CN207540596U - 复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，包括温度传感器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、压力传感器以及数据记录仪；温度传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端均埋入放置在热压罐内待监测复合材料的被测点；温度传感器和压力传感器的信号传输端与数据记录仪相连，用于传输采集获取的温度数据和压力数据；光纤光栅传感器的信号传输端与光纤光栅解调仪相连，用于传输采集获取的波长数据。本实用新型提供的监测系统能够实现多参数实时协同在线监测，且准确度高、灵敏性好、可连续、真实反映整个固化过程复合材料各项参数的实际情况。

Description

复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统

技术领域

本实用新型涉及工程与材料科学领域，具体涉及一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统。

背景技术

先进复合材料具有密度小、比强度高、比模量高、耐高温、抗疲劳等显著优点，已经广泛应用于航空航天等高科技领域。在复合材料制件的热压固化成型过程中，温度、压力、应变和应力四个参数最为重要，制件的成型质量与温度和压力密切相关，残余应力的存在对制件的力学性能的影响也极大，同时，热压固化过程中复合材料内部往往会出现复杂的应变而产生缺陷并导致固化变形，严重影响复合材料制件的物理性能。因此有必要对复合材料制件的整个固化过程实现多参数的实时协同在线监测，扩充现有监测范围，以探究各物理参量对复合材料制件成型质量的影响。

目前对复合材料热压固化过程实施监测，一方面缺乏温度、压力、应变和应力等多参数协同在线监测的系统，现有监测往往都是针对有限的某一、二种参数，另一方面在参数的监测上也存在着一些不足。如对于应力监测，目前采用的方法有应变片包埋法、曲率法、光纤布拉格光纤法等，其中曲率法可直接计算出应力，但却不能实现在线监测，应变片包埋法可实时监测，但是只适用于对称铺层，且不能直接监测出应力；对于应变监测，原有使用较为成熟的在线监测技术，多是采用光纤传感器的无损检测系统，这些监测方法所用的传感器成本较高，操作难度系数大，且存在应变-温度交叉敏感问题；对于压力监测，原有的监测有使用微型压力传感器，但是为了测试树脂压力，传感器必须埋入复合材料制件中，而相对于纤维尺寸，这类压力传感器太大以至于影响了树脂的流动和纤维的正常排序，无法真实反应树脂压力的实际变化情况。

因此，需要一种能够实现多参数实时协同在线监测，且监测准确度高、灵敏性好、可连续、真实反映整个固化过程复合材料各项参数的实际情况的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以解决现有技术中存在的问题。

实用新型内容

本实用新型目的在于提供一种能够实现多参数实时协同在线监测，且监测准确度高、灵敏性好、可连续、真实反映整个固化过程复合材料各项参数的实际情况的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，具体技术方案如下：

一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，包括温度传感器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、压力传感器以及数据记录仪；所述温度传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端均埋入放置在热压罐内待监测复合材料的被测点；所述温度传感器的信号传输端与数据记录仪相连，用于传输采集获取的温度数据；所述光纤光栅传感器的信号传输端与光纤光栅解调仪相连，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器的信号传输端与所述数据记录仪相连，用于传输采集获取的压力数据。

以上技术方案优选的，所述数据记录仪通过数据线与上位机连接，所述光纤光栅解调仪通过数据线与上位机连接。

以上技术方案优选的，待监测复合材料中设置多个被测点；所述数据记录仪为多通道无纸记录仪。

以上技术方案优选的，所述温度传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端均穿过所述热压罐上设置的预留孔进入热压罐内并埋入待监测复合材料的被测点，所述预留孔处设有耐高温密封胶。

以上技术方案优选的，所述温度传感器为直径0.2-0.4mm的K型热电偶传感器，所述光纤光栅传感器栅区的裸光纤直径为125um，所述热电偶传感器的工作点与所述光纤光栅传感器的栅区之间相距15-30mm，所述压力传感器的测量端距离所述热电偶传感器的工作点和所述光纤光栅传感器的栅区均不小于20mm。

以上技术方案优选的，所述光纤光栅传感器的栅区与被测点处铺层的纤维方向为0°、45°或90°的夹角。

以上技术方案优选的，所述压力传感器为毛细管压力传感器，包括绝压变送器、储液腔、密封螺钉和毛细管；所述绝压变送器的信号采集端贯穿所述储液腔与所述储液腔内的液体传压介质相接触，所述绝压变送器的信号输出端作为毛细管压力传感器的信号传输端与所述数据记录仪连接；所述储液腔上设有出液孔，所述出液孔通过密封螺钉进行密封；所述毛细管一端与所述储液腔连通，所述毛细管和所述储液腔的连接处设有密封胶层，所述毛细管另一端作为所述压力传感器的测量端埋入所述待监测复合材料的被测点，所述毛细管外径为0.4-1.0mm；所述储液腔和毛细管内部为密闭空间且充满液体传压介质。

以上技术方案优选的，所述毛细管压力传感器采用24V的稳压电源供电，所述毛细管外径为0.8mm，所述绝压变送器与所述储液腔通过螺纹连接；所述密封胶层为环氧树脂胶层，所述液体传压介质为硅油。

应用本实用新型的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本实用新型的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，包括温度传感器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、压力传感器以及数据记录仪；温度传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端均埋入放置在热压罐内待监测复合材料的被测点；温度传感器的信号传输端与数据记录仪相连，用于传输采集获取的温度数据；光纤光栅传感器的信号传输端与光纤光栅解调仪相连，用于传输采集获取的波长数据；压力传感器的信号传输端与数据记录仪相连，用于传输采集获取的压力数据。本监测系统采用温度传感器、波长传感器和压力传感器分别采集热压固化过程中的温度、波长和压力信号，通过数据记录仪处理信号获得温度数据和压力数据，通过光纤光栅解调仪处理波长信号获得波长数据，通过获得的温度数据和波长数据可以计算出应变数据，通过应变数据结合复合材料的杨氏模量可以计算出应力数据，实现了对复合材料热压固化过程中温度、压力、应变和应力四个参数的监测。

(2)本实用新型中的数据记录仪通过数据线与上位机连接，所述光纤光栅解调仪通过数据线与上位机连接。通过上位机对监测数据进行处理、存储和显示，实现监测数据处理的计算机化和在线化，以及监测的连续化和可视化，克服人工计算的不便性和滞后性，提高了工作效率、工作效果以及实时性，缩短了监测周期，节省了人力和时间成本。

(3)本实用新型中，可设置多个被测点用于热压固化过程中复合材料多个位置处的参数监测，在复合材料热压固化过程中开展多点监测，并相应在上位机实现全过程实时显示、局部实时显示和实时对比显示。数据记录仪采用多通道无纸记录仪，满足监测中信号转化以及多数据同时传输的要求。

(4)本实用新型中，热压固化过程在热压罐中进行，温度传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端穿过热压罐上设置的预留孔进入热压罐内并埋入待监测复合材料的被测点，然后用耐高温密封胶将预留孔密封。此热压罐密闭环境下进行的热压固化过程具有较高的稳定可靠性和准确性。

(5)本实用新型中优选采用的传感器分别为热电偶传感器、光纤光栅传感器和毛细管压力传感器，无需另外的封装，操作简单；热电偶和毛细管传感特性独立，不会受其他物理量的影响，光纤光栅虽然具有温度-应变交叉敏感特性，但是，用热电偶作为温度补偿可以精确地排除温度对光纤光栅的影响，因此本实用新型中各传感器传感特性独立，使用简单、灵敏度高、监测数据精确。更进一步地，本实用新型均选用规格尺寸小的传感器，毛细管外径可选0.4-1.0mm，优选为0.8mm，光纤光栅传感器的裸光纤直径为125um，热电偶为K型热电偶，直径为0.2-0.4mm。这些传感器埋在制件中，不会影响树脂流动，也不会对先进复合材料制件的固化过程产生影响。热电偶传感器的测量端和光纤光栅传感器的栅区埋入复合材料的被测点时，热电偶传感器的工作点与光纤光栅传感器的栅区之间相距15-30mm，利用热电偶传感器作为温度补偿解决光纤光栅传感器的温度应变交叉敏感问题，压力传感器的测量端距离所述热电偶传感器的工作点和光纤光栅传感器的栅区均不小于20mm，既满足了对同一监测点处的温度、波长和压力信号的采集，又保证压力传感器的布置不会对热电偶传感器和光纤光栅传感器的信号采集和传递造成影响。

(6)本实用新型中优选光纤光栅传感器的栅区与被测点处铺层的纤维方向平行，对固化压力较小的复合材料制件，也可与被测点处铺层的纤维方向成90°或者45°的夹角。选择一定角度埋放光纤光栅传感器，以防止在复合材料固化的过程中由于纤维压实和树脂固化收缩导致的光纤光栅传感器栅区破坏，从而使光纤光栅传感器失效。

(7)本实用新型中压力传感器优选毛细管压力传感器，包括绝压变送器、储液腔、密封螺钉和毛细管，绝压变送器的信号采集端贯穿所述储液腔与储液腔内的液体传压介质相接触，绝压变送器的信号输出端作为毛细管压力传感器的信号传输端与数据记录仪连接；储液腔上设有出液孔，出液孔通过密封螺钉进行密封；毛细管一端与储液腔连通，毛细管和储液腔的连接处设有密封胶层，毛细管另一端作为压力传感器的测量端埋入待监测复合材料的被测点，毛细管外径为0.4-1.0mm；储液腔和毛细管内部为密闭空间且充满液体传压介质。毛细管压力传感器能够适应于复杂及特殊要求的测量环境，其中，绝压变送器的优点是可以将绝对压力转化为数值大小相等的电流信号，通过数据记录仪采集可直接作为压力数据使用，省去数据转化环节，简单快捷；储液腔用于充满液体传压介质，稳定可靠，储液腔上设有的出液孔便于液体传压介质的充满操作，出液孔采用螺纹以密封螺钉的方式进行封闭，一方面满足了压力传感器的密闭性要求，结构简单且操作方便，另一方面螺纹连接便于通过调整密封螺钉的位置来调整储液腔内部液体传压介质的压力状态，保证传压均匀；传感器所选用的毛细管埋在制件中不会影响树脂流动，也不会对复合材料制件的固化过程产生影响，满足监测环境下的各项要求，同时，本毛细管压力传感器优选小规格毛细管，外径为0.4-1.0mm，综合考虑传压灵敏性和测量对于制件的影响，优选外径0.8mm的毛细管。毛细管与储液腔的连接处设有密封胶层，优选环氧树脂胶层，满足在监测温度和压力条件下装置的密封性要求；绝压变送器与储液腔优选通过螺纹连接，简单易行；储液腔内部形成充满传压介质硅油的密闭空间，可确保传压的稳定性和准确性。液体传压介质优选采用硅油，适应性强且传压稳定可靠。毛细管压力传感器采用24V的稳压电源进行供电，保证压力信号的传输。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是实施例1的监测系统的结构连接示意图；

图2是实施例1的监测系统中毛细管压力传感器的结构示意图；

其中，1、热压罐，2、预留孔，3、压力传感器，31、绝压变送器，32、储液腔，33、密封螺钉，34、毛细管，4、稳压电源，5、上位机，6、数据记录仪，7、光纤光栅解调仪，8、温度传感器，9、光纤光栅传感器，10、待监测复合材料。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，参见图1，包括温度传感器8、光纤光栅传感器9、光纤光栅解调仪7、压力传感器3以及数据记录仪6。

热压固化过程在热压罐1中进行，可设置多个被测点用于热压固化过程中复合材料多个位置处的参数监测。所述温度传感器8的测量端、光纤光栅传感器9的栅区和压力传感器3的测量端均穿过所述热压罐1上设置的预留孔2进入热压罐1内并埋入待监测复合材料10的被测点，然后用耐高温密封胶将所述预留孔2密封。所述温度传感器8的信号传输端与数据记录仪6相连，用于传输采集获取的温度数据；所述光纤光栅传感器9的信号传输端与光纤光栅解调仪7相连，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器3的信号传输端与所述数据记录仪6相连，用于传输采集获取的压力数据。所述数据记录仪6通过数据线与上位机5连接，所述光纤光栅解调仪7通过数据线与上位机5连接。所述数据记录仪6采用多通道无纸记录仪。

本实施例中，温度传感器8采用直径0.2-0.4mm的K型热电偶传感器，所述光纤光栅传感器9栅区的裸光纤直径为125um，所述压力传感器3选用毛细管压力传感器，所述毛细管压力传感器优选外径0.4-1.0mm的毛细管，本实施例中采用外径0.8mm的毛细管。所述热电偶传感器和光纤光栅传感器9的测量端埋入待监测复合材料10的被测点时，所述热电偶传感器的工作点与所述光纤光栅传感器9的栅区之间相距15-30mm，所述毛细管压力传感器的毛细管距离所述热电偶传感器的工作点和所述光纤光栅传感器9的栅区均不小于20mm，。所述光纤光栅传感器9的栅区与被测点处铺层的纤维方向平行，对固化压力较小的复合材料制件，也可与被测点处铺层的纤维方向成90°或者45°的夹角。

所述毛细管压力传感器，如图2所示，包括绝压变送器31、储液腔32、密封螺钉33和毛细管34；所述绝压变送器31的信号采集端贯穿所述储液腔32与所述储液腔32内的液体传压介质相接触，所述绝压变送器31的信号输出端作为毛细管压力传感器3的信号传输端与所述数据记录仪6连接；所述储液腔32上设有出液孔，所述出液孔通过密封螺钉33进行密封；所述毛细管34一端与所述储液腔32连通，所述毛细管34和所述储液腔32的连接处设有密封胶层，密封胶层选用环氧树脂胶层，所述毛细管34另一端作为所述压力传感器3的测量端埋入所述待监测复合材料10的被测点；所述储液腔32和毛细管34内部为密闭空间且充满液体传压介质；所述毛细管压力传感器采用24V的稳压电源4供电。

在执行热压固化过程监测之前先要在毛细管34中充满硅油，操作方式为：将所述毛细管34通过预留孔2引入到热压罐1内，然后用耐高温密封胶密封所述预留孔2的空隙；将盛放了足量硅油的开口容器放置于热压罐中，并固定平稳，把毛细管34在热压罐1内的一端浸入硅油中并固定，松开储液腔32上的密封螺钉33，关闭罐门，常温加压0.3MPa，直至储液腔32的出液孔有硅油均匀溢出，表明此时毛细管中已经均匀充满硅油并排出了气泡以保证传压的准确性，最后将密封螺钉33旋紧。

所述上位机5用于执行热压固化监测过程中的数据处理，克服人工计算处理数据的不便性和滞后性，提高工作效率和工作效果。

复合材料的单方向单层板制件的材料力学参数是该材料特有的属性，通常可通过实验测得，也可从手册中查到。材料力学参数包括沿纤维方向和垂直纤维方向的杨氏模量，当确定某种待监测复合材料时，其单方向单层板制件对应的沿纤维方向杨氏模量、垂直纤维方向杨氏模量则已知。上位机中设有多种复合材料单方向单层板制件的材料力学参数数据库，通过选择复合材料种类，基于“经典层合板理论”可计算输出不同铺层方式下待监测复合材料层合板制件的材料力学参数，其中包括沿纤维方向和垂直纤维方向的杨氏模量。上述计算获得的杨氏模量可用于应力值的计算。

热压固化全过程中监测获得的温度数据、压力数据、波长数据、应变数据和应力数据及其变化情况在所述上位机5中均能够以可视化方式实时协同显示；热压固化过程结束后，所述上位机5可生成包含所有数据的报表文件。

采用上述在线监测系统进行多参数在线监测，具体包括如下步骤：

监测温度步骤，具体是：通过温度传感器8采集待监测复合材料10被测点的温度，并通过数据记录仪6处理、记录；并通过上位机5储存和显示；

监测压力步骤，具体是：通过压力传感器3采集待监测复合材料10被测点的压力，并通过数据记录仪6处理、记录，并通过上位机5计算、储存和显示，计算公式为表达式1)：

P_i＝I_i·1KPa/mA·10^-3MPa/KPa-0.101MPa 1)；

其中：P_i为被测点i处压力值，单位为MPa，I_i为由毛细管压力传感器采集到的被测点i处的压力信号转化而来的电流信号，单位为mA,1KPa/mA为量纲转化因子，10^-3MPa/KPa为量纲转化因子，0.101MPa是一个标准大气压的值；

监测应变步骤，具体是：通过光纤光栅传感器9采集波长信号并通过光纤光栅解调仪7获得波长数据，通过上位机5处理、储存和显示；上位机5根据波长数据和温度数据计算得到应变数据，并储存和显示，计算公式为表达式2)：

其中，ε_ij为j时刻被测点i处的应变值，K_ε为应变敏感系数，W_ij为j时刻被测点i处的波长值，W_i0为被测点i处的波长初始值，K_T为温度敏感系数，T_ij为j时刻被测点i处的温度值，T_i0为被测点i处的温度初始值；

监测应力步骤，具体是：通过上位机5计算获得待监测复合材料层合板制件的杨氏模量；上位机5根据杨氏模量以及应变数据计算出应力数据，并储存和显示，计算公式为表达式3)：

σ_ij＝Eε_ij 3)；

其中，σ_ij为j时刻被测点i处的应力值，E为被测点i处的对应方向的杨氏模量，ε_ij为j时刻被测点i处的应变值。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：包括温度传感器(8)、光纤光栅传感器(9)、光纤光栅解调仪(7)、压力传感器(3)以及数据记录仪(6)；

所述温度传感器(8)的测量端、光纤光栅传感器(9)的栅区和压力传感器(3)的测量端均埋入放置在热压罐(1)内待监测复合材料(10)的被测点；

所述温度传感器(8)的信号传输端与数据记录仪(6)相连，用于传输采集获取的温度数据；

所述光纤光栅传感器(9)的信号传输端与光纤光栅解调仪(7)相连，用于传输采集获取的波长数据；

所述压力传感器(3)的信号传输端与所述数据记录仪(6)相连，用于传输采集获取的压力数据。

2.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述数据记录仪(6)通过数据线与上位机(5)连接，所述光纤光栅解调仪(7)通过数据线与上位机(5)连接。

3.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述待监测复合材料(10)中设置多个被测点；所述数据记录仪(6)为多通道无纸记录仪。

4.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述温度传感器(8)的测量端、光纤光栅传感器(9)的栅区和压力传感器(3)的测量端均穿过所述热压罐(1)上设置的预留孔(2)进入热压罐(1)内并埋入待监测复合材料(10)的被测点，所述预留孔(2)处设有耐高温密封胶。

5.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述温度传感器(8)为直径0.2-0.4mm的K型热电偶传感器，所述光纤光栅传感器(9)栅区的裸光纤直径为125um，所述热电偶传感器的工作点与所述光纤光栅传感器(9)的栅区之间相距15-30mm，所述压力传感器(3)的测量端距离所述热电偶传感器的工作点和所述光纤光栅传感器(9)的栅区均不小于20mm。

6.根据权利要求5所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器(9)的栅区与被测点处铺层的纤维方向为0°、45°或90°的夹角。

7.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述压力传感器(3)为毛细管压力传感器，包括绝压变送器(31)、储液腔(32)、密封螺钉(33)和毛细管(34)；

所述绝压变送器(31)的信号采集端贯穿所述储液腔(32)与所述储液腔(32)内的液体传压介质相接触，所述绝压变送器(31)的信号输出端作为毛细管压力传感器(3)的信号传输端与所述数据记录仪(6)连接；

所述储液腔(32)上设有出液孔，所述出液孔通过密封螺钉(33)进行密封；

所述毛细管(34)一端与所述储液腔(32)连通，所述毛细管(34)和所述储液腔(32)的连接处设有密封胶层，所述毛细管(34)另一端作为所述压力传感器(3)的测量端埋入所述待监测复合材料(10)的被测点，所述毛细管(34)外径为0.4-1.0mm；

所述储液腔(32)和毛细管(34)内部为密闭空间且充满液体传压介质。

8.根据权利要求7所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述毛细管压力传感器采用24V的稳压电源(4)供电，所述毛细管(34)外径为0.8mm，所述绝压变送器(31)与所述储液腔(32)通过螺纹连接；所述密封胶层为环氧树脂胶层，所述液体传压介质为硅油。