料基板可通过以下方式制备：将两张面内尺寸相同的复合材料预浸料(即未经固化的复合材料)以及同样尺寸的两张脱模布，按照下脱模布、复合材料预浸料、上脱模布的顺序依次整齐铺放于下模板上，其上放置与下模板同样大小的上模板，随后将整个装置放入平板硫化机中，在80℃、0.5MPa的温度和压力下固化10min后取出，取下上脱模布和下脱膜布，即可得到预固化的复合材料基板。
在本发明的实施方式中，所述复合材料基板应按照实际监测需求来设计和制备，原则上不宜过宽，否则植入结构件中可能会导致应力集中现象，造成一定的制造缺陷，而且影响测试精度。
在本发明的实施方式中，所述预固化复合材料基板、干态纤维布、高分子无纺布尺寸相同，脱模布尺寸稍大于复合材料基板即可。
本发明设置密闭空间的原因在于便于液态树脂的灌注，因此，便于液态树脂灌注的密闭方式均可，在本发明的实施方式中，本发明提供了一种密闭空间的设置方法，其包括：在预固化复合材料基板四周粘贴密封胶条，使密封胶条紧密粘合底部钢板且形成一个密封胶条圈；在铺层最上方铺放高分子膜，使其覆盖各铺层并与密封胶条紧密接触，从而使底部钢板、上层高分子膜与密封胶条圈之间形成一个密闭空间。所述高分子膜的尺寸应大于密封胶条所围空间的大小，从而确保高分子膜与密封胶条紧密接触，使钢板、密封胶条以及高分子膜围成一个密闭的空间，所述高分子膜比如可以为真空袋膜。
在本发明的实施方式中，所述液态树脂在进行真空灌注前进行脱泡处理，脱泡处理的方式，比如可采用循环抽真空的方式去除液态树脂胶液中的气泡。
在本发明的实施方式中，真空灌注过程中保持真空度为-0.1MPa，在此真空度下，可以大量减少光纤光栅传感器基片中的气泡含量，提高传感器的测试精度和稳定性。
在本发明的第三方面，本发明提供了一种用于制备上述第一方面中所述的内植式光纤光栅传感器的装置，其包括固定装置和真空灌注装置；
所述固定装置用于固定构成内植式光纤光栅传感器的结构构件，并将其密封在密闭空间内；
所述真空灌注装置与固定装置相连，用于向固定装置形成的密闭空间内灌注液态树脂。
在本发明的一些实施方式中，所述固定装置包括：
钢板，用于铺放构成内植式光纤光栅传感器的结构构件；
密封胶条，紧密粘合钢板底部，且形成一个密封胶条圈；
高分子膜，用于覆盖在钢板上铺放好的构成内植式光纤光栅传感器的所有结构构件，并与密封胶条紧密接触，从而使底部钢板、上层高分子膜与密封胶条圈之间形成一个密闭空间；
其中，所述真空灌注装置包括：
树脂注入管，其一端被固定在密封胶条圈上，端口深入密封胶条圈内进入密闭空间，另一端接入存放液态树脂的容器中；优选地，存放液态树脂的容器密封且便于除气泡；优选地，固定于密封胶条圈一侧的端口连接导流网，辅助液态树脂均匀分散地进入密闭空间；
抽真空装置包括抽真空管、缠绕管和树脂收集容器和真空泵；
其中，抽真空管的一端与缠绕管接触后固定在密封胶条圈上，另一端通过树脂收集容器连接真空泵；本发明所述接触是指将抽真空管的一端伸入缠绕管所形成的空腔内即可，比如，在进一步的实施方式中，可以将抽真空管的一端与塑料三通相连接，然后塑料三通被缠入缠绕管的空腔中。
缠绕管设置在抽真空管的前端，比如，可用黑胶或者其他种类的粘接胶粘在底部钢板之上，其促使真空辅助灌注的环氧树脂顺利而均匀地从树脂导入端流到树脂导出端。
在本发明的第四方面，本发明提供了一种基于上述第三方面所述的装置制备权利要求1或2所述的内植式光纤光栅传感器的方法，其包括：
制备预固化复合材料基板；
取内植式光纤光栅传感器的结构构件，按照预固化复合材料基板、高分子无纺布、光纤光栅、高分子无纺布、干态纤维布的顺序依次整齐铺放于钢板上，其中，光纤光栅周围包覆有纤维单向束，并通过胶粘剂固定，在拉紧的状态下用胶粘剂粘贴在上下两层高分子无纺布之间，然后整体粘贴在复合材料基板上；优选地，为了方便后期脱模，可在上述铺放过程中在干态纤维布的上层以及复合材料基板的下层放置脱模布；
在预固化复合材料基板四周粘贴密封胶条，使密封胶条紧密粘合底部钢板且形成一个密封胶条圈；将树脂注入管的一端固定在密封胶条圈上，端口深入密封胶条圈内进入密闭空间，另一端暂不处理，为自由端；将抽真空管的一端与缠绕管接触后固定在密封胶条圈上，端口深入密封胶条圈内进入密闭空间，另一端通过树脂收集容器连接真空泵；其中，缠绕管设置在抽真空管的前端，其促使真空辅助灌注的环氧树脂顺利而均匀地从树脂导入端流到树脂导出端；
在铺层最上方铺放高分子膜，使其覆盖传感器各铺层构件并与密封胶条紧密接触，从而使底部钢板、上层高分子膜与密封胶条圈之间形成一个密闭空间；
将树脂注入管的自由端暂时密闭，打开真空泵，检查装置的气密性；
然后将树脂注入管的自由端接通存放液态树脂的密闭容器，在抽真空装置的作用下，将液态树脂注入真空密闭空间内，灌注结束后，固化脱模。
在本发明的实施方式中，真空灌注过程中保持真空度为-0.1MPa；固化在常温下进行，比如可固化24小时后脱模。
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内植式光纤光栅传感器在风电叶片模具的制备过程中的应用。
将本发明的内植式光纤光栅传感器中的光纤光栅熔接传输光纤，接入计算机，用于实时监测风电叶片模具制造过程中预固化以及后固化的光纤光栅反射光的中心波长变化。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明采用复合材料尤其玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为光纤光栅传感器的基板，与传统的金属基片式或树脂基片式光纤光栅传感器相比，具有环境相容性好、质轻、强度和刚度高、韧性好、耐腐蚀、应变传递损耗小等优点。
(2)本发明的复合材料基片式光纤光栅传感器将光纤光栅完全包埋于复合材料内部，在光纤光栅的上下空间加入高分子无纺布，高分子无纺布能在室温下部分溶解于真空灌注的液态树脂，从而全面地包覆光纤光栅及其周围的纤维单向束，使光纤光栅周围的固化后的树脂被大幅度地增韧改性，提高了光纤光栅传感器的存活率及稳定性，避免信号啁啾现象。
(3)本发明的复合材料基片式光纤光栅传感器，在光纤光栅周围引入增强纤维单向束，增强纤维单向束能够更好地提高光纤光栅传感器本身的力学性能，提高了光纤光栅传感器制备和使役过程中的存活率。
(4)本发明引入了增强纤维单向束核心层和面内各向同性高分子无纺布外围层，在制备成型和后续的使役过程中，增强纤维单向束可以很好地承受光纤光栅所受的复杂外力，提高传感器的存活率；高分子无纺布则可以在固化成型以及后续的使役过程中将光栅栅区周围复杂多变的应力均匀化，大幅度减轻甚至避免传感器的啁啾现象，提高复杂多变的应变的可检性、传感器检测的稳定性。
(5)本发明采用了外周增韧/核心增刚的协同增效办法，通过引入增强纤维单向束核心层和面内各向同性高分子无纺布外围层，彻底改变了传感器整体的结构，相应地工艺过程也做了完全的调整，相较于单纯通过改变固化工艺条件来获得传感性能更加优良的基片式传感器的技术方案，本发明具备新的结构特征和新的工艺特征，并且提高了基片式传感器的存活率以及复杂应变的可检性、传感器检测的稳定性。
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1：1a为本发明实施例的装置示意图；1b为图1a中B位置的铺层展开图及放大图；
图2为光纤光栅传感器的结构示意图及A-A位置剖面图；
图3为模具固化过程光纤光栅所测应变-时间关系曲线；
其中，本发明附图所示结构中：1为钢板；2为玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板；3为高分子无纺布；4为光纤光栅串；5为高分子无纺布；6为干态玻璃纤维布；7为密封胶条；8为树脂注入管；9为导流网；10为塑料缠绕管；11为传输光纤；12为光纤接头；13为抽真空管；14为两口烧瓶；15为真空袋膜；16为抽滤瓶；17为纤维单向束。
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。
实施例1
一种玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，其结构如图1a、1b所示，包括：玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2；高分子无纺布3、5；负载在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2上表面的光纤光栅串4；覆盖于上方的干态玻璃纤维布6；以及包覆于栅区周围的纤维单向束17。
具体来说：
所述玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2位于整个光纤光栅传感器的底部，其上表面用以负载光纤光栅串4，其下表面粘贴于被测结构件上。玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2主要起到定位、负载光纤光栅串4并将被测结构件的应变传递到光栅栅区的作用，这就要求基板应具有一定的刚度，可以负载取直后粘贴于其上的高分子无纺布3、5和光纤光栅串4；同时，为保证光纤光栅传感器可以精确反映被测结构件的应变变化，基板材料需要具有极小的应变传递损耗；此外，整个传感器可以是透明的，便于目视检测传感器内部有无裂纹和孔洞。综合考虑以上性能要求，选择玻璃纤维/环氧树脂复合材料作为光纤光栅传感器的基板材料。
所述光纤光栅串4在取直并承载一定预应力的状态下用胶粘剂(401胶)粘贴于两层高分子无纺布3、5之间，进而粘贴于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2上。
所述胶粘剂的作用之一是将光纤光栅串4固定于高分子无纺布以及后期将无纺布粘贴在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2上，避免光纤光栅在传感器制备过程中产生松动。
所述高分子无纺布3、5作为增韧层，本发明选用尼龙无纺布，其具有很好的随形性，能在室温下部分溶解于液态的环氧树脂，从而全面地包覆光纤光栅及其周围的玻璃纤维单向束。在固化成型过程中，尼龙纤维能和环氧树脂材料构成微区域的相反转结构，并且具有双连续相的特征，从而使得这个微区域里的环氧树脂被大幅度地增韧改性。
所述纤维单向束17与光纤光栅同向且包覆在光纤光栅栅区周围，在制备以及使用过程中，一旦受到外力作用，增强纤维单向束能够对光纤光栅起到力学“加固、增强”作用，提高了光纤光栅传感器本身的强度，提高了光纤光栅传感器制备和使役过程中的存活率。
所述干态玻璃纤维布6作为覆盖层位于光纤光栅串4的上方，经过真空辅助灌注的液态树脂浸润以及后续的固化成型，干态玻璃纤维布6与玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2之间通过固化树脂内的共价键作用而牢固结合，共同组成一个完整的光纤光栅传感器。
所述液态环氧树脂的作用是浸润干态玻璃纤维布6并覆盖底部的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2，各层之间依靠固化树脂内的共价键作用粘结在一起并形成良好的界面关系。
该玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，具体封装步骤如下：
(1)将裁剪得到的两张面内尺寸均为300mm*5mm的正交编织的玻璃纤维/环氧树脂预浸料(即未固化的复合材料)以及同样尺寸的两张脱模布，按照下脱模布、玻璃纤维/环氧树脂预浸料、上脱模布的顺序依次整齐铺放于下模板上，其上放置与下模板同样大小的上模板，随后将整个装置放入平板硫化机中，在80℃、0.5MPa的温度和压力下固化10min后取出，取下上脱模布和下脱膜布，即可得到预固化的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板(固化度为5％)。
(2)准备1条光纤光栅串4，栅区长10mm，尾纤使用特氟龙管保护，并熔接传输光纤11后待用。
(3)选取一块钢板1放于实验台上，将玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2与同尺寸的干态玻璃纤维布6、尼龙无纺布3和5、光纤光栅串4按照下脱模布、玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2、尼龙无纺布3、光纤光栅串4、尼龙无纺布5、干态玻璃纤维6、上脱模布的顺序依次整齐铺放于底部钢板1上，需要注意的是光纤光栅串4在取直且承载一定预应力的状态下用401胶粘贴于玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2上，并且周围包覆有同向玻璃纤维单向束17。
(4)在玻璃纤维/环氧树脂复合材料基板2四周粘贴密封胶条7，使密封胶条7紧密粘合底部钢板1且形成一个密封胶条圈。将树脂注入管8的一端端口固定在密封胶条圈上，另一端暂不处理；同样将抽真空管13的一端端口与塑料缠绕管10接触后固定在密封胶条圈上，另一端通过两口烧瓶14连接真空泵。其中，塑料缠绕管10可以促使真空辅助灌注的环氧树脂顺利而均匀地从树脂导入端流到树脂导出端。
(5)在密封胶条圈上方覆盖真空袋膜15，使真空袋膜15与密封胶条7紧密接触，从而使底部钢板1、上层真空袋膜15以及密封胶条圈之间形成一个密闭空间。
(6)将树脂注入管8的自由端暂时密封，打开真空泵，检查整个装置的气密性。
(7)将双酚A型环氧树脂E-51和5784脂肪胺环氧固化剂按照质量比5:2混配均匀，随后将其倒入抽滤瓶16中，采用循环抽真空的方式去除胶液中的气泡，时间保持在15min以内，从而避免环氧树脂在后续的真空灌注阶段的施工期过短。
(8)将树脂注入管8的自由端接通存有组分已配制好且脱泡的室温固化液态环氧树脂的抽滤瓶16，采用真空辅助灌注工艺将室温固化液态环氧树脂注入到由底部钢板1、上层真空袋膜15以及密封胶条圈所形成的真空密闭环境内；在真空辅助灌注过程结束后，整个装置在室温下固化24h后，脱模。
采用本实施例制造的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，实测了风电叶片模具在固化制造过程中光纤光栅反射光的中心波长变化，经计算机处理得到光纤光栅所在位置的光纤轴向应变值，结果如图3所示，由图可以看出，光纤光栅传感器能够很好地检测出模具不同位置处的应变情况，显示了很高的测试精度和检测稳定性。
本实施例传感器的特殊结构设计，尤其是光纤光栅周围的单向纤维束的局部增刚作用，可以使得传感器在复杂的结构件制造和使役过程中能一直活下来，提高了传感器的存活率。传感器啁啾现象是在传感器能活下来的前提下，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。本实施例传感器的特殊结构设计，尤其是光纤光栅及其周围的单向纤维束的外围的高分子无纺布的应力均匀化作用，可以使得光纤光栅所受的应变均匀性显著提高，从而使得光纤光栅的栅距均匀统一地变化，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，提高了检测的稳定性。因此，本实施例的传感器在避免了啁啾现象的前提下，提高了测试稳定性并提高了测试精度。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，所述高分子无纺布选用PEEK(聚醚醚酮)无纺布。采用本实施例制造的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，实测了风电叶片模具制造过程中固化阶段光纤光栅反射光的中心波长变化，光纤光栅传感器能够很好地检测出模具不同位置处的应变情况，提高了传感器的存活率，避免了啁啾现象，具备较高的测试稳定性和测试精度。
对比实施例
与实施例1的不同之处在于，传感器结构中不含有尼龙无纺布层，且光纤光栅周围不包覆有同向玻璃纤维单向束。采用本实施例制造的玻璃纤维/环氧树脂复合材料基片式光纤光栅传感器，实测了风电叶片模具制造过程中固化阶段光纤光栅反射光的中心波长变化，光纤光栅传感器虽然能够检测出模具不同位置处的应变情况，但测试精度远不及实施例1和实施例2。
推测原因在于该实施例中仅改善了成型工艺，即引入了二次固化工艺，使传感器基板在预固化之后具有一定的固化度，该制备工艺对基片式传感器的应变及温度灵敏度具有很大的改善，但相较于实施例1和2，其传感器整体结构上存在显著差异，即实施例1和2的传感器结构设计中引入了增强纤维单向束核心层(通过玻璃纤维单向束实现)和面内各向同性高分子无纺布外围层(通过高分子无纺布实现)，在固化成型和后续的使役过程中，增强纤维单向束可以很好地承受光纤光栅所受的复杂外力，提高传感器的存活率；高分子无纺布则可以在固化成型以及后续的使役过程中将光栅栅区周围复杂多变的应力均匀化，大幅度减轻甚至避免传感器的啁啾现象，提高复杂多变的应变的可检性、传感器检测的稳定性。因此实施例1和实施例2相较于对比实施例而言，整体的测试精度显著更优。
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 (23)

1.一种内植式光纤光栅传感器，其结构包括：复合材料基板、干态纤维布、高分子无纺布、纤维单向束、真空灌注的液态树脂及光纤光栅；
其中，复合材料基板位于整个内植式光纤光栅传感器的底部，作为光纤光栅传感器的载体；
干态纤维布作为覆盖层，位于整个内植式光纤光栅传感器的顶部；
干态纤维布和复合材料基板之间为包覆于纤维单向束内的光纤光栅和高分子无纺布，其中，高分子无纺布位于光纤光栅上下两侧；
复合材料基板与干态纤维布之间的区域内分布真空灌注的液态树脂，液态树脂固化之后，与上层干态纤维布以及底部复合材料基板形成强界面关系，组成完整的内植式光纤光栅传感器。
2.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述复合材料基板采用的复合材料为玻璃纤维/环氧树脂复合材料。
3.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述复合材料基板的厚度为0.125-0.25mm。
4.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅为光纤Bragg光栅，选自光纤光栅串和/或单栅区光纤光栅。
5.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述纤维单向束为玻璃纤维单向束，其直径与光纤光栅一致。
6.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述高分子无纺布为热塑性无纺布，选自尼龙无纺布和/或聚醚醚酮无纺布。
7.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述干态纤维布为干态玻璃纤维布。
8.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述干态纤维布设置至少1层。
9.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述干态纤维布设置为1-2层。
10.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述真空灌注的液态树脂为室温固化的液态环氧树脂。
11.根据权利要求10所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，液态环氧树脂与固化剂的比例为4-6:2-4。
12.根据权利要求1所述的内植式光纤光栅传感器，其特征在于，所述光纤光栅通过胶粘剂固定，使其在具有一定预应力的状态下粘贴于上下两层高分子无纺布之间，然后整体粘贴在复合材料基板上。
13.一种制备权利要求1至12中任一项所述的内植式光纤光栅传感器的方法，其包括：
制备预固化复合材料基板；
取内植式光纤光栅传感器的结构构件，按照预固化复合材料基板、高分子无纺布、光纤光栅、高分子无纺布、干态纤维布的顺序依次整齐铺放于刚性板状物上，其中，光纤光栅周围包覆有纤维单向束，并通过胶粘剂固定，使其在具有一定预应力的状态下粘贴于上下两层高分子无纺布之间，然后整体粘贴在复合材料基板上；
设置密闭空间，将各铺层密封在该空间内，采用真空灌注工艺将液态树脂灌注到密闭空间内，固化后脱模，即得内植式光纤光栅传感器。
14.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，所述刚性板状物为钢板。
15.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，在铺放过程中在干态纤维布的上层以及复合材料基板的下层放置脱模布。
16.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，所述预固化复合材料基板的预固化工艺条件为70-90℃，固化压力为0.5-0.8MPa，固化时间为10-20min。
17.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，所述预固化复合材料基板的固化度为5-10％。
18.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，所述预固化复合材料基板、干态纤维布以及高分子无纺布的尺寸相同。
19.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，所述密闭空间的设置包括：在预固化复合材料基板四周粘贴密封胶条，使密封胶条紧密粘合底部刚性板状物且形成一个密封胶条圈；在铺层最上方铺放高分子膜，使其覆盖各铺层并与密封胶条紧密接触，从而使底部刚性板状物、上层高分子膜与密封胶条圈之间形成一个密闭空间。
20.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，真空灌注过程中保持真空度为-0.1MPa。
21.根据权利要求13所述的制备内植式光纤光栅传感器的方法，其特征在于，所述液态树脂在进行真空灌注前进行脱泡处理，真空脱泡时间不超过15min。
22.一种制备权利要求1至12中任一项所述的内植式光纤光栅传感器的方法，其包括：
制备预固化复合材料基板，并准备脱模布；
脱模布根据其所在位置分为下脱模布和上脱模布，取内植式光纤光栅传感器的结构构件与脱模布按照下脱模布、预固化复合材料基板、高分子无纺布、光纤光栅、高分子无纺布、干态纤维布、上脱模布的顺序依次整齐铺放于刚性板状物上，其中，光纤光栅周围包覆有纤维单向束，在拉紧光纤光栅的状态下用胶粘剂粘贴在上下两层高分子无纺布之间，然后整体粘贴在复合材料基板上；
在预固化复合材料基板四周粘贴密封胶条，使密封胶条紧密粘合底部刚性板状物且形成一个密封胶条圈；将树脂注入管的一端固定在密封胶条圈上，端口深入密封胶条圈内进入密闭空间，另一端暂不处理，为自由端；将抽真空管的一端与缠绕管接触后固定在密封胶条圈上，端口深入密封胶条圈内进入密闭空间，另一端通过树脂收集容器连接真空泵；其中，缠绕管设置在抽真空管的前端，其促使真空辅助灌注的树脂顺利而均匀地从树脂导入端流到树脂导出端；
在铺层最上方铺放高分子膜，使其覆盖传感器各铺层构件并与密封胶条紧密接触，从而使底部刚性板状物、上层高分子膜与密封胶条圈之间形成一个密闭空间；
将树脂注入管的自由端暂时密闭，打开真空泵，检查装置的气密性；
然后将树脂注入管的自由端接通存放液态树脂的密闭容器内，在抽真空装置的作用下，将液态树脂注入真空密闭空间内，灌注结束后，固化脱模。
23.权利要求1至12中任一项所述的内植式光纤光栅传感器在风电叶片模具的制备过程中的应用。
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