專利名稱：基于光纖光柵的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)的測量。
背景技術(shù)：
自然界中的材料都會因?yàn)闇囟茸兓l(fā)生膨脹或者收縮，常用熱膨脹系數(shù)(CTE)來描述變化的程度。通常認(rèn)為CTE是隨單位溫度變化物體長度發(fā)生的變化與基準(zhǔn)溫度下物體原長的比值。 復(fù)合材料以其獨(dú)特的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用在各個(gè)工程領(lǐng)域；熱膨脹系數(shù)是用以表明材料本身受熱變形的固有屬性，在工程設(shè)計(jì)、精密儀器制造、材料焊接和加工中具有重要參考價(jià)值；作為復(fù)合材料的基本參數(shù)之一，其測量結(jié)果是建立復(fù)合材料模型的重要參數(shù)；由于復(fù)合材料由兩種或兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的，其性能不是組分材料性能的簡單加和，其熱膨脹系數(shù)具有不可預(yù)測性，因此研究測量復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)具有重要的意義。現(xiàn)有的研究手段是理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)方法，如光杠桿法、云紋法、劈尖法，激光掃描微測法、電子散斑法、光纖光柵法等等。每種測量手段都具有不同的特點(diǎn)，適用的場合不具有普適性。對復(fù)合材料來說，在纖維方向具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)，并且其熱膨脹系數(shù)值非常小。光杠桿法因?yàn)榉直媛实筒荒軡M足要求；云紋法對材料產(chǎn)生了一定的破壞性,對材料的性能造成影響；激光掃描測微法和電子散斑法對測量提出較高的環(huán)境和設(shè)備要求，容易受到干擾產(chǎn)生誤差；光纖光柵法是把光柵固定在材料的表面或者埋入材料內(nèi)部，和材料一起加熱，直接測量其熱膨脹性，再通過理論的計(jì)算得到測量結(jié)果，但在測量后，光纖光柵不能重復(fù)利用，再次測量時(shí)候要重新標(biāo)定；采用絕對測量的方法，只是基本保證了測量的精度，不能滿足更高精度要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可重復(fù)性好，無需重復(fù)標(biāo)定、精度高、可靠性好的基于光纖光柵的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置及測量方法。本發(fā)明的技術(shù)方案
一種基于光纖光柵的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置，其特征在于
由夾具、標(biāo)準(zhǔn)試樣塊、待測復(fù)合材料塊和光纖光柵傳感器組成；其中標(biāo)準(zhǔn)試樣塊和待測復(fù)合材料塊相互平行，它們的一端為固定端，另一端為自由端；標(biāo)準(zhǔn)試樣塊和待測復(fù)合材料塊的固定端被夾具夾持；光纖光柵傳感器的一端與標(biāo)準(zhǔn)試樣塊的自由端固定，另一端與待測復(fù)合材料塊的自由端固定；其中標(biāo)準(zhǔn)試樣塊的自由端長度大于待測復(fù)合材料塊自由端長度；
上述光纖光柵傳感器包括彈性基體和封裝于彈性基體中的光纖；光纖的一端在彈性基體內(nèi)稱作第一端，光纖的另一端伸出彈性基體外稱作第二端；光纖上刻有兩段相同的柵區(qū)，其中一段柵區(qū)鄰近光纖第一端，該段柵區(qū)通過毛細(xì)鋼管封裝，該段柵區(qū)的尾纖與毛細(xì)鋼管底部留有應(yīng)變空隙。根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光纖光柵的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置的測量方法，其特征在于包括以下過程
步驟I :將測量裝置放置于溫控箱中加熱；
步驟2 :將光纖光柵傳感器的光纖跳線連接在光纖光柵解調(diào)儀上；
步驟3 :加熱過程中，復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)試樣塊同時(shí)膨脹，由于兩者變化程度不同，將對光纖光柵產(chǎn)生拉力作用，引起光柵中心波長發(fā)生變化，利用相對測量方式實(shí)現(xiàn)對熱膨脹系數(shù)的測量，具體計(jì)算公式如下
權(quán)利要求
1.一種基于光纖光柵的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置，其特征在于 由夾具(5)、標(biāo)準(zhǔn)試樣塊(7)、待測復(fù)合材料塊(6)和光纖光柵傳感器(8)組成； 其中標(biāo)準(zhǔn)試樣塊(7)和待測復(fù)合材料塊(6)相互平行，它們的一端為固定端，另一端為自由端；標(biāo)準(zhǔn)試樣塊(7)和待測復(fù)合材料塊(6)的固定端被夾具(5)夾持；光纖光柵傳感器(8)的一端與標(biāo)準(zhǔn)試樣塊(7)的自由端固定，另一端與待測復(fù)合材料塊(6)的自由端固定；其中標(biāo)準(zhǔn)試樣塊(7)的自由端長度大于待測復(fù)合材料塊(6)自由端長度； 上述光纖光柵傳感器(8)包括彈性基體(I)和封裝于彈性基體中的光纖；光纖的一端在彈性基體內(nèi)稱作第一端，光纖的另一端伸出彈性基體外稱作第二端；光纖上刻有兩段相同的柵區(qū)(2、3)，其中一段柵區(qū)鄰近光纖第一端，該段柵區(qū)做毛細(xì)鋼管(4)封裝，該段柵區(qū)的尾纖與毛細(xì)鋼管底部留有應(yīng)變空隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光纖光柵的復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置的測量方法，其特征在于包括以下過程 將測量裝置放置于溫控箱中加熱； 將光纖光柵傳感器(8)的光纖跳線連接在光纖光柵解調(diào)儀上； 加熱過程中，復(fù)合材料和標(biāo)準(zhǔn)試樣塊同時(shí)膨脹，由于兩者變化程度不同，將對光纖光柵產(chǎn)生拉力作用，引起光柵中心波長發(fā)生變化，利用相對測量方式實(shí)現(xiàn)對熱膨脹系數(shù)的測量，具體計(jì)算公式如下—4 …，^4- 2 ^L2認(rèn) 1 + (Mi - M2) )2 - a2Ckf,-- — + ________.............................一 ..........—......................................—........................■...........................■................................................... L0 L0ATL0AT 其中λ力待測復(fù)合材料塊熱膨脹系數(shù)，為標(biāo)準(zhǔn)試樣塊熱膨脹系數(shù)，Ls為光纖光柵傳感器d在標(biāo)準(zhǔn)試樣塊上的固定位置與夾具的距離，L0為光纖光柵傳感器在待測復(fù)合材料塊上的固定位置與夾具的距離，4為光纖光柵傳感器長度，力待測復(fù)合材料塊和標(biāo)準(zhǔn)試樣塊之間距離，為溫度變化量，由熱電偶測得，為柵區(qū)C2)引起的中心波長漂移量，AA2為柵區(qū)(3)引起的中心波長漂移量，為光纖光柵傳感器的應(yīng)變靈敏度，由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到，Λ為光纖光柵傳感器中心波長，由解調(diào)儀測得。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種基于光纖光柵復(fù)合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置和測量方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。該裝置由夾具(5)、標(biāo)準(zhǔn)試樣塊(7)、待測復(fù)合材料塊(6)和光纖光柵傳感器(8)組成；其中光纖光柵傳感器(8)的一端與標(biāo)準(zhǔn)試樣塊(7)的自由端固定，另一端與待測復(fù)合材料塊(6)的自由端固定。光纖光柵傳感器、待測復(fù)合材料塊、標(biāo)準(zhǔn)試樣塊放入溫控箱中，受熱發(fā)生膨脹，由于兩者變化程度不同，將對光纖光柵傳感器產(chǎn)生拉力作用，引起光柵中心波長發(fā)生變化。結(jié)合光纖光柵應(yīng)變靈敏特性和相對測量方法，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料不同長度區(qū)間熱膨脹系數(shù)的精確測量。
文檔編號G01N25/16GK102788810SQ201210246088
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者周雅斌, 孫曉明, 張倩昀, 曾捷, 穆昊 申請人:南京航空航天大學(xué)