CN116447994A - 一种涂层固化过程中应变分布的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种涂层固化过程中应变分布的测量方法，包括以下步骤：S1、在待涂覆基底的涂覆面上布设应变测量光纤；S2、在基底涂覆面的背面布设补偿光纤；S3、将应变测量光纤和补偿光纤与应变显示装置连接，进行应变测量光纤定位；S4、在基底的涂覆面上喷涂涂层；S5、将喷有涂层的基底进行固化，记录应变测量光纤和补偿光纤数据，采用补偿光纤数据进行补偿，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况。利用分布式光纤应变传感技术，解决了涂层的层间和平面应变分布、固化过程应变变化难以测量的问题，实现对涂层固化过程中应变分布和应变变化的测量，实现应变的分布式测量和动态测量的效果，测量方法操作方便，简单易行。
Description
技术领域
本发明涉及应变测量技术领域，特别涉及一种涂层固化过程中应变分布的测量方法。
背景技术
涂层的残余应力不仅影响着涂层的性能，而且会导致涂层破裂，甚至剥落，显著影响涂层的使用寿命，因此准确测量涂层的残余应力，用于优化喷涂工艺、减小残余应力，是提高涂层服役寿命的关键。
目前常用的应力(或应变)测量方法包括：X射线衍射法、中子衍射法、钻孔法和涂层剥刮法、悬臂梁法、干涉条纹测应变法等，其中X射线衍射法测试应变的方法其空间分辨率高，但无法测量树脂涂层，且探测深度浅；中子衍射法测试应变的方法探测深度深，但价格昂贵，中子源有限；钻孔法和涂层剥刮法测试应变的方法，需要破坏涂层，不适合测量固化过程中的应变；悬臂梁法测试应变的方法对涂层与基底的厚度比例有一定要求，涂层厚度较大时，测试难度大；干涉条纹测应变法测试应变的方法只能测量涂层表面应变分布情况，不能测量涂层层间分布情况；等等。此外，采用上述方法测试有些树脂涂层时，需要在热烘箱中加热固化，以上方法所需设备较大，无法一起放入烘箱中，因此无法动态记录涂层固化过程。因此，需要研发一种新的方法能对树脂涂层固化过程中应变分布进行测量。
发明内容
本发明的目的在于目前树脂涂层的层间和平面应变分布、固化过程应变变化难以测量的问题，提供了一种涂层固化过程中应变分布的测量方法，可以实现应变的分布式测量和动态测量的效果。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种涂层固化过程中应变分布的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、在待涂覆基底的涂覆面上布设应变测量光纤，应变测量光纤的布设根据基底尺寸和测量应变要求进行设计，应变测量光纤采用点固定方式固定在基底上；
步骤S2、在基底涂覆面的背面布设补偿光纤，补偿光纤的布设与应变测量光纤相同；
步骤S3、将应变测量光纤和补偿光纤与应变显示装置连接，然后进行应变测量光纤定位；
步骤S4、根据工艺要求，在基底的涂覆面上喷涂涂层；
步骤S5、将喷有涂层的基底放在工艺要求的环境下进行固化，固化过程中采用应变显示装置测量并记录应变测量光纤和补偿光纤数据，采用补偿光纤数据对应变测量光纤数据进行补偿，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况。
本发明提供的技术方案采用光纤在基底的涂覆面上铺设成光纤网络，形成应变测量光纤，用于测量涂层的应变平面分布情况；同时铺设形成补偿光纤，用于消除由于基底受温度影响产生的额外应变的影响，对应变测量光纤测得的应变数据进行补偿，光纤耐高温，布设在基底上可以随涂层一起进入高温固化环境，而应变显示装置位于固化环境外，在涂层固化过程中动态测量应变的变化，得到应变分布。本发明利用分布式光纤应变传感技术，解决了涂层的层间和平面应变分布、固化过程应变变化难以测量的问题，实现对涂层固化过程中应变分布和应变变化的测量，实现应变的分布式测量和动态测量的效果。
进一步地，步骤S1中，在布设应变测量光纤前，根据工艺要求对基底进行表面处理，表面处理包括打磨和清洁、阳极化处理工序，并用无水酒精清洁干净。
进一步地，步骤S1中，应变测量光纤采用点固定方式固定在基底上具体为将应变测量光纤采用点胶固定在基底上。
进一步地，根据基底尺寸和测量应变要求，应变测量光纤采用S型铺设法或螺旋型铺设法布设在基底上。对于各向同性的涂层，S型铺设法适用，垂直应变等于测得的平行应变；对于各向异性的涂层，螺旋型铺设法适用，每一小段光纤测得的应变，可以分解到两个垂直方向上。
进一步地，步骤S2中，除了采用在基底涂覆面的背面布设补偿光纤，补偿光纤的布设的方法还可以为：在布设应变测量光纤时，采用应变测量光纤的同一根光纤在补偿板上布设，形成补偿光纤，补偿光纤的布设与应变测量光纤相同。
进一步地，步骤S3中，应变测量光纤定位的具体方法为：采用小尺寸热源在基底上各个位置加热，记录应变显示装置上温度变化位置，即基底位置和光纤纤芯方向距离对应关系。
进一步地，步骤S3中，喷涂树脂涂层的厚度为0.2-1.5cm。
进一步地，步骤S5中，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况的详细步骤为：将应变测量光纤测得的应变减去补偿光纤测得的应变，得到实际由残余应力导致的应变；根据步骤S3中应变测量光纤定位结果，将应变映射为二维应变分布，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供了涂层固化过程中应变分布的测量方法，采用光纤在基底的涂覆面上铺设成光纤网络，形成应变测量光纤，用于测量涂层的应变平面分布情况；同时铺设形成补偿光纤，用于消除由于基底受温度影响产生的额外应变的影响，对应变测量光纤测得的应变数据进行补偿，光纤耐高温，布设在基底上可以随涂层一起进入高温固化环境，而应变显示装置位于固化环境外，在涂层固化过程中动态测量应变的变化，得到应变分布。本发明利用分布式光纤应变传感技术，解决了涂层的层间和平面应变分布、固化过程应变变化难以测量的问题，实现对涂层固化过程中应变分布和应变变化的测量，实现应变的分布式测量和动态测量的效果，测量方法操作方便，简单易行。
附图说明：
图1为本发明涂层固化过程中应变分布测量方法的流程图；
图2为实施例1中应变测量光纤的布设示意图；
图3为实施例1涂层固化前测得的应变分布图；
图4为实施例1涂层固化后测得的应变分布图；
图5为实施例2中应变测量光纤的布设示意图；
图中标记：1-基底，2-应变测量光纤，3-点胶。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，一种涂层固化过程中应变分布的测量方法，包括以下步骤：
步骤S1、在待涂覆基底1的涂覆面上布设应变测量光纤2，应变测量光纤的2布设根据基底1尺寸和测量应变要求进行设计，应变测量光纤2采用点固定方式固定在基底上。
在布设应变测量光纤2前，根据工艺要求对基底1进行表面处理，表面处理包括打磨和清洁、阳极化处理等工序，并用无水酒精清洁干净。本实施例的基底1为24cm*24cm*1mm的铝合金平板，应变测量光纤2使用的光纤纤芯细，直径约为155μm，某些特殊光纤纤芯直径甚至达到80μm，可以布置在涂层层间用于测量层间情况。根据基底尺寸和测量应变要求，本实施例的应变测量光纤2采用S型铺设法，如图2所示，在布设应变测量光纤2时，载取一根长光纤，一端熔接上光纤连接头，光纤连接头为FC/APC光纤连接头，另一端铺设到在基底1上，用于测量应变，长光纤应尽可能长，在下一步铺设完光纤后，再根据需求剪断。光纤要测量涂层的应变，而非基底的应变，因此光纤不能用胶全部粘在基底上，将应变测量光纤采用点胶3固定在基底1上。将光纤拉直并平行于基底1的边进行铺设，光纤距离平板边缘2cm，在这段光纤两端点胶3进行固定，胶采用502胶，中间没有胶固定的光纤部分即可用于测量涂层应变，长度为16cm，为有效测试段；光纤弯曲成圆弧后铺设第二行光纤，弯曲直径不能过小，尽量3厘米以上，避免大的光纤损耗；重复以上操作，共7个有效测试段，完成对测量区域的铺设工作。铺设完成后，折断多余的光纤，并在光纤末端卷一个直径尽可能小的圆环，用于减小光纤断面反射光强度。
步骤S2、在基底1涂覆面的背面布设补偿光纤，补偿光纤的布设与应变测量光纤2相同，并将应变测量光纤2与补偿光纤连接，补偿光纤用于对应变测量光纤2的应变数据进行应变补偿。
采用应变测量光纤2测量应变会受温度串扰，而且基底1受温度影响会发生热胀冷缩，产生额外应变，因此需要引入补偿机制。在基底1涂覆面的背面采用与涂覆面完全相同的方式铺设光纤，形成补偿光纤，由于应变测量光纤2和补偿光纤所处温度场十分接近，而且铺设位置和方向完全相同，基底热胀冷缩产生的额外应变相同，因此两面的光纤测得的值直接相减，可认为只剩下涂层残余应力导致的应变。
步骤S3、并将应变测量光纤2和补偿光纤与应变显示装置连接，然后进行应变测量光纤2定位。
在应变测量光纤2和补偿光纤的一端连接上光纤连接头，再将光纤连接头连接到应变显示装置上，应变显示装置为分布式光纤应变传感解调仪，具体为光频域反射仪(OFDR)型应变解调仪，形成分布式光纤应变传感系统，应变显示装置测量应变的空间分辨率为1cm，为厘米量级，应变显示装置测量应变的分辨率为1微应变，为微应变量级。
应变测量光纤2定位用于掌握基底位置和光纤纤芯方向距离对应关系，分布式光纤传感系统只能定位光纤沿纤芯方向距离，将光纤铺在基底1上，无法知道基底1位置和光纤纤芯方向距离对应关系。应变测量光纤定位采用小尺寸热源在基底1上各个位置加热，记录应变显示装置上温度变化位置，即基底1位置和光纤纤芯方向距离对应关系。小尺寸热源是指尺寸小于或等于光纤传感系统的空间分辨率，如电烙铁或者手指，对于S型铺设法，只需定位每一行光纤的始末位置即可，对于螺旋型铺设法，只需定位每个半圆的光纤始末位置即可。
步骤S4、根据工艺要求，在基底1的涂覆面上喷涂涂层。
在实施例使用环氧树脂，基底1上喷涂树脂涂层，厚度为0.2-1.5mm，具体地，本实施例采用的厚度为0.5mm。
步骤S5、将喷有涂层的基底1放在工艺要求的环境下进行固化，固化过程中采用应变显示装置测量并记录应变测量光纤2和补偿光纤数据，采用补偿光纤数据进行补偿，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况。
基底喷涂完成后在热烘箱中进行固化，将光频域反射仪型应变解调仪测量并记录初始值，作为基准，测量放入热烘箱后光纤应变分布，以后每次测量的应变都是相比于基准发生的变化。测量时设定间隔时间，根据间隔时间进行一次测量，间隔时间根据需求决定。间隔时间为30分钟，共记录4小时。
将固定在喷涂面上的应变测量光纤2测得的应变，减去温度参考补偿光纤测得的应变，即为实际由残余应力导致的应变，实现温度补偿。在数据处理中，系统输出的是一维的应变分布，根据步骤S3中应变测量光纤定位结果，重新映射为二维应变分布，图3为刚喷完涂层的应变分布，图4为固化完成后应变分布，可以看到因为树脂中溶剂挥发，树脂收紧，内嵌的光纤被拉伸，测得的应变增大。
此外，根据得到的基底1上的应变分布，基于涂层材料的模量和泊松比，构建本征方程，即可将应变转换为应力，获得涂层固化后残余应力值，用于指导后续涂层性能的表征。
本发明提供了涂层固化过程中应变分布的测量方法，采用光纤在基底的涂覆面上铺设成光纤网络，形成应变测量光纤，用于测量涂层的应变平面分布情况；同时铺设形成补偿光纤，用于消除由于基底受温度影响产生的额外应变的影响，对应变测量光纤测得的应变数据进行补偿，光纤耐高温，布设在基底上可以随涂层一起进入高温固化环境，而应变显示装置位于固化环境外，在涂层固化过程中动态测量应变的变化，得到应变分布。本发明利用分布式光纤应变传感技术，解决了涂层的层间和平面应变分布、固化过程应变变化难以测量的问题，实现对涂层固化过程中应变分布和应变变化的测量，实现应变的分布式测量和动态测量的效果，测量方法操作方便，简单易行。
实施例2
本实施例与实施例1类似，区别在于本实施例中应变测量光纤2在基底1上的布设方式不同，本实施例的应变测量光纤2采用螺旋型铺设法，如图4所示，载取一根长光纤，一端熔接上光纤连接头，另一端铺设到在基底1上，用于测量应变。将光纤一端点胶3进行固定，弯曲成半圆型，在半圆结束处点胶固定，两点胶位置的光纤应互相平行，中间段光纤在张力影响下会自然拱成半圆，即可用于测量涂层应变；重复以上方法弯曲下一个半圆形，下一个半圆形的直径应小于上一个半圆形的直径。应变测量光纤2可以采用S型铺设法或螺旋型铺设法，对于各向同性的涂层，S型铺设法更适用，垂直应变等于测得的平行应变；对于各向异性的涂层，螺旋型铺设法更适用，每一小段光纤测得的应变，可以分解到两个垂直方向上。
实施例3
本实施例与实施例1类似，区别在于本实施例中补偿光纤的布设与实施例1中不同，本实施例布设补偿光纤的方法为：在布设应变测量光纤2时，采用应变测量光纤2的同一根光纤在补偿板上布设，形成补偿光纤，补偿光纤的布设与应变测量光纤2相同。在本实施例中，补偿光纤和应变测量光纤2铺设成S型，补偿板不喷涂涂层，补偿板与基底1的材质和尺寸相同，连接两块板子的光纤长度为20cm。步骤S5中将喷有涂层的基底1放在工艺要求的环境下进行固化时，基底1和补偿板放置位置需十分接近，近似处于同一温度场中。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1、在待涂覆基底的涂覆面上布设应变测量光纤，应变测量光纤的布设根据基底尺寸和测量应变要求进行设计，应变测量光纤采用点固定方式固定在基底上；
步骤S2、在基底涂覆面的背面布设补偿光纤，补偿光纤的布设与应变测量光纤相同；
步骤S3、将应变测量光纤和补偿光纤与应变显示装置连接，然后进行应变测量光纤定位；
步骤S4、根据工艺要求，在基底的涂覆面上喷涂涂层；
步骤S5、将喷有涂层的基底放在工艺要求的环境下进行固化，固化过程中采用应变显示装置测量并记录应变测量光纤和补偿光纤数据，采用补偿光纤数据对应变测量光纤数据进行补偿，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况。
2.根据权利要求1所述的涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，步骤S1中，在布设应变测量光纤前，根据工艺要求对基底进行表面处理，表面处理包括打磨和清洁、阳极化处理工序，并用无水酒精清洁干净。
3.根据权利要求1所述的涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，步骤S1中，应变测量光纤采用点固定方式固定在基底上具体为将应变测量光纤采用点胶固定在基底上。
4.根据权利要求1所述的涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，根据基底尺寸和测量应变要求，应变测量光纤采用S型铺设法或螺旋型铺设法布设在基底上。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，步骤S2中，除了采用在基底涂覆面的背面布设补偿光纤，补偿光纤的布设的方法还可以为：在布设应变测量光纤时，采用应变测量光纤的同一根光纤在补偿板上布设，形成补偿光纤，补偿光纤的布设与应变测量光纤相同。
6.根据权利要求5所述的涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，步骤S3中，应变测量光纤定位的具体方法为：采用小尺寸热源在基底上各个位置加热，记录应变显示装置上温度变化位置，即基底位置和光纤纤芯方向距离对应关系。
7.根据权利要求5所述的涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，步骤S3中，喷涂树脂涂层的厚度为0.2-0.5mm。
8.根据权利要求5所述的涂层固化过程中应变分布的测量方法，其特征在于，步骤S5中，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况的详细步骤为：将应变测量光纤测得的应变减去补偿光纤测得的应变，得到实际由残余应力导致的应变；根据步骤S3中应变测量光纤定位结果，将应变映射为二维应变分布，得到涂层固化过程中基底上的应变分布情况。
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