CN207540692U - 阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开的一种阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，可用于钻孔实验，分别通过光纤的测温段和测应变段对金属/复合材料层间温度和应变进行测量；其中，测温段受毛细管的保护不会被挤压，可保持自由状态，因此能够准确测量出钻孔实验中的温度变化；测温段的温度还可以用于对测应变段的温度进行补偿，以消除温度影响，得到准确的应变值。本实用新型可广泛应用于航空航天、交通运输领域相关零部件的新材料、新产品、新工艺的科学研究和研发的过程监控与测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属/复合材料叠层健康监测与分布式光纤传感技术领域，具体涉及一种阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，可广泛应用于航空航天、交通运输领域相关零部件的新材料、新产品、新工艺的科学研究和研发的过程监控与测量。
背景技术
碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymers,简称CFRP)具有非常高的比强度和比模量，且其可设计性强、抗疲劳性能好；金属材料，如钛合金也有较高的比强度，同时还具有热强度高、抗蚀性好、韧性高、资源丰富等优点。基于以上性能，金属材料/复合材料叠层结构被广泛应用于航空航天领域，可大幅减轻结构件重量，提高结构可靠性，同时也被认为是衡量一个国家的科技水平的重要因素。
碳纤维复合材料与金属材料构成的性能差异的叠层构件在飞机机翼和尾舵中应用广泛,叠层构件装配过程中需要大量的铆接或螺接孔。在这些航空产品装配制孔中,最佳的工艺是在碳纤维复合材料和金属材料叠层构件上同时加工出所需要的铆接或螺接孔,这是确保叠层材料构件产品连接强度、刚度和安全性的主要手段。然而由于碳纤维复合材料层间结构特点和两种材料性能的差异巨大,制孔质量难以保证并且制孔过程刀具磨损剧烈。特别是随着飞机柔性装配技术和数字化制造技术的发展,其关键技术之一就是要求在装配过程中采用一道工序同时高效加工碳纤维复合材料和钛合金(铝合金)两种完全不同性质的难加工材料。同时，金属材料/复合材料叠层结构在服役的过程中，如航天飞机，运载火箭等在长期的飞行过程中，会因为材料疲劳老化，腐蚀以及周围的恶劣环境等不利的因素，不断的积累损伤，甚至会造成飞机坠毁等严重突发事故，造成不可挽回的损失。因此需要建立在役金属材料/复合材料叠层结构在线损伤检测和健康监控，以延长材料结构的服役寿命，防止材料结构发生灾难性的毁坏。由于航天飞机，运载火箭等结构复杂，体积庞大，需要同时使用大量的传感器，而且对传感器位置和埋入方式等具有极高的要求。
金属材料/复合材料叠层结构为难加工材料，钻孔过程极易产生分层、撕裂、崩边和毛刺等缺陷，成为金属材料/复合材料结构服役期的潜在危险，在飞机装配中因与分层损伤相关而被拒的部件高达60％。但分层缺陷发生在纤维增强复合材料内部层间，与金属缺陷相比更为复杂，当分层较小或发生在更深的内部时，难于观察和识别。目前较为公认的结论是轴向力的增大将导致钻孔分层缺陷加剧，而应变作为钻削力作用在材料上的一种表现，其在钻孔过程的动态变化更能体现钻削力对材料的影响。特别重要的是，钻孔为半封闭加工，切削过程产生的钻削热不易及时传出，尤其在钻削CFRP-钛合金叠层板时，由于钛合金的热导率很低导致钻削钛合金层时钛合金层的温度很高，从而使得CFRP结构发生改变，而CFRP的温度不能超过120℃。当温度超过树脂基体的玻璃化转变温度时，材料的力学性能呈现阶梯性下降，导致加工过程中材料失效。因此，在线实时测量钻孔过程的温度，对制孔质量进行控制显得极为重要和紧迫。
目前尚未查到金属材料/复合材料叠层层间温度与应变监测相关方面的公开技术方案，而在碳纤维复合材料方面的公开技术方案主要集中在碳纤维复合材料的制备应用与专用加工装置等方面。如实用新型公开号为103496734B的中国专利文件《一种氧化锌纳米片球/泡沫石墨烯复合材料的制备方法及其应用》公开了一种氧化锌纳米片球/泡沫石墨烯复合材料的制备方法，解决现有氧化锌/石墨烯复合材料应用于多巴胺检测时灵敏度低和检测限较高的技术问题。实用新型公告号为205091191U的中国专利文件《一种提高复合材料力学疲劳性能的检测夹具》涉及一种提高复合材料力学疲劳性能的检测夹具，通过该夹具及通过该夹具增强材料检测强度的方法能进一步保证试验数据的稳定性。实用新型公告号为205183873U的中国专利文件《用于碳纤维复合材料铝合金的叠层材料钻孔加工的刀具》公开了一种用于碳纤维复合材料铝合金的叠层材料钻孔加工的刀，能有效减少碳纤维复合材料层出现材料烧伤、分层、毛刺、撕裂等缺陷。
光纤传感器具有体积小，质量轻，抗电磁干扰等特点，目前越来越多学者将光纤传感器埋入到复合材料的层合结构中，用于的健康监测。光纤是纤芯和涂敷层组成外径为125μm-9μm的圆柱形细丝。但由于光纤传感器对同时温度和应变敏感，在实际工程应用中，如何将光纤进行埋入封装进复合材料，实现温度和应变的独立测量一直是光纤传感器用于复合材料结构健康监测关注的焦点。
实用新型公开号为103076110B的中国专利文件《光纤光栅封装结构、温度传感器及封装方法》虽然记载了对光纤光栅的封装，克服了光纤光栅本体脆弱和温度应变交叉敏感的问题。但未解决对分布式光纤这种大范围的传感器进行封装需面对的温度与应变的交叉灵敏度问题。
因此，现有技术需要进一步发展及改进。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，公开一种阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，能够实现对金属/复合材料叠层层间温度及应变的准确测量。
本实用新型公开阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，包括一体成型的金属材料刻槽基底、碳纤维预浸料铺层、毛细管以及光纤；
其中，所述金属材料刻槽基底上具有若干阵列数量的平行刻槽；所述毛细管位于金属材料刻槽基底的刻槽阵列中，毛细管在相邻刻槽之间呈U型过渡；所述光纤包括一体连接的测温段和测应变段，所述测温段套在毛细管中，所述测应变段在毛细管外且位于所述刻槽阵列中刻槽之间的测应变区域，所述测应变段在相邻测应变区域之间呈U型过渡。
进一步的，所述金属材料刻槽基底为钛合金刻槽基底或铝合金刻槽基底。
进一步的，所述金属材料刻槽基底上的刻槽为方形槽或V形槽，当然也可以是其他形状。
进一步的，所述毛细管具体为不绣钢毛细管或铁氟龙管，或其他毛细管。
本实用新型的主要有益效果为：可用于钻孔实验，分别通过光纤的测温段和测应变段对金属/复合材料层间温度和应变进行测量；其中，测温段受毛细管的保护不会被挤压，可保持自由状态，因此能够准确测量出钻孔实验中的温度变化；测温段的温度还可以用于对测应变段的温度进行补偿，以消除温度影响，得到准确的应变值。本实用新型可广泛应用于航空航天、交通运输领域相关零部件的新材料、新产品、新工艺的科学研究和研发的过程监控与测量。
附图说明
图1是实施例公开的阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置分解结构示意图。
图2是图1中金属材料刻槽基底的结构示意图。
图3是图2中金属材料刻槽基底放置毛细管和光纤后的结构示意图。
图4是将图3固化碳纤维预浸料铺层后形成一体化的装置结构示意图。
图5是采用图4所示的装置进行应变测量时的激光信号示图。
图中：1-光纤；2-毛细管；3-碳纤维铺层；4-金属材料刻槽基底。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本实用新型进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
请参阅图1至图4，实施例公开的阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，包括一体成型的金属材料刻槽基底4、碳纤维预浸料铺层3、毛细管2以及光纤1。
其中，金属材料刻槽基底4上具有若干阵列数量的平行刻槽；毛细管2位于金属材料刻槽基底4的刻槽阵列中，毛细管2在相邻刻槽之间呈U型过渡；光纤1包括一体连接的测温段和测应变段，测温段套在毛细管2中，测应变段在毛细管外且位于刻槽阵列中刻槽之间的测应变区域，测应变段在相邻测应变区域之间呈U型过渡。
本实施例中，毛细管2用于保护光纤的测温段，使其在固化过程中不会被压到，并可以在管内保持未拉压的自由状态。测温段可用于温度测量，并用于测应变过程中对邻近的测应变段的温度进行补偿。
进一步的，所述金属材料刻槽基底4为钛合金刻槽基底或铝合金刻槽基底等。金属材料刻槽基底4上的刻槽为方形槽或V形槽，当然也可以是其他形状。毛细管2具体为不绣钢毛细管或铁氟龙管等。
使用时，可在本实施例的测量装置上进行钻孔实验，分别测量测温段的温度和测应变段的温度，以及计算出测应变段的应变值。
具体的，对于应变可采用分布式光纤解调仪(美国Luna，空间分辨率为2.6mm,温度分辨率为0.2℃，应变分辨率为2ε)在温度模式下进行辅助测量，该应变值计算如下：
其中，T1为测应变段的温度值，T2为邻近的测温段的温度值，Kε为光纤应变灵敏度系数，KT为光纤温度灵敏度系数。
在应变值的计算中，测温段的温度用于对测应变段的温度进行补偿，以消除温度影响，得到准确的应变值。
测量过程的激光信号如图5所示。
本实施例的制作工艺流程参考如下：
步骤S101：在合金板上加工出具有预定阵列数量的平行刻槽的金属材料刻槽基底。
例如，可以在80mm×80mm的钛合金板加工出具有一定阵列数量细小刻槽的金属材料刻槽基底4，如图2所示。金属材料刻槽基底4的尺寸、刻槽的数量以及间隔可根据需要而设计。
步骤S102：截取预定长度的光纤，在截取的光纤上预留出测温段和测应变段。
步骤S103：将所述测温段套入毛细管中，将所述测应变段保留在毛细管外。
例如，根据需要截取2m的光纤1，将一部分套进毛细管2，套进毛细管2中的即为所述测温段，保留在毛细管2外的即用做所述测应变段。
步骤S104：将毛细管对应放置在金属材料刻槽基底的刻槽阵列中，毛细管在相邻刻槽之间呈U型过渡。
步骤S105：将测应变段对应放置在刻槽阵列中刻槽之间的测应变区域，测应变段在相邻测应变区域之间呈U型过渡。
步骤S104和步骤S105如图3所示。
步骤S106：在金属材料刻槽基底及其上的毛细管和光纤上面固化碳纤维预浸料铺层，使金属材料刻槽基底、毛细管、光纤和碳纤维预浸料铺层形成一体成型的测量装置。
如图4所示，碳纤维预浸料铺层3通过热压或真空负压工艺与金属材料刻槽基底4、毛细管2、光纤1形成一体成型的测量装置。
综上所述，本施例的主要有益效果为：在钻孔实验中，可分别通过测温段和测应变段对金属/复合材料层间温度和应变进行测量；其中，测温段受毛细管的保护不会被挤压，可保持自由状态，因此能够准确测量出钻孔实验中的温度变化；测温段的温度还可以用于对测应变段的温度进行补偿，以消除温度影响，得到准确的应变值。本实用新型可广泛应用于航空航天、交通运输领域相关零部件的新材料、新产品、新工艺的科学研究和研发的过程监控与测量。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，其特征在于，包括一体成型的金属材料刻槽基底、碳纤维预浸料铺层、毛细管以及光纤；
其中，所述金属材料刻槽基底上具有若干阵列数量的平行刻槽；所述毛细管位于金属材料刻槽基底的刻槽阵列中，毛细管在相邻刻槽之间呈U型过渡；所述光纤包括一体连接的测温段和测应变段，所述测温段套在毛细管中，所述测应变段在毛细管外且位于所述刻槽阵列中刻槽之间的测应变区域，所述测应变段在相邻测应变区域之间呈U型过渡。
2.根据权利要求1所述的阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，其特征在于，所述金属材料刻槽基底为钛合金刻槽基底或铝合金刻槽基底。
3.根据权利要求2所述的阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，其特征在于，所述金属材料刻槽基底上的刻槽为方形槽或V形槽。
4.根据权利要求3所述的阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的装置，其特征在于，所述毛细管具体为不绣钢毛细管或铁氟龙管。
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| CN108007604A (zh) * | 2017-12-20 | 2018-05-08 | 广州大学 | 阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的方法及装置 |
| CN110095201A (zh) * | 2019-04-10 | 2019-08-06 | 三峡大学 | 实时监测混凝土坝空间温度分布的分布式光纤测温系统及其方法 |
| CN111122006A (zh) * | 2020-01-12 | 2020-05-08 | 哈尔滨理工大学 | 花状ZnO/石墨烯单球微纳结构温度传感器及制作方法 |
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Assignee: Shenzhen haichenxing Technology Co.,Ltd. Assignor: Guangzhou University Contract record no.: X2022980024903 Denomination of utility model: An array optical fiber device for measuring the interlaminar temperature and strain of metal/composite materials Granted publication date: 20180626 License type: Common License Record date: 20221207 |
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Assignee: Shenzhen yingyuanfeng Electromechanical Technology Co.,Ltd. Assignor: Guangzhou University Contract record no.: X2023980030156 Denomination of utility model: An array optical fiber device for measuring the interlaminar temperature and strain of metal/composite materials Granted publication date: 20180626 License type: Common License Record date: 20230110 |