CN221123628U - 一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及温度监测技术领域，尤其是公开一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，包括光源发射器，通过光纤线与光源发射器光信号连接的光纤布拉格光栅，光纤布拉格光栅的输出端通过光纤线光信号连接数据采集分析装置，其中，光纤布拉格光栅形状为螺旋状，光纤布拉格光栅内嵌于固定螺栓与复合材料板的连接处；预警显示装置与数据采集分析装置电连接，如此，当复合材料板与固定螺栓连接处内部发生温度变化时，光纤布拉格光栅的相邻光栅的间距会发生微小变化，从而改变反射光的波长，数据采集分析装置接受根据反射光的波长，并形成温变光谱，比较温变光谱与基底光谱，从而准确、及时得到复合材料板螺栓连接结构内部温度变化。

Description

一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统

技术领域

本实用新型涉及温度监测技术领域，尤其是涉及一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统。

背景技术

航空发动机使用的复合材料及结构在服役过程中，其螺栓连接结构经常承受各种复杂的疲劳载荷，非常容易导致螺栓连接结构的疲劳失效及破坏，进而影响发动机的安全性和可靠性，针对复合材料螺栓连接结构内部温度变化的实时有效监测，有助于探究复合材料疲劳损伤失效机理。

在相关技术中，对于连接处三维机织螺栓结构温度监测，通常使用红外测温仪靠近并且对准被测物体以得到并显示对应温度，其红外线测温仪的优点是非接触测量，不用触碰到被测温度场表层，因而，不容易影响被测温度场的情况，红外测温仪自身都不受热应力的损害，同时不需处于较高或较低的热应力中，只是工作中在一切正常的溫度或红外测温仪容许的标准下，但是，使用红外测温仪测量连接处三维机织螺栓结构温度其受体表温度影响大，对于物体内部温度检测存在误差，因此，该红外检测系统往往不能准确、及时地检测航空发动机用三维机织螺栓结构内部的温度状态，为了更好地监测并确保发动机安全运行，亟待需要设计并开发出一套有效、准确的温度监测系统。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中对于航空发动机复合材料螺栓连接结构内部温度变化的监测不能准确、及时得到，同时测量精度低误差大问题。为此，本实用新型提出了一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统。

根据本申请第一方面实施例提供一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，包括：

光源发射器；

通过光纤线与所述光源发射器光信号连接的光纤布拉格光栅，所述光纤布拉格光栅的输出端通过所述光纤线光信号连接数据采集分析装置，其中，所述光纤布拉格光栅形状为螺旋状，所述光纤布拉格光栅内嵌于固定螺栓与复合材料板的连接处；

预警显示装置，所述预警显示装置与所述数据采集分析装置电连接。

根据本申请实施例的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，通过光纤布拉格光栅的设置，光纤布拉格光栅形状设置为螺旋状，其内嵌于固定螺栓与复合材料板的连接处，光纤布拉格光栅的输入端通过光纤线光信号连接光源发射器，其光纤布拉格光栅输出端光连接数据采集分析装置，数据采集分析装置为光谱分析仪型，其数据采集分析装置电连接预警显示装置，如此，当复合材料板与固定螺栓连接处内部发生温度变化时，受温度变化影响，光纤布拉格光栅的相邻光栅的间距会发生微小变化，从而改变反射光的波长，数据采集分析装置接受并根据反射光的波长，并形成温变光谱，比较温变光谱与基底光谱，从而准确、及时得到复合材料板螺栓连接结构内部温度变化，更好地监测并确保发动机安全运行。

根据本申请的一些实施例，所述光纤布拉格光栅沿着固定螺栓与复合材料板的接触面螺旋固定设置，其所述光纤布拉格光栅两端连接的光纤线从所述复合材料板的螺孔两侧或一侧向外延伸，通过将光纤布拉格光栅沿着固定螺栓与复合材料板的接触面螺旋设置，可以避免对固定螺栓与复合材料板固定造成干扰。

根据本申请的一些实施例，所述光纤布拉格光栅通过高温胶粘剂固定设置于固定螺栓与复合材料板的接触面，通过高温胶粘剂将光纤布拉格光栅固定在固定螺栓与复合材料板的接触面，可以有效避免连接结构内部温度变化导致光纤布拉格光栅脱落。

根据本申请的一些实施例，所述光纤布拉格光栅包括纤芯、包层以及保护层，所述纤芯内沿着轴向间隔设置有若干布拉格光栅，所述纤芯表面依次层叠包绕设置有所述包层以及保护层，包层以及保护层可以对纤芯起到保护作用，纤芯内布拉格光栅用于对温度进行监测。

根据本申请的一些实施例，所述光源发射器为氦氖激光器，其发射光源具有高亮度、高方向性、高相干性以及高单色性，通过采用氦氖激光器作为光源发射器，其产生的光源具有高亮度、高方向性、高相干性以及高单色性，提高温度监测的可靠性。

根据本申请的一些实施例，所述数据采集分析装置为光谱分析仪，所述光谱分析仪型号为AQ6370D或AQ6150B中的一种，通过选用型号为AQ6370D或AQ6150B的光谱分析仪作为数据采集分析装置，实现对输出的反射光的波长进行分析，并将其转换为电信号，以及将电信号转换为温度数据，并进行进一步的分析和处理。

根据本申请的一些实施例，所述数据采集分析装置用于分析反射光的波长、并将其转换为电信号、以及将所述电信号转换为温度数据。

根据本申请的一些实施例，所述预警显示装置内设置有温度范围阀值，其中，当温度超过或低于设定温度范围阀值时，所述预警显示装置发出警报。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本申请实施例的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统的结构示意图；

图2是根据本申请实施例复合材料板与固定螺栓连接后的局部剖视图；

图3是根据本申请实施例的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统的框图；

图4是根据本申请实施例的光纤布拉格光栅的局部结构示意图。

附图标记：

100、复合材料板；110、连接螺栓孔；120、固定螺栓；

210、光源发射器；220、光纤线；230、光纤布拉格光栅；231、纤芯；232、包层；233、布拉格光栅；234、保护层；240、数据采集分析装置；250、预警显示装置。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，参考附图描述的实施例是示例性的，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。本文所使用的术语“及／或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图1至图4，本实施例提供一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，包括：

如图1所示，光源发射器210，其中，光源发射器210通过光纤线220与光纤布拉格光栅230光信号连接，光纤布拉格光栅230的输出端通过光纤线220光信号连接数据采集分析装置240，其中，光纤布拉格光栅230形状为螺旋状，光纤布拉格光栅230内嵌于固定螺栓120与复合材料板100的连接处；预警显示装置250，预警显示装置250与数据采集分析装置240电连接。

需要说明的是，光纤线220在本温度监测系统中起到一个信号传输到数据采集作用，由于光纤具有抗电磁干扰、抗高温、轻质、高传输速度等特点，因此特别适用于航空发动机这种复杂、高温、高干扰的环境。

在一些实施例中，光源发射器210为氦氖激光器，其发射光源具有高亮度、高方向性、高相干性以及高单色性，通过采用氦氖激光器作为光源发射器210，其产生的光源具有高亮度、高方向性、高相干性以及高单色性，提高温度监测的可靠性。

在一些实施例中，数据采集分析装置240为光谱分析仪，光谱分析仪型号为AQ6370D或AQ6150B中的一种，可以理解的是，该类型号的光谱分析仪可以直接从市场上购买获得，当然，也可以选用其他型号的光谱分析仪，具体可以根据实际需求进行适当选择，在此不作限制，通过选用型号为AQ6370D或AQ6150B的光谱分析仪作为数据采集分析装置240，实现对输出的反射光的波长进行分析，并将其转换为电信号，以及将电信号转换为温度数据，并进行进一步的分析和处理。

可选地，预警显示装置250内设置有温度范围阀值，其中，具体温度范围阀值可以根据实际需求进行设定，在此不作限制，当温度超过或低于设定范围值时，预警显示装置250发出警报，具体地，当监测到的温度超出预设的安全范围时，预警显示装置250向输出装置发送警报，还可以根据需要，以实现触发安全响应措施，如降温或机械隔离。

可以理解的是，数据采集分析装置240用于分析反射光的波长、并将其转换为电信号、以及将电信号转换为温度数据，在设备运行前，输入光经过光纤布拉格光栅230后，由外部的数据采集分析装置240采集输出光并形成基底光谱，并建立直角坐标系，横坐标为波长，纵坐标为功率，进一步地，在设备开始运行时，保持输入光不变，在螺栓结构处发生温度变化后，由数据采集分析装置240采集温度变化后的输出光，并形成温变光谱，比较温变光谱与基底光谱，得出Δλ。

其中，Δλ/λo =(α_Λ+αn)*ΔT，等式变形为∆T=Δλ/λo(α_Λ+αn)) ,式中：Δλ是反射波长的变化，λo 为初始的反射波长，即无温度变化时所测量的波长；α_Λ是螺栓结构材料的热膨胀系数，αn是螺栓结构材料的温度光学灵敏系数。

还可以理解的是，数据采集分析装置240监测数据均被记录并存储，以便进行后期分析以及对其疲劳载荷下的温度特性研究，定期进行数据分析，以优化系统性能和提升安全性。

如图2所示，光纤布拉格光栅230沿着固定螺栓120与复合材料板100的接触面螺旋固定设置，其光纤布拉格光栅230两端连接的光纤线220从复合材料板100的螺孔两侧或一侧向外延伸，通过将光纤布拉格光栅230沿着固定螺栓120与复合材料板100的接触面螺旋设置，可以避免对固定螺栓120与复合材料板100固定造成干扰。

可选地，光纤布拉格光栅230通过高温胶粘剂固定设置于固定螺栓120与复合材料板100的接触面，通过高温胶粘剂将光纤布拉格光栅230固定在固定螺栓120与复合材料板100的接触面，可以有效避免连接结构内部温度变化导致光纤布拉格光栅230脱落。

当然，在固定螺栓120与复合材料板100开设的连接螺栓孔110接触面上，找到恰当位置布置光纤布拉格光栅230时，也可以使用机械夹具将光纤布拉格光栅230固定在连接螺栓孔110与固定螺栓120的接触面，确保传感器紧密接触以便准确捕捉温度变化。

如图3所示，光纤布拉格光栅230也可以设置多个，以便同时监测复合材料板100上的各固定螺栓120内部连接处的温度，光纤布拉格光栅230的具体设置数量可以根据实际需求进行设置，在此不作限定。

如图4所示，光纤布拉格光栅230包括纤芯231、包层232以及保护层234，纤芯231内沿着轴向间隔设置有若干布拉格光栅233，纤芯231表面依次层叠包绕设置有包层232以及保护层234，包层232以及保护层234可以对纤芯231起到保护作用，纤芯231内布拉格光栅233用于对温度进行监测。

需要说明的是，在复合材料板100与固定螺栓120连接处接触面温度发生改变时，该布拉格光栅233的间距会在时发生微小变化，从而改变反射光的波长，波长的变化规律遵从Δλ/λo =(α_Λ+αn)*ΔT，式中， Δλ是反射波长的变化，λo为初始的反射波长，即无温度变化时所测量的波长，其中，α_Λ是螺栓结构材料的热膨胀系数，αn是螺栓结构材料的温度光学灵敏系数，通过测量反射光的波长，可以准确地得到温度变化的信息。

上述技术方案中，通过光纤布拉格光栅230的设置，光纤布拉格光栅230形状设置为螺旋状，其内嵌于固定螺栓120与复合材料板100的连接处，光纤布拉格光栅230的输入端通过光纤线220光信号连接光源发射器210，其光纤布拉格光栅230输出端光连接数据采集分析装置240，数据采集分析装置240为光谱分析仪型，其数据采集分析装置240电连接预警显示装置250，如此，当复合材料板100与固定螺栓120连接处内部发生温度变化时，受温度变化影响，光纤布拉格光栅230的相邻光栅的间距会发生微小变化，从而改变反射光的波长，数据采集分析装置240接受并根据反射光的波长，并形成温变光谱，比较温变光谱与基底光谱，从而准确、及时得到复合材料板100螺栓连接结构内部温度变化，更好地监测并确保发动机安全运行。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对实用新型的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。

显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或者特性可以包含在本实施例申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或是备选的实施例。本领域技术人员可以显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，包括：

光源发射器（210）；

通过光纤线（220）与所述光源发射器（210）光信号连接的光纤布拉格光栅（230），所述光纤布拉格光栅（230）的输出端通过所述光纤线（220）光信号连接数据采集分析装置（240），其中，所述光纤布拉格光栅（230）形状为螺旋状，所述光纤布拉格光栅（230）内嵌于固定螺栓（120）与复合材料板（100）的连接处；

预警显示装置（250），所述预警显示装置（250）与所述数据采集分析装置（240）电连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅（230）沿着固定螺栓（120）与复合材料板（100）的接触面螺旋固定设置，其所述光纤布拉格光栅（230）两端连接的光纤线（220）从所述复合材料板（100）的螺孔两侧或一侧向外延伸。

3.根据权利要求2所述的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅（230）通过高温胶粘剂固定设置于固定螺栓（120）与复合材料板（100）的接触面。

4.根据权利要求2所述的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，所述光纤布拉格光栅（230）包括纤芯（231）、包层（232）以及保护层（234），所述纤芯（231）内沿着轴向间隔设置有若干布拉格光栅（233），所述纤芯（231）表面依次层叠包绕设置有所述包层（232）以及保护层（234）。

5.根据权利要求1所述的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，所述光源发射器（210）为氦氖激光器，其发射光源具有高亮度、高方向性、高相干性以及高单色性。

6.根据权利要求1所述的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，所述数据采集分析装置（240）为光谱分析仪，所述光谱分析仪型号为AQ6370D或AQ6150B中的一种。

7.根据权利要求1或6任一项所述的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，所述数据采集分析装置（240）用于分析反射光的波长、并将其转换为电信号、以及将所述电信号转换为温度数据。

8.根据权利要求1所述的一种用于疲劳载荷下机织复合材料连接结构温度监测系统，其特征在于，所述预警显示装置（250）内设置有温度范围阀值，其中，当温度超过或低于设定温度范围阀值时，所述预警显示装置（250）发出警报。