CN202794077U - 基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及的是一种基于光纤光栅复合材料热膨胀系数测量装置和测量方法，属于测量技术领域。该装置由夹具（5）、标准试样块（7）、待测复合材料块（6）和光纤光栅传感器（8）组成；其中光纤光栅传感器（8）的一端与标准试样块（7）的自由端固定，另一端与待测复合材料块（6）的自由端固定。光纤光栅传感器、待测复合材料块、标准试样块放入温控箱中，受热发生膨胀，由于两者变化程度不同，将对光纤光栅传感器产生拉力作用，引起光栅中心波长发生变化。结合光纤光栅应变灵敏特性和相对测量方法，可以实现复合材料不同长度区间热膨胀系数的精确测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及测量技术领域，特别是涉及复合材料热膨胀系数的测量。
背景技术
自然界中的材料都会因为温度变化而发生膨胀或者收缩，常用热膨胀系数（CTE）来描述变化的程度。通常认为CTE是随单位温度变化物体长度发生的变化与基准温度下物体原长的比值。
复合材料以其独特的优势，广泛应用在各个工程领域；热膨胀系数是用以表明材料本身受热变形的固有属性，在工程设计、精密仪器制造、材料焊接和加工中具有重要参考价值；作为复合材料的基本参数之一，其测量结果是建立复合材料模型的重要参数；由于复合材料由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的，其性能不是组分材料性能的简单加和，其热膨胀系数具有不可预测性，因此研究测量复合材料热膨胀系数具有重要的意义。
现有的研究手段是理论分析结合实验方法，如光杠杆法、云纹法、劈尖法，激光扫描微测法、电子散斑法、光纤光栅法等等。每种测量手段都具有不同的特点，适用的场合不具有普适性。对复合材料来说，在纤维方向具有负的热膨胀系数，并且其热膨胀系数值非常小。光杠杆法因为分辨率低不能满足要求；云纹法对材料产生了一定的破坏性，对材料的性能造成影响；激光扫描测微法和电子散斑法对测量提出较高的环境和设备要求，容易受到干扰产生误差；光纤光栅法是把光栅固定在材料的表面或者埋入材料内部，和材料一起加热，直接测量其热膨胀性，再通过理论的计算得到测量结果，但在测量后，光纤光栅不能重复利用，再次测量时候要重新标定；采用绝对测量的方法，只是基本保证了测量的精度，不能满足更高精度要求。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种可重复性好，无需重复标定、精度高、可靠性好的基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置及测量方法。
本实用新型的技术方案：
一种基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置，其特征在于：
由夹具、标准试样块、待测复合材料块和光纤光栅传感器组成；其中标准试样块和待测复合材料块相互平行，它们的一端为固定端，另一端为自由端；标准试样块和待测复合材料块的固定端被夹具夹持；光纤光栅传感器的一端与标准试样块的自由端固定，另一端与待测复合材料块的自由端固定；其中标准试样块的自由端长度大于待测复合材料块自由端长度；
上述光纤光栅传感器包括弹性基体和封装于弹性基体中的光纤；光纤的一端在弹性基体内称作第一端，光纤的另一端伸出弹性基体外称作第二端；光纤上刻有两段相同的栅区，其中一段栅区邻近光纤第一端，该段栅区通过毛细钢管封装，该段栅区的尾纤与毛细钢管底部留有应变空隙。
根据权利要求1所述基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置的测量方法，其特征在于包括以下过程：
步骤1：将测量装置放置于温控箱中加热；
步骤2：将光纤光栅传感器的光纤跳线连接在光纤光栅解调仪上；
步骤3：加热过程中，复合材料和标准试样块同时膨胀，由于两者变化程度不同，将对光纤光栅产生拉力作用，引起光栅中心波长发生变化，利用相对测量方式实现对热膨胀系数的测量，具体计算公式如下：
其中：
为待测复合材料块热膨胀系数，
为标准试样块热膨胀系数，为光纤光栅传感器
在标准试样块上的固定位置与夹具的距离，
为光纤光栅传感器在待测复合材料块上的固定位置与夹具的距离，
为光纤光栅传感器长度，
为待测复合材料块和标准试样块之间距离，
为温度变化量，由热电偶测得，
为栅区引起的中心波长漂移量，
为栅区引起的中心波长漂移量，
为光纤光栅传感器的应变灵敏度，由实验标定得到，
为光纤光栅传感器中心波长，由解调仪测得。
本实用新型的有益效果是，采用光栅串联结构消除了温度和应变的交叉敏感；采用弹性基体增敏封装后的传感器，测量灵敏度提高，能够重复利用，降低成本；标准试样块和复合材料相对测量，能够达到较高的精度要求；传感器性能稳定，标定一次后不需要重复标定应变灵敏度，减少测量的工作量；调整光纤光栅传感器的固定位置，能够对复合材料不同区段热膨胀系数的测量；光纤光栅传感器可以不受电磁干扰，工作可靠性好。
附图说明
附图1是光纤光栅封装结构图；
附图2是实验装置结构图；
附图3是热变形三角形；
图中标号名称：1----弹性基体；2---FBG1；3---FBG2；4---毛细钢管；5---夹具；6---待测复合材料块；7---标准试样块；8---光纤光栅传感器；9---光纤跳线。
具体实施方式
该测量手段和方法是通过以下的技术方案实现的：基于光纤光栅的热膨胀系数测试实验装置，包括热膨胀系数已知的标准试样块，其CTE要大于复合材料的估计值；固定标准试样块和待测复合材料块的夹具，具有可调节夹持位置的功能；应变增敏封装的光纤光栅传感器，光纤光栅解调仪，温控箱。
将待测复合材料块和标准试样块平行固定在夹具上，复合材料和标准试样块距离一定，试件的自由端长度要大于复合材料。封装后的光栅传感器的一端固定在标准试样块的自由端，另一端固定在复合材料的自由端；将装置放置在温控箱中，加热过程中，复合材料和标准试样块同时膨胀，由于两者变化程度不同，将对光纤光栅传感器产生拉力作用，引起光栅中心波长发生变化，利用相对测量方式实现对热膨胀系数的测量。
下面结合附图对实用新型进一步描述：
应变增敏光栅封装：光纤光栅在研究时等同于各向同性圆柱体，将它嵌入弹性模量较小的基体材料中，由弹性力学和材料力学知，其复合体的平均弹性模量远小于裸光栅的弹性模量。将光纤光栅嵌入弹性基体中，此复合体的弹性模量比裸光纤的弹性模量小3到4个数量级，相同应力作用下，产生的应变将增大3到4个数量积，应变的增大将会引起中心波长的相对变化量增加3~4倍，这样，则实现对应力的增敏。将编号为FBG1的光栅完成封装之后标定其应变灵敏度
。
在光纤光栅传感器的实际应用中，应变和温度往往同时存在，此时，传感器对温度和应变都是敏感的。一般来讲，由于应变和温度均能引起光纤光栅的中心波长偏移，即存在温度和应变的交叉敏感问题，通过测量一根光纤光栅的布拉格中心波长的偏移量来实现温度和应变的双参量测量是不可能的，这是因为一个方程是无法解出两个未知量的。为了消除温度和应变的交叉敏感，可以串联同样封装相同规格的光纤光栅，编号FBG2，两支光栅封装在同一块弹性基体上，如图1，FBG2外面加一根毛细钢管，使其避免受到应变的影响，仅受温度的影响；钢管内部不填充胶质，而且其尾纤的一端要处于自由状态，保证可以在温度影响下自由变形。
由耦合模理论可知，光纤光栅的Bragg中心波长为：
式中：
为有效折射率；
为光栅周期。
布拉格光栅波长
随
和
的变化而变化，而
和
的改变与应变和温度有关，应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响
，通过长度改变和热膨胀效应影响
，进而使
发生移动。研究结果显示，布拉格光栅波长变化与应变
和温度变化关系如下：
（2）
式中：
是光纤有效弹光系数（常数）；
和分别是光纤的热膨胀线性系数和热光系数；
因此在测量时，温度和应变共同造成的两支光纤光栅波长变化可以用下面的等式表示：
FBG1：
（3）
FBG2：
（4）
从上式可以看出，当两支光栅结构和参数性能完全相同时，即
，
时，可将两支布拉格光栅中心波长变化量做减法处理，就可以很容易消除温度变化对应变测量的影响，应变测量精度可以得到提高。这种方法成本低，可实现性好。
复合材料和标准试样块之间距离为
，FBG1两端分别固定在复合材料和标准试样块上，光栅尾纤在复合材料上固定点距离夹具
，光栅尾纤在标准试样块上固定点距离夹具
，光栅长度，则根据线性热膨胀公式可知复合材料和标准试样块的变形计算如下：
（6）
式中：
为待测复合材料块热膨胀系数；
为标准试样块热膨胀系数。
如图3所示右侧直角三角形所示，斜边是传感器受到拉应力后的长度，其中一条直角边为
，另一条直角边由虚线三角形求得为
。根据勾股定理可得如下关系：
（7）
而根据应变概念和光纤光栅传感器测量原理可知：
由几何关系能够推导出以下等式：
附图1是光纤光栅的封装形式设计，在一支光纤上利用掩膜相位法写入两段栅区，等效于两支光栅串联，其中一端连接光纤跳线，另一端仅保留3mm长度的尾纤，以满足封装要求。对FBG2先做毛细钢管封装，如图1所示，用树脂胶固定光栅尾纤的一端，另一端保持自由状态，用树脂胶填塞钢管另一端，钢管内部不填充任何液体或固体物质，确保FBG2可以自由受热膨胀，不受应变影响。两支光栅同时封装在弹性模量较小的弹性基体上，两者平行分布，用高性能环氧树脂胶固定，保证光纤光栅处于弹性基体中央位置；根据弹性力学和材料力学知识可知，弹性基体的应变传递到光栅上，能起到良好的增敏效果。
附图2是测量装置的结构图。标准试样块5和待测复合材料块6平行固定在夹具7上，封装后的光栅8两端固定在待测复合材料块6的自由端和标准试样块5的自由端，三者保持水平面内一致，保证光纤光栅沿着材料伸长方向受到应力；引出的光纤跳线9接光纤光栅解调仪。将以上装置放入温控箱内升温加热，在要求的温度范围内测量波长，按照式（10）即可求得结果。需要测量某一区间的热膨胀系数时，只需要调整复合材料固定端和传感器之间的距离就可以实现。
本实用新型装置采用相对测量方法，相对测量方法是在相同的条件下，分别测量标准样块和复合材料块的变化，避免直接测量产生的系统误差，提高测量的精度；加热条件不变的情况下，光纤光栅在距离自由端不同的位置固定，能够得到复合材料不同段的热膨胀系数，对研究复合材料特性具有一定参考价值；本装置中的经过封装后的光纤光栅传感器可以重复利用，与直接粘贴在复合材料表面的测量方式相比更为经济方便。
Claims (1)
1.一种基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置，其特征在于：
由夹具（5）、标准试样块（7）、待测复合材料块（6）和光纤光栅传感器（8）组成；
其中标准试样块（7）和待测复合材料块（6）相互平行，它们的一端为固定端，另一端为自由端；标准试样块（7）和待测复合材料块（6）的固定端被夹具（5）夹持；光纤光栅传感器（8）的一端与标准试样块（7）的自由端固定，另一端与待测复合材料块（6）的自由端固定；其中标准试样块（7）的自由端长度大于待测复合材料块（6）自由端长度；
上述光纤光栅传感器（8）包括弹性基体（1）和封装于弹性基体中的光纤；光纤的一端在弹性基体内称作第一端，光纤的另一端伸出弹性基体外称作第二端；光纤上刻有两段相同的栅区，其中一段栅区邻近光纤第一端，该段栅区做毛细钢管（4）封装，该段栅区的尾纤与毛细钢管底部留有应变空隙。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20130313 Effective date of abandoning: 20140416 |
|
| RGAV | Abandon patent right to avoid regrant |