CN113029020A - 一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法 - Google Patents

一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，特别是对埋入光纤Bragg光栅的0°/60°/‑60°铺层的碳纤维复合材料板的振动信号的监测方法。首先，将已经埋入光纤光栅的复合材料板划分区域，进行冲击实验，收集各区域的光纤波长漂移数据；其次，将埋入光纤光栅标定，将波长漂移数据转化为应变数据；接着，将获得的应变信号经验模态分解(EMD)分解，得到内涵模态分量(IMF)；最后，信号重构后再进行相关性分析等。本发明基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷方法，利用EMD分解后的应变信号进行相关性分析并结合BP神经网络算法提出了一种基于光纤光栅传感的复合材料板冲击载荷定位方法，提高了计算速度，同时获得了较高的定位精度。

Description

一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法
技术领域
本发明涉及一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，具体地说是一种光纤监测方法。
背景技术
伴随着碳纤维复合材料应用领域的开发，树脂基碳纤维复合材料环形构件既能使该材料的减重优势得以充分发挥，也能有效提高叶片撞击构件后的包容率。目前，环形构件工作状况的实时监测技术还存在着不少问题需要解决，环形构件的振动类似圆柱壳，呈现轴向或周向波节振动模式，而激起构件振动的激振源类型一般有气体激振，结构激振，噪声激振等，传统的监测方法采用贴在环形构件表面的形式，在构件实际工作中能否稳定工作仍是未知数；并且由于环形构件构件尺寸较大，传统监测技术无法实现对环向各个方向的监测，所以寻求一种方法对复合材料进行实时监测是非常必要的。
目前，环形构件监测方法有以下几种：
吴宏春(吴宏春等，航空发动机机匣裂纹故障诊断研究，燃气涡轮试验与研究，2017,第30卷(5):42-46)提出了一种贴应变计的监测方法，沿发动机机匣环形构件轴向四个截面共粘贴了40片应变计以检测机匣的动应力；但该方法不能对构件进行长期在线监测，并且仅能检测构件的共振频率与最大应力，无法对振动模态有更详细的分析。
周俊(周俊等，航空发动机在线振动监测系统的开发，计算机测量与控制，2015,23(11):3599-3602)提出了一种基于压电式加速度传感器和电涡流传感器的环形构件监测方法，传感器布置在航空发动机上，获取航空发动机的振动信号和转速信号，但该方法传感器布置位置有局限性，仅能在各个轴承座水平和垂直方向安装传感器，无法对环形构件周身状况进行监测。同时新型树脂基复合材料环形构件无轴承座，该安装方法失效。
目前，有关环形构件的监测方面的文献较少，现有的监测方法主要采用贴应变计以及采用电类传感器的方法进行监测，这两种方法均存在安装位置受限，无法在构件翻边部位等受应力集中的重点区域进行监测的缺点，且采用多点测量时组网困难，使得信号的处理受限，并且在实际工况中的监测能力有限，无法进行长时间实时在线监测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明将现有复合材料环形构件的制备技术与新型光纤传感信息处理技术相结合，提出一种基于光纤传感的智能复合材料环形构件的制备与监测方法。采用本监测方法可实现环形构件在工作过程中的实时在线监测，提高环形构件工作状态监测水平，并及时进行危险预警，实现对复合材料环形构件长期应用过程的材料健康状况的在线监测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，包括：
将光纤光栅传感阵列连续刻写在同一根光纤中，光栅的长度为1～5mm，每间隔0.5m刻写一个不同波长的光纤布拉格光栅，相邻光栅的波长间隔为4～8nm；
将碳纤维预浸料装入自动铺丝机的环形构件模具，通过自动铺丝机进行环形构件的铺丝制备工艺，并在制备至预计埋入层时暂停铺丝；
在环形构件埋入层的预计监测位置进行光纤埋入操作的准备，将刻写好的光纤光栅传感阵列两端通过张力加载机构将光纤张紧，完成对光纤的预拉；
继续铺丝工艺，控制引出部位套管从铺丝间隔处穿出，直至完成铺丝工艺；
进行后续制备工艺完成智能复合材料环形构件的制备，将成型后的环形构件构件光纤引出头接入分析解调系统，分析构件的动态特性。
其中，光纤光栅传感阵列为基于波分复用的聚酰亚胺涂敷层分布式光纤光栅传感阵列。
其中，铺丝制备工艺中的预计埋入层为浅层埋入，在铺丝工艺中距铺丝完成还有10层碳纤维层时进行埋入操作。
其中，预计监测位置包括构件后期成型工艺中的翻边位置及中间部分典型位置；埋入操作准备包括对张力加载机构的架设和高度调整、光纤光栅阵列的铺设摆放。
其中，在完成对光纤预拉的步骤之后，还包括对预计引出位置处的光纤进行引出保护措施；
其中，引出保护方式为表面引出，将5-10cm耐高温聚四氟乙烯PTFE套管套入引出部位光纤，确定好位置后在套管两端点上703硅橡胶进行密封，用于保护光纤引出部位，使其不会因构件成型过程树脂流动导致光纤变脆或其他外力作用而发生断裂失活。
其中，在分析构件的动态特性的步骤中，对结构的应变响应进行测量，通过频谱分析得到被测结构的应变响应函数，然后由参数识别得到结构的固有频率、阻尼比和应变振型，进而获得反映结构振动时的应变分布规律。
区别于现有技术，本发明提供的基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，制备的智能环形构件，其埋入的光纤长度可通过具体构件的型号自行调整，光栅个数可依据监测需求进行调整，与不同环形构件的匹配适应度高；光纤光栅在经过铺丝机进行铺丝工艺后仍能继续工作，表层埋入对构件整体性能影响很小，并且光纤光栅传感阵列具有测量精度高、响应快、抗干扰能力强、可分布式测量等优点，能够准确响应环形构件在工作过程中的应力应变及其动态特性；光纤光栅传感器将采用自补偿的方式封装后再埋入树脂基复合材料中，通过交叉敏感问题的解决方法对波长变化量的调节，即可消除温度对监测过程中应变与振动信号的影响。光纤光栅阵列嵌入环形构件树脂基复合材料预浸料并自动铺丝成型，可以实时监测其在不同运行工况下的应力和振动信息，当外界环境变化或者发生突发状况时，能进行及时探测和预警。另外还可以对复合材料内部结构进行终生“健康”在线监测。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明提供的一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法实施的结构示意图。
图3是本发明提供的一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法中光纤埋入位置的抛视图。
图中标号：1.光纤光栅阵列；2.环形构件模具；3.聚四氟乙烯PTFE套管；4.703密封硅橡胶；5.碳纤维预浸料。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1和图2所示，本发明提供了一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，包括：
将光纤光栅传感阵列1连续刻写在同一根光纤中，光栅的长度为1～5mm，每间隔0.5m刻写一个不同波长的光纤布拉格光栅，相邻光栅的波长间隔为4～8nm；
将碳纤维预浸料5装入自动铺丝机的环形构件模具2，制备环形构建，通过自动铺丝机进行环形构件的铺丝制备工艺，并在制备至预计埋入层时暂停铺丝；
在环形构件埋入层的预计监测位置进行光纤埋入操作的准备，将刻写好的光纤光栅传感阵列两端通过张力加载机构将光纤张紧，完成对光纤的预拉；
继续铺丝工艺，控制引出部位套管从铺丝间隔处穿出，直至完成铺丝工艺；
进行后续制备工艺完成智能复合材料环形构件的制备，将成型后的环形构件构件光纤引出头接入分析解调系统，分析构件的动态特性。
其中，光纤光栅传感阵列为基于波分复用的聚酰亚胺涂敷层分布式光纤光栅传感阵列。
其中，铺丝制备工艺中的预计埋入层为浅层埋入，在铺丝工艺中距铺丝完成还有10层碳纤维层时进行埋入操作。埋入位置的俯视图如图3所示。
埋入位置为环形构件上下翻边部位各缠绕一圈，主要用于监测翻边位置；构件中间与叶片装配位置等需要重点监测的部位，在其外圈部分缠绕一圈，主要用于监测构件的应力应变与动态特性。
其中，预计监测位置包括构件后期成型工艺中的翻边位置及中间部分典型位置；埋入操作准备包括对张力加载机构的架设和高度调整、光纤光栅阵列的铺设摆放。
其中，在完成对光纤预拉的步骤之后，还包括对预计引出位置处的光纤进行引出保护措施；
其中，引出保护方式为表面引出，将5-10cm耐高温聚四氟乙烯PTFE套管4套入引出部位光纤，确定好位置后在套管两端点上703硅橡胶4进行密封，其作用在于：在成型时，复合材料内的树脂会沿保护管流出，固化后粘在保护管上，使保护管变脆而易断裂，故在套管两侧用耐高温密封硅橡胶将套管与预浸料隔离；在成型后，套管可避免光纤因发生弯折承受剪力而断裂。将该保护方式的光纤埋入复合材料中，能完好成活，并且该法可以保持光纤光路平直，减小传输过程中的损耗。
后续制备工艺包括利用模具制备环形构件的翻边结构等，该翻边结构由于与构件包容部分存在近90°翻折角度，故非常容易引起应力集中，传统的电类传感器由于在夹角位置粘贴不便，无法对该位置进行监测。而基于埋入式光纤光栅的智能环形构件构件可通过控制本制备方法中步骤3)所述的埋入位置，在进行翻边后使光纤光栅传感阵列处于翻折角度内部，从而达到对该位置应力变化情况的监测。
考虑到光纤光栅传感器温度、应变的交叉敏感问题，可在光线引出头外侧外接一温度补偿光栅，通过感测温度对波长变化量的调节，即可得出由应变引起的波长漂移量，从而实现环形构件工作过程中应变及动态特性的在线监测。
其中，在分析构件的动态特性的步骤中，对结构的应变响应进行测量，通过频谱分析得到被测结构的应变响应函数，然后由参数识别得到结构的固有频率、阻尼比和应变振型，进而获得反映结构振动时的应变分布规律。
本发明的工作原理：
智能环形构件成型后，埋入的光纤光栅传感阵列在构件的应变随时间改变时，光纤光栅应变传感器处于动态工作状态，通过光纤引出头将传输信号传入解调设备及上位软件中，对结构的应变响应进行测量，通过频谱分析得到被测结构的应变响应函数，然后由参数识别得到结构的固有频率、阻尼比和应变振型，进而获得反映结构振动时的应变分布规律，当外界环境变化或者发生突发状况时，能进行及时探测和预警，另外还可以对复合材料内部结构进行终生“健康”在线监测。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (6)

1.一种基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将光纤光栅传感阵列连续刻写在同一根光纤中，光栅的长度为1～5mm，每间隔0.5m刻写一个不同波长的光纤布拉格光栅，相邻光栅的波长间隔为4～8nm；
将碳纤维预浸料装入自动铺丝机的环形构件模具，通过自动铺丝机进行环形构件的铺丝制备工艺，并在制备至预计埋入层时暂停铺丝；
在环形构件埋入层的预计监测位置进行光纤埋入操作的准备，将刻写好的光纤光栅传感阵列两端通过张力加载机构将光纤张紧，完成对光纤的预拉；
继续铺丝工艺，控制引出部位套管从铺丝间隔处穿出，直至完成铺丝工艺；
进行后续制备工艺完成智能复合材料环形构件的制备，将成型后的环形构件构件光纤引出头接入分析解调系统，分析构件的动态特性。
2.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，其特征在于，光纤光栅传感阵列为基于波分复用的聚酰亚胺涂敷层分布式光纤光栅传感阵列。
3.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，其特征在于，铺丝制备工艺中的预计埋入层为浅层埋入，在铺丝工艺中距铺丝完成还有10层碳纤维层时进行埋入操作。
4.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，其特征在于，预计监测位置包括构件后期成型工艺中的翻边位置及中间部分典型位置；埋入操作准备包括对张力加载机构的架设和高度调整、光纤光栅阵列的铺设摆放。
5.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，其特征在于，在完成对光纤预拉的步骤之后，还包括对预计引出位置处的光纤进行引出保护措施；
其中，引出保护方式为表面引出，将5-10cm耐高温聚四氟乙烯PTFE套管套入引出部位光纤，确定好位置后在套管两端点上703硅橡胶进行密封，用于保护光纤引出部位，使其不会因构件成型过程树脂流动导致光纤变脆或其他外力作用而发生断裂失活。
6.根据权利要求1所述的基于埋入式光纤光栅的环形构件制备与监测方法，其特征在于，在分析构件的动态特性的步骤中，对结构的应变响应进行测量，通过频谱分析得到被测结构的应变响应函数，然后由参数识别得到结构的固有频率、阻尼比和应变振型，进而获得反映结构振动时的应变分布规律。
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