CN1148170A

CN1148170A - 树脂基复合材料固化过程的光纤实时监测方法及系统

Info

Publication number: CN1148170A
Application number: CN95112818A
Authority: CN
Inventors: 骆飞; 刘晶元
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 1997-04-23

Abstract

一种树脂基复合材料固化过程的光纤实时监测方法及系统属复合材料固化过程的实时监控技术。它是将去除包层的传感光纤直接埋入待测复合材料构件中，使光纤的传感区域与复合材料中的固化树脂形成界面，通过探测复合材料在固化过程中树脂的折射率和粘度的变化引起光纤中传输信号的变化来实现对复合材料的固化状态进行实时监测，本方法所涉及的实时监测系统由光源，传感光纤，光电检测系统和计算机处理系统四部分组成。

Description

树脂基复合材料固化过程的光纤实时监测方法及系统

本发明的树脂基复合材料固化过程的光纤实时监测方法及系统属复合材料固化过程的实时监测技术。

复合材料构件以其高比强度和比模量等优越性，在现代工程结构的应用中占有越来越重要的地位。特别是在航空航天领域，复合材料已大量地应用于机身、机翼以及其它空间运载工具和卫星上。但由于复合材料本身的力学性能复杂，其材料性与固化过程有很大关系，存在着构件成品质量分散性较大等问题，因此，为了获得高质量的复合材料构件，对其固化过程的实时监控就显得非常重要了。

目前国内外已开发或正在研究的固化监测方法有，介电常数法、热分析法、光谱分析法、涡流检测法、超声波探测及光纤传感技术等。但这些方法中，有些只能用于实验室的分析，有些需要进行繁杂的校验，有些尚难以确定信号与复合材料固化状态间的关系特性，且易受各种外界因素的干扰，在应用光纤传感技术对复合材料固化监测的研究方面，已报道的有，采用光纤光谱分析技术，光纤荧光测定方法和树脂光纤传感方法等。其中，光纤、光谱分析技术，是通过分析复合材料在固化过程中对光纤中传输光光谱的影响而评估其固化状态，需要使用复杂昂贵的傅里叶光谱分析系统；光纤荧光测定方法，是通过光纤引导外界紫外光激发固化树脂并由光纤收集由紫外光源激发的荧光信号进行对树脂固化状态分析；而树脂光纤传感方法，是采用与固化树脂基体相同的材料拉制成光纤并作为固化传感光纤通过测量光通过该传感光纤时受基体树脂固化过程的影响而引起的光强信号的变化来监测其复合材料的固化状态，这需要研制难度很高的树脂光纤，且要得到长尺寸的树脂光纤并不容易。而且以上几种光纤固化监测方法也都需要应用特种光纤。

本发明的目的在于把传感光纤埋入到复合材料构件中，直接对其固化过程进行分析，实现对固化过程的实时监测，以提高复杂材料的固化工艺，克服产品质量的分散性，而获得高质量的复合材料制品。

本发明的实时监测方法，是将已去除包层的光纤作为传感光纤直接埋入到待测的复合材料构件中，使光纤传感区域与复合材料中的固化树脂形成界面，通过探测复合材料固化过程中树脂的折射率和粘度等因素的变化而引起光纤中传导光信号的变化，来评价复合材料的固化状态，实现对复合材料的固化状态进行实时监测，监测的固化信号再通过计算机系统和控制器的处理实现对固化工艺过程的实时控制。本实时监测方法所涉及的实时监测系统由光源经传导光纤连于传感光纤，再连于光电检测与信号处理系统，最后连于计算机处理系统四部分所组成。即由光源发出的光经传导光纤输送到埋入复合材料构件中的带有已去除包层的传感光纤中，再经传导光纤输出的光经光电检测系统探测后送入计算机处理系统进行分析处理，以实现对复合材料固化过程进行实时监测。

由于光纤传感技本身具有灵敏度高、抗电磁干扰强，同时光纤具有径细、柔韧以及与复合材料具有良好相容性等独特优越性。况且本发明是将已去除包层的传感光纤直接埋入复合材料构件中，所以本发明的实时监测方法，具有灵敏度高，能实现对其固化工艺过程进行实时监控，提高复合材料制品质量的稳定性，从而获得高质量的复合材料制品，同时对研究复合材料的固化工艺、固化工艺参数控制等都具有重要意义。

本发明有两个具体的实施例：

附图1为本发明的传输型结构光纤固化监测系统的组成示

意图

附图2为本发明的反射型结构光纤固化监测系统的组成示

意图

附图3为本发明的光纤固化监测传感原理图

以下根据上述三个附图叙述本发明的两个具体实施例和工作原理。

附图1的传输型结构光纤固化监测系统是由高稳定度的半导体激光光源(1)发出的光经传导光纤耦合后输送到埋入复合材料构件(3)中的已去除包层的传感光纤(2)，从传感光纤输出的光再经光电检测系统(4)探测后送入计算机处理系统(5)进行数据处理。

附图2的反射型结构光纤固化监测系统是由高稳定度的半导体激光光源(6)发出的光通过一个光纤耦合器(7)输送到埋入复合材料构件(9)中的探针状的传感光纤(8)，从传感光纤(8)反射回来的光再经光纤耦合器(7)送入光电检测系统(10)后输入到计算机处理系统(11)进行数据处理。

本发明的测量原理如附图3所示，使去除包层的传感光纤与树脂之间形成波导界面，当其固化树脂随着固化过程中的折射率和粘度等变化时，从而光纤波导的传输光产生变化，通过探测光纤输出光的变化就可评估树脂的固化状态。在树脂固化过程中，实际上影响光纤中传输光的因素较复杂，除树脂折射率变化因素外，其树脂的粘度变化以及光纤传感区域中的光纤和树脂的亲合情况等都会通过光纤与固化树脂间的界面而对光纤中传输光产生影响。探测从光纤输出的光将反应出光信号受固化过程中树脂各种物理、化学性能变化的综合影响。当仅考虑由树脂折射率变化而引起的光纤中传输光变化时，可简要分析如下：设光纤芯径的折射率为n₀，包层折射率为n₁，树脂的折射率为n_x，在传感区域固化树脂将与光纤传感区域形成光波导界面，而n_x将随树脂的固化状态而变化。根据光射线理论当光射线入射到不同界质的界面时，将产生折射和反射，其反射系数按两相互正交的偏振光可分别表示为：

ρ_{p} = \frac{- n_{x}^{2} \cos θ_{i} + n_{0} \sqrt{n_{x}^{2} - n_{0}^{2} \sin^{2} θ_{i}}}{n_{x}^{2} \cos θ_{i} + n_{0} \sqrt{n_{x}^{2} - n_{0}^{2} \sin^{2} θ_{i}}} - - - - (1)

ρ_{p} = \frac{n_{0} \cos θ_{i} - \sqrt{n_{x}^{2} - n_{0}^{2} \sin^{2} θ_{i}}}{n_{0} \cos θ_{i} + \sqrt{n_{x}^{2} - n_{0}^{2} \sin^{2} θ_{i}}}

式中，ρ_p和ρ_s分别表示光矢量平行于光入射面和垂直于入射面的两个偏振分量的反射系数，θ_i为光线在界面处的入射角。而反射光的强度变化则为：R_p＝|ρ_p|²(2)R_s＝|ρ_s|²

由此可知，其反射光强是随折射率和入射角θ_i而变化的函数。对于多模光波导中传输的光波，基于射线理论分析，光波导中传输光波的各传导模将以不同的入射角θ_i和偏振态受光波导的界面作用，在其传感区域，其中一部分光波反射回波导中，而另一部分形成泄漏波。因此，通过探测经光纤传感区域输出的光即可评估复合材料树脂的固化状态。而在光纤传感区域中传输的光波一般经光纤和树脂形成界面多次作用，从而可使监测具有高灵敏度。

Claims

1.一种树脂基复合材料固化过程的光纤实时监测方法，其特征在于将已去除包层的传感光纤直接埋入待测复合材料构件中，使光纤的传感区域与复合材料中的固化树脂形成界面，通过直接探测复合材料在固化过程中树脂的折射率和粘度等因素变化的影响而引起光纤中传输信号的变化来实现对复合材料的固化状态进行实时监测。

2.一种树脂基复合材料固化过程的光纤实时监测系统，其特征在于由光源(1)经传导光纤连接于埋入复合材料构件(3)内的传感光纤(2)，再连接于光电检测与信号处理系统(4)，最后连接于计算机处理系统(5)四部分所组成。