CN115219060A - 一种智能光纤浮力材料 - Google Patents
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Abstract
本发明属于智能浮力材料技术领域，公开了一种智能光纤浮力材料，该浮力材料从实时监测浮力材料健康状况的角度出发，将光纤光栅内嵌分布于浮力材料内部，利用光纤光栅测量浮力材料所处温度以及受到深海环境的压力分布,从监测浮力材料承受压力分布、监测浮力材料健康状态的角度出发，进行智能光纤浮力材料的设计；将光纤光栅内嵌进浮力材料中，通过光纤光栅反馈浮力材料的温度和应力分布。
Description
技术领域
本发明属于智能浮力材料技术领域，涉及一种智能光纤浮力材料。
背景技术
深海战略对深海载人潜水器的性能提出了更高的要求。潜水器在深海工作中的安全问题变得至关重要。固体浮力材料作为保护和调节潜水器运动的重要构件成为人们关注的焦点。随着潜水深度的不断突破，浮力材料的安全性能是保证深海作业和安全返航的关键。然而，目前浮力材料疲劳损伤的机理不清，缺少浮力材料使用寿命预报模型和规范；浮力材料服役特别是下潜过程中，难以察觉浮力变化。在浮力材料服役的过程中，材料的检测、维护与更替缺少检测标准和判定方法。
光纤传感器是伴随着光纤及光纤通信技术的发展而逐步形成的一种新型传感器。它具有体积小、波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好等特性。而光纤传感器中的光纤布拉格光栅(FBG)传感器，其谐振波长对应力应变和温度等参量变化敏感，常被应用于应力应变及温度等参量检测。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：克服现有技术的不足，提供一种能够同时监测浮力材料健康状况并增强传统浮力材料压溃强度的浮力材料，提高智能浮力材料的整体性能。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种智能光纤浮力材料，浮力材料以环氧树脂结合玻璃微珠填充为材料主体形成标准尺寸，将光纤光栅内嵌至材料主体内部，利用光纤光栅反馈浮力材料不同位置受到水深和环境的压力和温度。
浮力材料主要包括：材料主体1、光纤光栅传感器2和信号处理系统3；材料主体1由环氧树脂结合玻璃微珠填充形成；光纤光栅传感器2内嵌至材料主体1内部，监测材料主体1不同位置的温度和压力信息；信号处理系统3以熔接的形式连接光纤光栅传感器2，实现温度和压力信号的读取。
材料主体1为300*300*100mm尺寸。
材料主体1以环氧树脂材料为基体，在成形过程中内部添加玻璃微珠作为密度匹配材料。
光纤光栅传感器2由单模光纤刻写制作，为多个全同弱反射光栅沿光纤长度依次间隔分布排列。单模光纤包括纤芯、包层和涂覆层，涂覆层为聚酰亚胺材料。
光纤光栅传感器2在材料主体1成形之前以S形内嵌在环氧树脂材料内部，通过浇注成形工艺固定光纤内嵌位置。光纤光栅传感器2 分别沿水平、垂直方向铺设一层或多层光纤光栅，以S形横穿材料主体1，折返路径相互平行，且均平行于材料主体1前表面。
每层所述光纤光栅有两根以上，每一根光纤光栅阵列布设于浮力材料的不同位置，用于监测浮力材料的三维信息。
光纤光栅传感器2中的光纤光栅的尾纤连接信号处理系统3，用于读取温度和压力信号。
多路光纤光栅用于探测浮力材料各个位置的三维信息：
其中，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，ΔT为温度变化量，Pe为光纤的弹光系数，为应变量，ε为光纤光栅承受压力，λB为光纤光栅的中心波长，ΔλB为光纤光栅中心波长的变化量。
通过对光纤光栅反射的光谱信号进行读取和分析，可以进一步提取该光栅所在位置的环境温度和压力变化，根据不同光纤光栅反馈信号的延时不同，定位不同光纤光栅的位置，从而提取整体智能光纤浮力材料的温度和压力分布，从而解决传统浮力材料无法实时监测材料健康状态的问题。
光纤光栅内嵌进浮力材料，进一步提升浮力材料的抗压特性。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的智能光纤浮力材料，具有以下优点：
(1)光纤光栅属于玻璃材料，质量轻，韧性强，嵌入浮力材料能够增强浮力材料的抗压性能，增大浮力材料的寿命。
(2)利用光纤分布反馈温度和应力信号反馈浮力材料的健康状态，在深海环境能够大大保障下潜人员的安全以及潜水器设备的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的智能光纤浮力材料结构图。
其中，1为材料主体，2为光纤光栅传感器，3为信号处理系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例智能光纤浮力材料中，材料主体1大小为300 mm*300mm*100mm，由环氧树脂材料内嵌多个空芯玻璃微珠构成，用于调节智能光纤浮力材料的密度大小。
材料主体1内部嵌入多个光纤光栅传感器2，光纤光栅传感器2由光纤刻写制作，在裸光纤上逐点刻全同弱反射光栅结构制作而成。多个光纤光栅传感器2通过浇注成形工艺固定至浮力材料内部的不同位置，以S型分布至浮力材料的整个内部空间，用来监测浮力材料不同位置的温度和压力信息。
光纤光栅传感器2与信号处理系统3相连接，将信号输入信号处理系统3来读取并处理监测信息，最终输出浮力材料各个位置的压力和温度信息。
此外，由于光纤光栅传感器2的嵌入，增强了浮力材料的压溃强度，提升了浮力材料的整体性能。
本实施例中，光纤光栅传感器2能够对温度和应力进行分布式测量，且对环境要求低，适用于浮力材料的工作环境。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种智能光纤浮力材料，其特征在于，包括：材料主体(1)、光纤光栅传感器(2)和信号处理系统(3)；材料主体(1)由环氧树脂结合玻璃微珠填充形成；光纤光栅传感器(2)内嵌至材料主体(1)内部，监测材料主体(1)不同位置的温度和压力信息；信号处理系统(3)以熔接的形式连接光纤光栅传感器(2)，实现温度和压力信号的读取。
2.如权利要求1所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，所述材料主体(1)为300*300*100mm尺寸。
3.如权利要求1所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，所述材料主体(1)以环氧树脂材料为基体，在成形过程中内部添加玻璃微珠作为密度匹配材料。
4.如权利要求1所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，所述光纤光栅传感器(2)由单模光纤刻写制作，为多个全同弱反射光栅沿光纤长度依次间隔分布排列。
5.如权利要求4所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，所述单模光纤包括纤芯、包层和涂覆层，涂覆层为聚酰亚胺材料。
6.如权利要求5所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，所述光纤光栅传感器(2)在材料主体(1)成形之前以S形内嵌在环氧树脂材料内部，通过浇注成形工艺固定光纤内嵌位置。
7.如权利要求6所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，所述光纤光栅传感器(2)分别沿水平、垂直方向铺设一层或多层光纤光栅，以S形横穿材料主体(1)，折返路径相互平行，且均平行于材料主体(1)前表面。
8.如权利要求7所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，每层所述光纤光栅有两根以上，每一根光纤光栅阵列布设于浮力材料的不同位置，用于监测浮力材料的三维信息。
9.如权利要求8所述的智能光纤浮力材料，其特征在于，所述多路光纤光栅用于探测浮力材料各个位置的三维信息：
其中，α为光纤的热膨胀系数，ξ为光纤的热光系数，ΔT为温度变化量，Pe为光纤的弹光系数，为应变量，ε为光纤光栅承受压力，λB为光纤光栅的中心波长，ΔλB为光纤光栅中心波长的变化量。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述的智能光纤浮力材料在智能浮力材料技术领域中的应用。
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