CN113155162B - 埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法，用于埋入式光纤光栅复合材料环形构件的残余应力实时监测。方法实施需应用光纤测试传感器、光纤温度传感器、热压罐、光纤导出口、CCD解调仪，计算机及上位机解调软件。通过在复合材料环形构件中埋入光纤光栅，将光纤的另一端从热压罐的光纤导出口中引出，并将其连接到CCD解调仪，在上位机实时监测复合材料环形构件的固化成型状况。本发明还涉及一种复合材料环形构件的表面引出保护，通过在光纤引出部分套上耐高温的四氟毛细管，同时在四氟毛细管的两端涂上密封胶，防止碳纤维预浸料在热压成型过程中流进四氟毛细管内，从而达到保护光纤的效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法，具体地说是一种复合材料的热压固化监测方法。
背景技术
随着先进复合材料成型工艺及相关技术的不断提高，以及成本的逐渐降低，复合材料在飞机结构上的应用已经越来越多，成为了必然的发展趋势，将取代金属成为大型飞机复合材料环形构件结构的主体材料。树脂基复合材料的性能在很大程度上取决于复合材料的成型工艺，而在成型工艺中最重要的一个环节就是树脂的固化过程，碳纤维复合材料在固化过程中产生的残余应力会严重影响材料的使用，并且会带来安全隐患，如果能对固化过程中材料内部的温度、压力、应力及应变等各方面的信息进行采集，实现对复合材料成型过程的实时监测，即可控制复合材料成型后的产品质量，以达到高质量均一的复合材料，提高复合材料产品的性能。早期人们就在考虑研究树脂基复合材料的固化过程，其中包括动态差示扫描量热法、介电法、动态弹簧法(DSC)以及红外频谱法等各种方法，但由于这些方法不仅测量精度低、成本高，且仅仅只能对小型的产品进行离线测量，因此，在实际生产中不能得到广泛的应用。
与传统固化监测传感器相比，光纤传感器体积小，灵敏度高，可以方便的埋入预浸料或纤维中，测量其固化过程中的各项参数，且光纤对成型后复合材料的力学性能基本没有影响，具有明显的优势。不同机理的光纤传感器，有不同的固化监测原理，用于树脂基复合材料固化过程监测的主要有以下几种：光纤折射率传感器、红外吸收光谱光纤传感器、光纤微弯传感器、光纤Bragg光栅传感器、光纤Fabry-Perot传感器。
上述各种传感器虽然均能监测树脂基复合材料固化成型过程，但各有其弱点，比如光纤折射率传感器监测复合材料固化过程的整个体系结构简单，成本较低，十分适合在工程现场应用，但其只能定性获得固化信息的特点，限制了它更深入的应用。光纤微弯传感器适用于复合材料的热压成型工艺，传感器结构简单，仪器设备也较为简单，较高的测量重复性，适于工业现场的应用；基于树脂红外吸收光谱分析的光纤红外传输谱传感器可以检测固化化学反应的直接信息，并且可以排除温度、压力等因素的影响，但其无法检测非化学反应因素如树脂流动对复合材料固化的影响，并且光谱分析设备价格高昂；而光纤Bragg光栅传感器被认为是最有发展前途的传感器，它测量精度高，经过改进后能够测量三维应变，是大型复合材料热压成型工艺实时在线监测的最佳方案之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明是提出一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法，与传统固化监测传感器相比，光纤传感器体积小，灵敏度高，可以方便地埋入预浸料或纤维中，测量其固化过程中的各项参数，具有明显的优势，采用本监测系统可实现对复合材料环形构件的固化成型过程的实时在线监测，获得复合材料环形构件构件的残余应力变化情况，防止安全隐患的发生。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法，包括：
将复合材料环形构件置于一热压罐内，光纤测试传感器和光纤温度传感器穿设于所述光栅光纤上，光纤测试传感器设置于复合材料环形构件的外侧边缘，光纤温度传感器在热压罐内悬空设置，将光纤光栅一端埋入于复合材料环形构件；
在复合材料环形构件的表面引出部分套上耐高温的四氟毛细管，同时在四氟毛细管的两端涂上密封胶；
将光纤光栅另一端从热压罐的上设置的光纤导出口引出，并连接到CCD解调仪的输入接口；
通过上位机从CCD解调仪拾取光纤测试传感器和光纤温度传感器的中心波长偏移情况，实时监测复合材料环形构件的固化成型情况。
其中，光纤温度传感器包括金属毛细管和密封胶，金属毛细管套置于光栅光纤上，两端通过密封胶进行封闭。
其中，光栅光纤从复合材料环形构件的引出方式为表面引出。
其中，设置耐高温四氟毛细管的内径为0.3mm，外径为0.6mm。
其中，密封胶为耐高温卡夫特有机硅密封胶。
其中，CCD解调仪拾取到光纤测试传感器和光纤温度传感器的中心波长偏移量，并从光纤测试传感器中提取出光纤温度传感器的中心波长偏移量，进行中心波长漂移量和残余应力信号的转换，实时监测复合材料环形构件的固化成型情况。
其中，设置金属毛细管的内径为0.5mm，外径为0.7mm。
区别于现有技术，本发明提供的埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法，将光纤测试传感器和光纤温度传感器，组成一个有机的网络，具有成本低，不受电磁干扰，能监测结构内部变化，实现复合材料结构的实时健康监测等优点，成功地解决了复合材料环形构件在热压固化成型过程中残余应力的监测，通过将光纤布拉格光栅埋入复合材料环形构件内部，实时监测复合材料环形构件在热压成型时树脂固化过程中的温度、应力等因素的变化，对这些条件的监测，可以控制产品质量，保证产品质量的均一性。
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埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法的流程示意图。
图2是本发明提供的一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法的实施示意图。
图3是本发明提供的一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法的复合材料环形构件的设置示意图。
图4是本发明提供的一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法中光纤温度传感器的设置示意图。
图中标号：1、热压罐，2、复合材料环形构件，3、光纤测试传感器，4、光线温度传感器，5、光纤导出口，6、金属毛细管，7、四氟毛细管，8、CCD解调仪，9、计算机，10、密封胶。
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，本发明提供了一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法，包括：
将复合材料环形构件2置于一热压罐1内，光纤测试传感器3和光纤温度传感器4穿设于所述光栅光纤上，光纤测试传感器3设置于复合材料环形构件2的外侧边缘，光纤温度传感器4在热压罐1内悬空设置，将光纤光栅一端埋入于复合材料环形构件2；其埋入光栅的数量视复合材料环形构件2的大小而定。
在复合材料环形构件2的表面引出部分套上耐高温的四氟毛细管7，同时在四氟毛细管7的两端涂上密封胶10；
将光纤光栅另一端从热压罐1的上设置的光纤导出口5引出，并连接到CCD解调仪8的输入接口；
通过上位机9从CCD解调仪8拾取光纤测试传感器3和光纤温度传感器4的中心波长偏移情况，实时监测复合材料环形构件2的固化成型情况。
其中，光纤温度传感器4包括金属毛细管6和密封胶10，金属毛细管6套置于光栅光纤上，两端通过密封胶10进行封闭。
如图3所示，光栅光纤从复合材料环形构件2的引出方式为表面引出。
由于复合材料热压成型时材料内树脂会沿光纤流出粘在光纤上，固化后使光纤变脆易断，需要在端面进行引出保护，其具体保护方式为在接头套上一层耐高温的四氟毛细管7，尺寸为内径0.3mm，外径0.6mm，为防止树脂流进四氟毛细管内，在保护套管的两端使用密封胶10将端口密封。
其中，密封胶10为耐高温卡夫特有机硅密封胶。
其中，CCD解调仪8拾取到光纤测试传感器3和光纤温度传感器4的中心波长偏移量，并从光纤测试传感器3中提取出光纤温度传感器4的中心波长偏移量，进行中心波长漂移量和残余应力信号的转换，实时监测复合材料环形构件2的固化成型情况。
其中，设置金属毛细管6的内径为0.5mm，外径为0.7mm。
本发明采用光纤测试传感器3与光纤温度传感器4相结合构成的传感网络，通过CCD解调仪8拾取到光纤中心波长偏移量，然后将实时记录的数据传至上位机解调软件，从而实现对复合材料环形构件构件热压成型过程的实时在线监测。
光纤温度传感器4仅有一个光纤光栅测点，用于测试热压罐1内的温度变化引起的光纤光栅中心波长的实时偏移量，热压罐1内不同位置的温度恒定不变；所述的光纤测试传感器3的光纤光栅测点的个数视复合材料环形构件构件的大小而定，其光栅埋入于待测机匣构件的不同位置，获得测点的波长实时偏移量，以监测机匣构件不同位置的热压成型状况。
如图4所示，光纤温度传感器4应悬空放置，其中心波长偏移量的变化应仅由温度的改变引起，由于热压罐1内不同位置都受压力的影响，因此光纤温度传感器4应使用金属套管6保护，光纤温度传感器4完全不受压力的影响。
光纤测试传感器3的波长偏移量同时受温度和应变的交叉影响，要通过光纤测试传感器3的波长实时偏移量监测机匣构件的热压成型状况，就必须滤除掉温度对光纤测试传感器3的影响。由于热压罐1内不同位置的温度恒定不变，因此温度的变化所引起的光纤温度传感器4和光纤测试传感器3的波长偏移量相同，滤除掉温度的变化引起的波长偏移量，获得仅由残余应力引起的波长偏移量。
将光纤温度传感器4和光纤测试传感器3通过热压罐1的光纤导出口5将光纤的另一端连接到CCD解调仪8的输入端口，分别拾取到光纤温度传感器4和光纤测试传感器3的中心波长实时偏移量，并由上位机解调软件计算两传感器中心波长之间的差值，获得仅由复合材料环形构件2热压固化成型过程中产生残余应力引起测试传感器3的中心波长偏移量，再将应变引起的中心波长偏移量与应变值转换，从而实现复合材料环形构件构件热压成型过程中的实时在线监测。
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 (1)
1.一种埋入式光纤光栅复合材料环形构件的热压成型监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将复合材料环形构件（2）置于一热压罐（1）内，光纤测试传感器（3）和光纤温度传感器（4）穿设于所述光栅光纤上，光纤测试传感器（3）设置于复合材料环形构件（2）的外侧边缘，光纤温度传感器（4）在热压罐（1）内悬空设置，将光纤光栅一端埋入于复合材料环形构件（2）；
在复合材料环形构件（2）的表面引出部分套上耐高温的四氟毛细管（7），同时在四氟毛细管（7）的两端涂上密封胶（10）；
将光纤光栅另一端从热压罐（1）的上设置的光纤导出口（5）引出，并连接到CCD解调仪（8）的输入接口；
通过上位机（9）从CCD解调仪（8）拾取光纤测试传感器（3）和光纤温度传感器（4）的中心波长偏移情况，实时监测复合材料环形构件的固化成型情况；
光纤温度传感器（4）包括金属毛细管（6）和密封胶（10），金属毛细管（6）套置于光栅光纤上，两端通过密封胶（10）进行封闭；
光栅光纤从复合材料环形构件（2）的引出方式为表面引出；设置耐高温四氟毛细管（7）的内径为0.3mm，外径为0.6mm；密封胶（10）为耐高温卡夫特有机硅密封胶；
CCD解调仪（8）拾取到光纤测试传感器（3）和光纤温度传感器（4）的中心波长偏移量，并从光纤测试传感器（3）中提取出光纤温度传感器（4）的中心波长偏移量，进行中心波长漂移量和残余应力信号的转换，实时监测复合材料环形构件（2）的固化成型情况；设置金属毛细管（6）的内径为0.5mm，外径为0.7mm。
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