CN111307325A - 增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，包括基座，其内布置光纤光栅温度补偿装置：泡沫芯材上下两端面各铺设四层玻纤布预浸料，在上面四层玻纤布预浸料之间、泡沫芯材与玻纤布预浸料之间分别埋设温度补偿光纤，三者通过固化成型工艺进行一体化成型，温度补偿光纤从玻纤布预浸料一侧引出，在玻纤布预浸料边缘处穿过套管，并在热缩套管内与跳线熔接相连，跳线端口连接转接头输入端口，转接头穿过基座前侧安装孔，并通过固定螺钉与基座连接，由此解决了复合材料不同铺层位置热应变差异，导致光纤光栅温度补偿传感器中心波长漂移差异问题，基座通过密封盖、内外定位环、预紧压块及密封件密封，提升防水密封效果。

Description

增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其是一种增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，具体应用于增强纤维复合材料船的结构健康监测中。
背景技术
随着复合材料在船舶领域的应用水平不断提高，船体复合材料在受载情况下其内部载荷传递规律、失效形式与结构健康长期监测受到普遍关注，光纤光栅应变传感器凭借其结构简单、无电磁干扰、耐腐蚀性和与树脂基体兼容性好等优势，通过将其埋入复合材料内部，实现在线监测复合材料使用过程中的结构应力、应变的方法，得到广泛应用。
但是由于光纤光栅传感器存在着较为严重温度-应变交叉敏感现象，需要人为采取光纤光栅传感器温度补偿技术来获得精确度较高的数据。当前最为常用的传感器温度补偿方法，是在用于测量指定物理量的光纤光栅附近添加一根光纤光栅作参考，即可使系统在测量应变的同时得到温度数据。在合理设计和布置双光纤光栅的基础上，利用双光纤光栅的反射波长差，对不同的温度下测量的应变值进行修正，从而达到温度补偿的效果。
由于船体监测部位的不同，为实现最佳应变测量效果，光纤光栅应变测量传感器埋入铺层位置有所不同，而玻璃纤维夹芯结构的不同玻纤布铺层间的热应变特征明显不同，传统方法采用一种铺层位置的温补光纤对不同铺层位置的应变测量光纤进行温度补偿，导致光纤光栅应变测量传感器与温度补偿传感器的中心波长漂移存在显著差异，导致温度补偿精度较低。此外，海洋工作环境恶劣，需要光纤光栅温度补偿装置拥有优良的防水密封和耐腐蚀性能，因此，如何在提升光纤光栅温度补偿精度的同时，解决温补装置的密封问题，是光纤光栅温度补偿装置在船体结构健康监测应用中需要解决的重要问题。
发明内容
本申请人针对上述现有生产技术中的缺点，提供一种增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，具体地是具有温度补偿与防水密封性能的基于泡沫夹芯复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，应用于增强纤维复合材料船的结构健康监测中，可以实现不同铺层位置的光纤光栅应变测量传感器的精确温度补偿，在提高温度补偿的精度和补偿光纤的存活率的同时，具有优良的防水密封性能。
本发明所采用的技术方案如下：
一种增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，包括基座，所述基座呈顶部开口的箱体结构，其内部安装光纤光栅温度补偿装置，箱体结构开口处的端面内圈设有内定位环，其外圈设有外定位环，在内定位环与外定位环之间形成的间隙内安装密封圈，密封圈与外定位环上方设置预紧压块，预紧压块上设有与外定位环配合的凹槽，外定位环的顶部嵌入所述凹槽内，预紧压块底面一侧和密封圈抵接，另一侧向下延伸并与基座接触，并在接触面上设置密封片；还包括密封盖，所述密封盖位于内定位环与预紧压块上方，将箱体结构的顶部开口封闭，密封盖通过固定螺栓与基座和外定位环连接；
所述光纤光栅温度补偿装置的结构包括泡沫芯材，泡沫芯材上下表面分别铺设四层玻纤布预浸料，位于上面的四层玻纤布预浸料之间、以及泡沫芯材上表面与玻纤布预浸料之间，分别埋设温度补偿光纤。
作为上述技术方案的进一步改进：
温度补偿光纤与泡沫芯材、玻纤布预浸料通过固化成型工艺进行一体化成型，温度补偿光纤从玻纤布预浸料长边一侧引出，在玻纤布预浸料边缘处穿过套管件，与跳线熔接相连，跳线端口连接转接头输入端口，基座前侧设有安装孔，转接头穿过安装孔与基座通过固定螺钉连接，转接头输出端口上安装保护盖。
温度补偿光纤在水平方向上等间距分布，间距为100mm。
温度补偿光纤在玻纤布预浸料边缘处穿过套管件，并在热缩套管内与跳线熔接相连，温度补偿光纤与跳线的熔接处通过热缩套管加热固定保护。
温度补偿光纤的光栅部位通过喷涂复合材料成型专用喷胶进行封装固定。
光纤光栅温度补偿装置采用的泡沫芯材、玻纤布预浸料和温度补偿光纤的材质型号、引出保护工艺和温度补偿对象完全一致。
所述套管件材质为聚酰亚胺。
密封圈、密封片、保护盖材质为弹性变形材料。
所述密封盖上端内表面与预紧压块上表面面贴合，密封盖凸台下表面与基座表面贴合，密封盖上表面设置十二个螺纹孔，基座四角分别设置四个螺纹孔；所述内定位环与外定位环的下表面通过金属胶粘接固定在基座上，外定位环四角设置八个螺纹孔；
所述预紧压块的两个下表面分别与密封圈、基座表面贴合；所述密封片上表面与预紧压块下表面通过有机胶水粘接固定；
所述光纤光栅温度补偿装置与基座通过有机胶水粘接固定。
所述密封圈横截面为圆。
本发明的有益效果如下：
本发明在玻璃纤维夹芯复合材料(玻纤布预浸料)不同铺层位置铺设温度补偿光纤，可以对复合材料船体不同铺层位置的应变监测进行实时温度补偿的同时，解决了玻璃纤维夹芯复合材料不同铺层位置的热应变差异导致的光纤光栅温度补偿传感器中心波长漂移差异问题，提升了温度补偿精度。
同时，本发明将温度补偿光纤引出端与转接头进行封装设计，采用热缩套管对光纤与跳线熔接处进行保护，并应用保温隔振材料对玻璃纤维夹芯结构进行保护，提升了布线与长期监测过程中温度补偿光纤光栅的存活率。
通过将光纤光栅温度补偿装置置于由基座内，内、外定位环，预紧压块，密封盖形成的密闭空间内，再由受预压力密封圈对预紧压块向上的反作用力，进而使预紧压块外侧向下与基座密封面紧密接触，对光纤光栅温度补偿装置进行防水密封，使得本发明在解决光纤光栅温度补偿精度与光纤存活率问题的基础上，提升了温度补偿装置的防水密封性能。
附图说明
图1为本发明的爆炸图。
图2为本发明的剖视图。
图3为图2的局部放大图。
图4为本发明光纤光栅温度补偿装置的结构示意图。
图5的本发明光纤光栅温度补偿装置的的爆炸图。
图中：1、基座；2、内定位环；3、外定位环；4、密封圈；5、预紧压块；6、密封片；7、密封盖；8、固定螺栓；9、光纤光栅温度补偿装置；10、泡沫芯材；11、玻纤布预浸料；12、温度补偿光纤；13、套管件；14、热缩套管；15、跳线；16、转接头；18、保护盖。
具体实施方式
下面结合附图，说明本发明的具体实施方式。
如图1-图3所示，本实施例的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，包括基座1，基座1呈顶部开口的箱体结构，其内部安装光纤光栅温度补偿装置9，箱体结构开口处的端面内圈设有内定位环2，其外圈设有外定位环3，在内定位环2与外定位环3之间形成的间隙内安装密封圈4，密封圈4与外定位环3上方设置预紧压块5，预紧压块5上设有与外定位环3配合的凹槽，外定位环3的顶部嵌入凹槽内，预紧压块5的底面一侧和密封圈4抵接，另一侧向下延伸并与基座1接触，并在接触面上设置密封片；还包括密封盖7，密封盖7位于内定位环2与预紧压块5上方，将箱体结构的顶部开口封闭，密封盖7通过固定螺栓8与基座1和外定位环3连接。
如图4和图5所示，光纤光栅温度补偿装置9的结构包括泡沫芯材10，泡沫芯材10上下表面分别铺设四层玻纤布预浸料11，位于上面的四层玻纤布预浸料11之间、以及泡沫芯材10上表面与玻纤布预浸料11之间，分别埋设温度补偿光纤12；温度补偿光纤12与泡沫芯材10、玻纤布预浸料11通过固化成型工艺进行一体化成型，温度补偿光纤12从玻纤布预浸料11长边一侧引出，在玻纤布预浸料11边缘处穿过套管件13，与跳线15熔接相连，跳线15端口连接转接头16输入端口，基座1前侧设有安装孔，转接头16穿过安装孔与基座1通过固定螺钉连接，转接头16输出端口上安装保护盖18。
温度补偿光纤12在水平方向上等间距分布，间距为100mm。
温度补偿光纤12在玻纤布预浸料11边缘处穿过套管件13，并在热缩套管14内与跳线15熔接相连，温度补偿光纤12与跳线15的熔接处通过热缩套管14加热固定保护。
温度补偿光纤12的光栅部位通过喷涂复合材料成型专用喷胶进行封装固定。
光纤光栅温度补偿装置9采用的泡沫芯材10、玻纤布预浸料11和温度补偿光纤12的材质型号、引出保护工艺和温度补偿对象完全一致。
套管件13材质为聚酰亚胺。
密封圈4、密封片6、保护盖18材质为弹性变形材料。
密封盖7上端内表面与预紧压块5上表面面贴合，密封盖7凸台下表面与基座1表面贴合，密封盖7上表面设置十二个螺纹孔，基座1四角分别设置四个螺纹孔；内定位环2与外定位环3的下表面通过金属胶粘接固定在基座1上，外定位环3四角设置八个螺纹孔；
预紧压块5的两个下表面分别与密封圈4、基座1表面贴合；密封片6上表面与预紧压块5下表面通过有机胶水粘接固定；
光纤光栅温度补偿装置9与基座1通过有机胶水粘接固定。
密封圈4横截面为圆。
本实施例中的光纤光栅温度补偿装置9采用的泡沫芯材10、玻纤布预浸料11和温度补偿光纤12的材质型号、引出保护工艺和温度补偿对象完全一致。降低了由以上因素差异导致的温度补偿光纤中心波长测量误差，提升了温度补偿精度。
本实施例可以在船体结构监测中对特定铺层位置的光纤光栅应变传感器采用相同铺层位置的光线光栅温度补偿传感器，解决了应变监测光纤与温度补偿光纤在不同铺设位置产生的热应变差异，进而导致的光纤光栅温度补偿传感器中心波长漂移差异问题，提升了温度补偿精度和温度补偿装置通用型，且可以对多个不同铺层位置的光纤光栅应变传感器同时进行温度补偿。
本实施例中的四个温度补偿光纤12在竖直方向不在一条直线，在水平方向上等间距分布，间距为100mm。可以降低不同铺设位置的光纤光栅间的相互影响，提升补偿精度。
本实施例将温度补偿光纤12引出端与跳线15熔接处通过热缩套管14加热固定保护，降低熔接处受外界应力影响，极大提升了布线与长期监测过程中温度补偿光纤光栅的存活率。并采用转接头16作为温度补偿光纤12输出端与光纤光栅解调仪输入端口的连接装置，转接头16穿过安装孔与基座1通过螺钉固定，进一步提升了光纤光栅温度补偿信号传输的稳定性。
本实施例在安装过程中，基座1上部安装的内定位环2与外定位环3，在内定位环2与外定位环3之间形成的间隙内安装密封圈4，预紧压块5通过凹槽支撑在外定位环3上，位于凹槽两侧的预紧压块5底面分别与密封圈4和基座1贴合，密封盖7内表面与预紧压块5贴合，并通过螺栓与基座1和外定位环3连接固定。利用受预压力密封圈4对预紧压块5向上的反作用力，进而使预紧压块5外侧受到向下作用力，并通过密封片6与基座1密封面紧密接触，使光纤光栅温度补偿装置9处于密闭空间内，进而使得本发明在解决光纤光栅温度补偿精度与光纤存活率问题的基础上，提升了温度补偿装置的防水密封性能。
其中，密封盖7通过螺栓与外定位环3和基座1固定连接，使密封圈4处于压缩状态，预紧压块5由于受到密封圈4向上的作用力使另一端产生向下作用力，使密封片6与基座1密封面紧密接触，进行防水密封，提升了温度补偿装置的防水密封效果。
以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在本发明的保护范围之内，可以作任何形式的修改。

Claims (10)

1.一种增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：包括基座(1)，所述基座(1)呈顶部开口的箱体结构，其内部安装光纤光栅温度补偿装置(9)，箱体结构开口处的端面内圈设有内定位环(2)，其外圈设有外定位环(3)，在内定位环(2)与外定位环(3)之间形成的间隙内安装密封圈(4)，密封圈(4)与外定位环(3)上方设置预紧压块(5)，预紧压块(5)上设有与外定位环(3)配合的凹槽，外定位环(3)的顶部嵌入所述凹槽内，预紧压块(5)的底面一侧和密封圈(4)抵接，另一侧向下延伸并与基座(1)接触，并在接触面上设置密封片(6)；
还包括密封盖(7)，所述密封盖(7)位于内定位环(2)与预紧压块(5)上方，将箱体结构的顶部开口封闭，密封盖(7)通过固定螺栓(8)与基座(1)和外定位环(3)连接。
所述光纤光栅温度补偿装置(9)的结构包括泡沫芯材(10)，泡沫芯材(10)上下表面分别铺设四层玻纤布预浸料(11)，位于上面的四层玻纤布预浸料(11)之间、以及泡沫芯材(10)上表面与玻纤布预浸料(11)之间，分别埋设温度补偿光纤(12)。
2.如权利要求1所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：温度补偿光纤(12)与泡沫芯材(10)、玻纤布预浸料(11)通过固化成型工艺进行一体化成型，温度补偿光纤(12)从玻纤布预浸料(11)长边一侧引出，在玻纤布预浸料(11)边缘处穿过套管件(13)，与跳线(15)熔接相连，跳线(15)端口连接转接头(16)输入端口，基座(1)前侧设有安装孔，转接头(16)穿过安装孔与基座(1)通过固定螺钉连接，转接头(16)输出端口上安装保护盖(18)。
3.如权利要求2所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：温度补偿光纤(12)在水平方向上等间距分布，间距为100mm。
4.如权利要求2所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：温度补偿光纤(12)在玻纤布预浸料(11)边缘处穿过套管件(13)，并在热缩套管(14)内与跳线(15)熔接相连，温度补偿光纤(12)与跳线(15)的熔接处通过热缩套管(14)加热固定保护。
5.如权利要求2所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：温度补偿光纤(12)的光栅部位通过喷涂复合材料成型专用喷胶进行封装固定。
6.如权利要求2所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：光纤光栅温度补偿装置(9)采用的泡沫芯材(10)、玻纤布预浸料(11)和温度补偿光纤(12)的材质型号、引出保护工艺和温度补偿对象完全一致。
7.如权利要求2所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：所述套管件(13)材质为聚酰亚胺。
8.如权利要求2所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：密封圈(4)、密封片(6)、保护盖(18)材质为弹性变形材料。
9.如权利要求1所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：所述密封盖(7)上端内表面与预紧压块(5)上表面贴合，密封盖(7)凸台下表面与基座(1)表面贴合，密封盖(7)上表面设置十二个螺纹孔，基座(1)四角分别设置四个螺纹孔；
所述内定位环(2)与外定位环(3)的下表面通过金属胶粘接固定在基座(1)上，外定位环(3)四角设置八个螺纹孔；
所述预紧压块(5)的两个下表面分别与密封圈(4)、基座(1)表面贴合；所述密封片(6)上表面与预紧压块(5)下表面通过有机胶水粘接固定；
所述光纤光栅温度补偿装置(9)与基座(1)通过有机胶水粘接固定。
10.如权利要求1所述的增强纤维复合材料光纤光栅应变传感器的温度补偿装置，其特征在于：所述密封圈(4)横截面为圆。
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