本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器及其制造方法。

背景技術(shù)：

大型結(jié)構(gòu)件，如橋梁、船舶、高鐵軌道、風(fēng)機(jī)葉片、飛機(jī)機(jī)翼等，在長(zhǎng)期應(yīng)用中受振動(dòng)、腐蝕、濕熱老化以及惡劣環(huán)境等不利因素的影響，不可避免地產(chǎn)生疲勞和損傷積累；另外，一些突發(fā)事件，如重物碰撞、飛石和冰雹沖擊、雷擊等也會(huì)造成結(jié)構(gòu)件損傷積累和擴(kuò)展。在多數(shù)情況下，這種損傷積累和擴(kuò)展具有隱蔽性和突發(fā)性，給結(jié)構(gòu)件的使用留下了極大的安全隱患，甚至可能導(dǎo)致嚴(yán)重的突發(fā)性事故，造成無(wú)法挽回的損失?；谝陨蠁?wèn)題，在使役過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行在線健康監(jiān)測(cè)就顯得尤為重要。

受傳感器條件的制約，對(duì)結(jié)構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)通常采用射線、超聲、紅外等一些離線無(wú)損探傷方案。外貼應(yīng)變片、內(nèi)植應(yīng)變線等雖然可以做到一定程度的主動(dòng)在線監(jiān)測(cè)，然而這類傳感器脆弱、易腐蝕、壽命短、遭受外力沖擊后極易損毀，易受外界電磁場(chǎng)干擾，大型結(jié)構(gòu)件的在線健康監(jiān)測(cè)亟需一種靈敏度高、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高、壽命長(zhǎng)、抗老化、抗干擾的具有溫度監(jiān)測(cè)和應(yīng)變監(jiān)測(cè)能力的傳感器元件。

光纖光柵作為一種對(duì)應(yīng)變和溫度敏感的傳感元件，以光信號(hào)為測(cè)量信源，抗電磁干擾能力強(qiáng)，測(cè)量精度高，單根光纖可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)十個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)變和溫度的在線測(cè)量。然而，光纖光柵傳感器的本質(zhì)是刻制了光柵的玻璃纖維，直徑細(xì)小且硬脆，在植入或者外貼結(jié)構(gòu)件的過(guò)程時(shí)以及正常檢測(cè)工作中容易被外力破壞而脆斷失活，所以必須對(duì)其進(jìn)行封裝保護(hù)。

目前光纖光柵多用金屬或塑料材料封裝，封裝工藝復(fù)雜且成本較高；金屬密度大且容易被腐蝕，安裝維護(hù)不方便，此外金屬材料與復(fù)合材料兼容性較差，植入大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件容易形成缺陷。因此，制作一種非金屬、輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器，對(duì)延長(zhǎng)傳感器使用壽命具有重要意義。此外，如果這種復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器既能夠外貼于結(jié)構(gòu)件表面，也可以埋植于結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，對(duì)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部和表面實(shí)現(xiàn)分布式的溫度和應(yīng)變?cè)诰€測(cè)量，對(duì)結(jié)構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)將具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種復(fù)合材料封裝的適用于結(jié)構(gòu)件內(nèi)部和表面分布式健康監(jiān)測(cè)的光纖光柵傳感器及其制造方法。該傳感器把應(yīng)變光纖光柵和溫度光纖光柵封裝在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，不但提高了傳感器的測(cè)量精度，而且提高了光纖光柵傳感器安裝的成活率，此外，復(fù)合材料封裝結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕，可顯著延長(zhǎng)傳感器使用壽命，且該傳感器與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件具有很好的兼容性，可以外貼和內(nèi)植于結(jié)構(gòu)件，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，適合大型結(jié)構(gòu)件的內(nèi)部和表面分布式在線溫度和應(yīng)變的測(cè)量。該復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器制造方法簡(jiǎn)易、高效、穩(wěn)定，適合企業(yè)大批量快速生產(chǎn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器，包括：光纖光柵傳感組件、復(fù)合材料覆蓋層、樹(shù)脂封裝層和復(fù)合材料基板層；其中，所述復(fù)合材料覆蓋層和復(fù)合材料基板層形成包裹樹(shù)脂封裝層的外殼；

所述光纖光柵傳感組件包括一光纖，所述光纖的一端連接光纖連接器，另一端的最外部設(shè)有溫度光纖光柵，靠近溫度光纖光柵的一端光纖刻制若干個(gè)應(yīng)變光柵柵區(qū)，溫度光纖光柵和應(yīng)變光纖光柵串行排列，光纖平直無(wú)彎折；

其中，部分光纖光柵傳感組件設(shè)置在所述復(fù)合材料基板層上，該部分光纖光柵傳感組件至少包括所述溫度光纖光柵和應(yīng)變光柵柵區(qū)，并被所述樹(shù)脂封裝層封裝在其內(nèi)部；同時(shí)被復(fù)合材料覆蓋層和復(fù)合材料基板層封裝保護(hù)。

所述復(fù)合材料基板層為平板結(jié)構(gòu)，便于粘貼于結(jié)構(gòu)件的表面。所述復(fù)合材料覆蓋層為流線型結(jié)構(gòu)，流線型是物體的一種外部形狀，通常表現(xiàn)為平滑而規(guī)則的表面，沒(méi)有大的起伏和尖銳的棱角，這種流線型結(jié)構(gòu)在傳感器埋植結(jié)構(gòu)件(尤其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件)內(nèi)部時(shí)，有利于提高傳感器表面與待測(cè)結(jié)構(gòu)件基體的機(jī)械咬合和粘接強(qiáng)度，防止傳感器和待測(cè)結(jié)構(gòu)件基體分離。該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)既適合粘貼在被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面上，又適合埋植于被測(cè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，可實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面和內(nèi)部的溫度和應(yīng)變分布式測(cè)量。

優(yōu)選的，未封裝在樹(shù)脂封裝層中的光纖和其延伸至樹(shù)脂封裝層內(nèi)部分的光纖外部設(shè)有保護(hù)層，該外護(hù)層容易剝離；光纖及其外部的保護(hù)層形成本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的單芯光纜。

優(yōu)選的，所述復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器的底層表面為平面，上層表面為流線型表面；最大厚度不超過(guò)3mm，寬度在(10-40)mm，使得該傳感器體積小巧。

優(yōu)選的，所述光纖摻雜光敏材料，在光纖上刻制具有設(shè)定中心波長(zhǎng)的光柵柵區(qū)，作為傳感器的敏感元件。

優(yōu)選的，所述溫度光柵包括刻制在光纖上的溫度光柵柵區(qū)、以及套在所述溫度光柵柵區(qū)的保護(hù)管，所述保護(hù)管內(nèi)填充有導(dǎo)熱液。進(jìn)一步優(yōu)選的，所述保護(hù)管為硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管。所述硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管具有較高的剛度和強(qiáng)度，優(yōu)選不銹鋼毛細(xì)管或石墨毛細(xì)管。更進(jìn)一步，所述毛細(xì)管密封膠的材料優(yōu)選熱固性環(huán)氧膠。

光纖上刻制有兩個(gè)或兩個(gè)以上的光柵柵區(qū)，每個(gè)光柵柵區(qū)具有設(shè)定的長(zhǎng)度，各光柵柵區(qū)之間具有設(shè)定的間距，且各光柵柵區(qū)的中心波長(zhǎng)差距大于3nm，在最外端光柵柵區(qū)上外套保護(hù)管，保護(hù)內(nèi)填充導(dǎo)熱液，并膠封管口，該光柵柵區(qū)在保護(hù)管內(nèi)可以自由伸縮，不受外界應(yīng)力和應(yīng)變影響，形成溫度光柵，其余的光柵柵區(qū)均為應(yīng)變光柵。溫度光柵在光纖外端，應(yīng)變光柵相對(duì)靠?jī)?nèi)，溫度光柵僅一個(gè)，應(yīng)變光柵可刻制一個(gè)或者多個(gè)。

所述光纖連接器安裝在無(wú)光柵柵區(qū)的一端的光纖上，主要方便復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感組件與外界系統(tǒng)連接，同時(shí)避免了光纖熔接的工序。

優(yōu)選的，所述溫度光柵和若干個(gè)應(yīng)變光柵柵區(qū)設(shè)置在復(fù)合材料基板層上的具體方式是：以膠粘的方式固定在復(fù)合材料基板層上，粘接時(shí)保持光纖平直且施加一定的預(yù)應(yīng)力；優(yōu)選的膠粘固定點(diǎn)分別為光纜和裸露光纖的交界處、各光柵柵區(qū)之間以及保護(hù)管端部。

所述復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器的溫度測(cè)量由溫度光柵來(lái)完成，應(yīng)變測(cè)量由溫度光柵和應(yīng)變光柵共同完成，測(cè)量方法為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知。

優(yōu)選的，所述復(fù)合材料基板層包括纖維織物結(jié)構(gòu)和浸漬固化在所述纖維織物結(jié)構(gòu)上的樹(shù)脂層，形成熱固性樹(shù)脂固化纖維織物的復(fù)合材料薄板；厚度控制在1.5mm以下；所述復(fù)合材料基板層可以通過(guò)纖維織物的預(yù)浸布熱模壓成型、液態(tài)模塑成型或真空輔助灌注成型。所述纖維織物結(jié)構(gòu)是指采用增強(qiáng)纖維制成的三維立體編織結(jié)構(gòu)或采用增強(qiáng)纖維制成的二維平面編織布。所述增強(qiáng)纖維為玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、聚酯纖維中的一種或多種。所述樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂或其他熱固性樹(shù)脂。本發(fā)明的復(fù)合材料基板層主要起到定位、負(fù)載光纖光柵并將被測(cè)結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變和溫度傳遞到光柵柵區(qū)的作用，這就要求基板應(yīng)具有一定的剛度，但其剛度又不能過(guò)大，否則當(dāng)將其粘貼于被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面時(shí)，光纖光柵傳感器基片會(huì)起到加強(qiáng)筋的作用，影響測(cè)量精度；同時(shí)，為保證光纖光柵傳感器可以精確反映被測(cè)結(jié)構(gòu)件的溫度和應(yīng)變變化，基板材料需要具有極小的應(yīng)變傳遞損耗；所以，需要根據(jù)待測(cè)量結(jié)構(gòu)件的組成材料和測(cè)量要求，綜合考慮選擇上述的增強(qiáng)纖維，例如，測(cè)量鋼結(jié)構(gòu)件或玻璃鋼結(jié)構(gòu)件可選用玻璃纖維作為所述纖維織物的增強(qiáng)纖維，測(cè)量碳纖維結(jié)構(gòu)件的溫度和應(yīng)變優(yōu)選使用碳纖維作為所述纖維織物的增強(qiáng)纖維。

進(jìn)一步優(yōu)選的，采用致密的鋪層厚度為(0.2-1.0)mm的正交編織的玻璃纖維預(yù)浸布通過(guò)熱模壓成型方式制造。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述復(fù)合材料基板層使用脫模布進(jìn)行脫模，使復(fù)合材料基板層的上下兩個(gè)表面都形成類似磨砂的粗糙面；一方面提高復(fù)合材料基板層和樹(shù)脂封裝層的界面粘接強(qiáng)度，另一方面提高復(fù)合材料基板層和被測(cè)結(jié)構(gòu)件的界面粘接強(qiáng)度。

所述復(fù)合材料覆蓋層包括纖維織物結(jié)構(gòu)和浸漬固化在所述纖維織物結(jié)構(gòu)上的樹(shù)脂層，是由纖維織物通過(guò)真空輔助灌注的樹(shù)脂浸潤(rùn)和固化而得到，該纖維織物覆蓋在固定了光纖光柵傳感器組件的復(fù)合材料基板層上面。所述纖維織物結(jié)構(gòu)是指采用增強(qiáng)纖維制成的三維立體編織結(jié)構(gòu)或二維平面編織布。所述增強(qiáng)纖維為玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、聚酯纖維中的一種或多種。所述樹(shù)脂為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、乙烯基樹(shù)脂或其他熱固性樹(shù)脂。

更進(jìn)一步，本發(fā)明的復(fù)合材料傳感器最終成型采用真空輔助灌注工藝，灌注樹(shù)脂前先抽真空纖維織物，灌注樹(shù)脂時(shí)繼續(xù)抽真空以保持液態(tài)樹(shù)脂灌注空間的高真空度，可避免復(fù)合材料覆蓋層和封裝樹(shù)脂層中有氣泡和缺陷產(chǎn)生，與傳統(tǒng)澆鑄或灌注樹(shù)脂工藝相比，能顯著提高光纖光柵傳感器的測(cè)量精確度和穩(wěn)定性。

進(jìn)一步優(yōu)選的，所述復(fù)合材料覆蓋層纖維織物結(jié)構(gòu)為電子級(jí)正交編織玻璃纖維布(稱為電子布)。

本發(fā)明中復(fù)合材料基板層和復(fù)合材料覆蓋層可以采用同種樹(shù)脂，也可以采用不同的樹(shù)脂。

所述樹(shù)脂封裝層是由填充于復(fù)合材料基板層和復(fù)合材料覆蓋層之間的樹(shù)脂固化而成；所述溫度光柵和若干個(gè)應(yīng)變光柵的柵區(qū)被完全包覆于樹(shù)脂封裝層中。

所述復(fù)合材料覆蓋層與樹(shù)脂封裝層為一體化成型結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料覆蓋層中的纖維織物結(jié)構(gòu)和該纖維織物結(jié)構(gòu)與所述復(fù)合材料基板層之間的空隙采用真空輔助灌注樹(shù)脂固化成型，得到一體化的復(fù)合材料覆蓋層和樹(shù)脂封裝層。

本發(fā)明所述的復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器同時(shí)具有應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)能力，該傳感器為平板結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕薄且具有很高的剛度和韌性，可以方便地貼附于被測(cè)結(jié)構(gòu)件表面，也可以埋植于被測(cè)結(jié)構(gòu)件內(nèi)部，靈敏度高。

所述纖維織物結(jié)構(gòu)是指采用增強(qiáng)纖維制成的三維立體編織結(jié)構(gòu)或二維平面編織結(jié)構(gòu)，該織物表面平整，復(fù)合材料覆蓋層和復(fù)合材料基板層在平面上各種性質(zhì)為各向同性，避免傳統(tǒng)的單向纖維鋪層因?yàn)槔w維的各向異性引起應(yīng)力集中，使光柵失活或引起較大測(cè)量誤差。纖維織物使工藝簡(jiǎn)單，光纖光柵可以在任意方向鋪設(shè)，不局限于必須與纖維平行，光纖光柵成活率提高，測(cè)量精度提高，穩(wěn)定性好，壽命長(zhǎng)。

本發(fā)明還提供一種所述復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器的制造方法，包括以下工序：

復(fù)合材料基板制造工序：截取設(shè)定面積的纖維織物或纖維織物預(yù)浸布，采用成型工藝制備得到復(fù)合材料基板；

其中，纖維織物預(yù)浸布為纖維織物浸潤(rùn)液態(tài)樹(shù)脂后形成的未固化的纖維織物布，是一種未固化的樹(shù)脂和纖維織物布的復(fù)合體系。

光纖光柵傳感組件制造工序：取一端具備保護(hù)層的光纖，在不包裹保護(hù)層的光纖上刻制至少兩個(gè)光纖光柵柵區(qū)，其中一個(gè)光柵柵區(qū)位于所述不包裹保護(hù)層的光纖末端，并在所述末端的光柵柵區(qū)上外套保護(hù)管，保護(hù)管內(nèi)填充導(dǎo)熱液并密封管口，形成一條光纖光柵傳感器組件；

組裝工序：將所述一條光纖光柵傳感組件固定在所得復(fù)合材料基板上或者將至少2條光纖光柵傳感組件按照設(shè)定間距平行固定在所得復(fù)合材料基板上，然后覆蓋纖維織物；

成型工序：所述覆蓋纖維織物和該纖維織物與所述復(fù)合材料基板層之間的空隙采用真空輔助灌注樹(shù)脂固化成型，得到復(fù)合材料覆蓋層和樹(shù)脂封裝層；

若是組裝工序中光柵傳感器組件的條數(shù)大于等于2，則成型工序之后進(jìn)行裁切工序，以平行于光纖光柵傳感組件的方向進(jìn)行裁切；

在具備保護(hù)層的光纖末端連接光纖連接器，即得到復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器。

在復(fù)合材料基板制造工序中，所述纖維織物為增強(qiáng)纖維通過(guò)編織工藝(二維編織或者三維編織等工藝)制作的具有設(shè)定厚度和強(qiáng)度的編織布。

所述復(fù)合材料基板層的成型工藝可為預(yù)浸布熱模壓成型、液態(tài)模塑成型或真空輔助灌注成型工藝等。

通過(guò)所述復(fù)合材料基板制造工序得到的復(fù)合材料基板層為一薄層復(fù)合材料平板。

在光纖光柵傳感組件制造工序中，所述一端具備保護(hù)層的光纖的制作方法進(jìn)一步如下：截取設(shè)定長(zhǎng)度包覆外護(hù)層、摻雜光敏材料的光纜，在其一端剝?nèi)ピO(shè)定長(zhǎng)度的外護(hù)層。

每個(gè)光柵柵區(qū)具有不同的中心波長(zhǎng)，光柵柵區(qū)具有設(shè)定長(zhǎng)度，各光柵柵區(qū)之間具有設(shè)定的間距。

在組裝工序中，所述固定的方式為膠黏；膠黏固定點(diǎn)為具備保護(hù)層和不具備保護(hù)層光纖上的交界處、各個(gè)光柵柵區(qū)之間以及保護(hù)管的兩個(gè)端部。

在裁切工序中，裁切時(shí)，使光纖光柵傳感組件在被切割成的條形復(fù)合材料的中線上。

上述技術(shù)方案中的一個(gè)技術(shù)方案具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種同時(shí)具有應(yīng)變和溫度檢測(cè)功能的復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器，該傳感器強(qiáng)度高、韌性好、輕薄、耐腐蝕且與復(fù)合材料具有很高的兼容性，提高了光纖光柵傳感器安裝的成活率和測(cè)量精度，擴(kuò)大了其應(yīng)用范圍，使其可直接應(yīng)用于被測(cè)結(jié)構(gòu)件的在線健康監(jiān)測(cè)。該傳感器整體結(jié)構(gòu)為薄片復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，可以粘貼于結(jié)構(gòu)件表面，或埋植于結(jié)構(gòu)件內(nèi)部。

(2)本發(fā)明將具有傳感功能的敏感部件完全包埋于復(fù)合材料外殼中，并且中間具有樹(shù)脂封裝層將光纖光四周完全充滿，在復(fù)雜的工作環(huán)境中不會(huì)出現(xiàn)光纖光柵與復(fù)合材料基板層和復(fù)合材料覆蓋層脫粘的現(xiàn)象，測(cè)試結(jié)果具有較高的精確度及穩(wěn)定性，能夠適用于惡劣環(huán)境監(jiān)測(cè)。

(3)本發(fā)明將應(yīng)變光纖光柵和溫度光纖光柵放置在同一根光纖上串行布置，此設(shè)計(jì)更加有利于光信號(hào)的傳遞，制備得到的復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器同時(shí)具有應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)能力，該傳感器體積小，質(zhì)量輕薄且具有很高的剛度和韌性，靈敏度高。

(4)本發(fā)明還提供了該復(fù)合材料封裝的光柵光纖傳感器制造方法，該方法易操作、效率高，一個(gè)制作周期可以同時(shí)制造多個(gè)相同的光纖光柵傳感器，適合企業(yè)大批量快速生產(chǎn)。

(5)本發(fā)明的復(fù)合材料封裝的光柵光纖傳感器制造方法中，采用了二次固化工藝，第一次成型為復(fù)合材料基板層成型，成型工藝可為預(yù)浸布熱模壓成型、液態(tài)模塑成型或真空輔助灌注成型，形成厚度小于1.5mm的復(fù)合材料薄層平板；第二次成型為真空輔助灌注工藝成型，完成傳感器的封裝過(guò)程，二次固化工藝顯著提高了層間界面強(qiáng)度，從而提高光纖光柵傳感器的測(cè)試精度和穩(wěn)定性。

(6)本發(fā)明采用三維編織或者二維編織的纖維織物作為增強(qiáng)材料，三維編織或者二維編織的纖維織物的性質(zhì)在面內(nèi)方向?yàn)楦飨蛲?，避免了因?yàn)槔w維的各向異性而引起的應(yīng)力集中及其導(dǎo)致的光柵容易失活或引起較大測(cè)量誤差。編織織物使光纖光柵的鋪設(shè)不必受限于光纖必須與增強(qiáng)纖維方向平行，簡(jiǎn)化了制造工藝和成本，提高了光纖光柵成活率、測(cè)量精度、穩(wěn)定性和使用壽命。

附圖說(shuō)明

圖1為一種復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器主視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為一種復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器俯視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器的橫截面示意圖；

圖4為光纖光柵傳感器實(shí)際測(cè)試的中心波長(zhǎng)-溫度關(guān)系曲線；

圖5為光纖光柵傳感器實(shí)際測(cè)試的中心波長(zhǎng)-應(yīng)變關(guān)系曲線；

圖6為封裝多條光纖光柵傳感組件的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，1-光纜、2-應(yīng)變光柵、3-溫度光柵、4-硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管、5-光纖連接器、6-復(fù)合材料覆蓋層、7-樹(shù)脂封裝層、8-復(fù)合材料基板層、9-毛細(xì)管口密封膠、10-膠粘固定點(diǎn)、11-光纖、12-外護(hù)層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

本發(fā)明的術(shù)語(yǔ)解釋：

光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)寫(xiě)，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，可作為光傳導(dǎo)工具。它質(zhì)地脆，易斷裂，因而需要外加一保護(hù)層。

光纜是由光導(dǎo)纖維和保護(hù)套管構(gòu)成，外層的保護(hù)結(jié)構(gòu)可防止周遭環(huán)境對(duì)光纖的傷害。單芯光纜即為包含一條光纖的光纜。

預(yù)浸布是纖維織物浸潤(rùn)液態(tài)樹(shù)脂后形成的未固化的纖維織物布，是一種未固化的樹(shù)脂和纖維織物布的復(fù)合體系。

預(yù)浸布熱模壓成型是一種成型工藝，基本過(guò)程是：將一定量經(jīng)一定經(jīng)過(guò)預(yù)浸樹(shù)脂處理的模壓料放入預(yù)熱的模具內(nèi)，施加較高的壓力使模壓料填充模腔。在一定的壓力和溫度下使模壓料逐漸固化，然后將制品從模具內(nèi)取出，根據(jù)實(shí)際情況選擇再進(jìn)行其他的輔助加工即得產(chǎn)品。

液態(tài)模塑成型是指將液體聚合物注入鋪有纖維預(yù)成型體的閉合膜腔中，或加熱融化預(yù)先放入模腔內(nèi)的數(shù)值膜，液態(tài)聚合物在流動(dòng)充模的同時(shí)完成樹(shù)脂/纖維的浸潤(rùn)并經(jīng)固化成型為制品的一類制備技術(shù)。

真空輔助樹(shù)脂灌注成型是一種新型高性能、非熱壓罐成型的低成本的復(fù)合材料制件的成型工藝，是指在真空狀態(tài)下排除纖維增強(qiáng)體的氣體，通過(guò)事先設(shè)計(jì)好的流道，利用樹(shù)脂的流動(dòng)、滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維預(yù)制件的浸漬、固化。

本發(fā)明中“若干個(gè)”或“若干層”是指包括數(shù)量為一個(gè)/層、兩個(gè)/層或兩個(gè)/層以上。

下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的解釋描述：

一種復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器包括光纖光柵傳感組件、復(fù)合材料覆蓋層6、樹(shù)脂封裝層7和復(fù)合材料基板層8。光纖光柵傳感器組件包括光纜1、應(yīng)變光柵2、溫度光柵3、硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4和光纖連接器5。應(yīng)變光柵2、溫度光柵3、硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4和部分光纜封裝在樹(shù)脂封裝層7中，復(fù)合材料覆蓋層6和復(fù)合材料基板層8對(duì)樹(shù)脂封裝層7和光纖光柵傳感器組件進(jìn)行安全保護(hù)。

其中，光纜1由光纖11和外護(hù)層12構(gòu)成，光纜1的一端剝?nèi)ピO(shè)定長(zhǎng)度的外護(hù)層形成裸露的光纖，在裸露的光纖上刻制兩個(gè)或兩個(gè)以上的光柵柵區(qū)，其中一個(gè)光柵柵區(qū)位于裸露的光纖的末端；光纜另一端連接光纖連接器5。在裸露光纖末端的一個(gè)光柵柵區(qū)外套硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4，硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4中填充導(dǎo)熱液并封口，組成溫度光柵3；其余光柵柵區(qū)為應(yīng)變光柵2。

所述復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器是一個(gè)上、中、下三層結(jié)構(gòu)，上層為復(fù)合材料覆蓋層6、中層為樹(shù)脂封裝層7、下層為復(fù)合材料基板層8，其中復(fù)合材料基板層8的底面為平板結(jié)構(gòu)，方便粘貼于結(jié)構(gòu)件表面。光纖11、應(yīng)變光柵2、溫度光柵3、硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4和部分光纜均封裝于中層樹(shù)脂封裝層7中。該傳感器為底層平面結(jié)構(gòu)，上層流線型表面的薄板結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，最大厚度不超過(guò)3mm。

所述復(fù)合材料基板層8是熱固性樹(shù)脂固化纖維織物的復(fù)合薄板，厚度控制在1.5mm以下，所述的復(fù)合材料基板可以通過(guò)纖維織物的預(yù)浸布熱模壓成型、液態(tài)模塑成型、真空輔助灌注成型等工藝技術(shù)制造，優(yōu)選采用致密的鋪層厚度為(0.2～1.0)mm正交編織的玻璃纖維預(yù)浸料通過(guò)熱模壓成型，更進(jìn)一步，優(yōu)選使用脫模布進(jìn)行脫模。

所述復(fù)合材料覆蓋層6由一層或多層纖維織物，通過(guò)真空輔助灌注的樹(shù)脂浸潤(rùn)和固化而得到，該纖維織物覆蓋在固定了光纖光柵傳感器組件的復(fù)合材料基板層8上面。上述纖維織物優(yōu)選電子級(jí)正交編織的玻璃纖維布。

所述樹(shù)脂封裝層7由填充于復(fù)合材料基板層8和復(fù)合材料覆蓋層6之間的樹(shù)脂固化而成，光纖光柵組件被完全包覆于樹(shù)脂封裝層中7。

更進(jìn)一步，所述復(fù)合材料基板層8和復(fù)合材料覆蓋層6所使用的織物纖維可以是玻璃纖維、碳纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維、聚酯纖維或混編纖維，所述復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器使用的熱固性樹(shù)脂可以為環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚氨酯樹(shù)脂、不飽和聚酯或者乙烯基樹(shù)脂等。更進(jìn)一步，復(fù)合材料基板層8和復(fù)合材料覆蓋層6可以采用同種樹(shù)脂，也可以采用不同的樹(shù)脂。

所述三層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的作用是封裝并保護(hù)應(yīng)變光柵和溫度光柵，其長(zhǎng)度大于剝?nèi)ネ庾o(hù)層的裸露光纖的長(zhǎng)度。

所述光纜1為單芯光纜，由摻雜光敏材料的光纖11和外護(hù)層12構(gòu)成，且保護(hù)層容易剝離，光纖11可以刻制具有設(shè)定中心波長(zhǎng)的光柵柵區(qū)，作為傳感器元件。

所述光纜1的尾端剝除外護(hù)層后形成裸露的光纖，在光纖上刻制兩個(gè)或兩個(gè)以上的光柵柵區(qū)，光柵柵區(qū)具有設(shè)定的長(zhǎng)度和間距，且各光柵柵區(qū)中心波長(zhǎng)差距大于3nm，在最外端光柵柵區(qū)上外套硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4，填充導(dǎo)熱液，并密封管口，形成溫度光柵3，其余的光柵柵區(qū)均為應(yīng)變光柵2。溫度光柵3在光纖外端，應(yīng)變光柵2相對(duì)靠?jī)?nèi)，溫度光柵3僅一個(gè)，應(yīng)變光柵2可刻制一個(gè)或者多個(gè)。

更進(jìn)一步，所述光纖光柵傳感器組件可以由光纜刻制光柵串制作，也可以由購(gòu)買的商品光纖光柵串與傳輸光纖熔接制作。

所述硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4具有較高的剛度和強(qiáng)度，優(yōu)選不銹鋼毛細(xì)管或石墨毛細(xì)管。更進(jìn)一步，所述毛細(xì)管密封膠9的材料優(yōu)選熱固性環(huán)氧膠。

所述光纖連接器5安裝在光纜的無(wú)光柵柵區(qū)的另一端連接光纜內(nèi)部光纖。

所述光纖光柵傳感器組件以膠粘的方式固定在復(fù)合材料基板層8上，如附圖1和圖2所示，優(yōu)選的膠粘固定點(diǎn)10分別為光纜1和裸纖的交界處、各光柵柵區(qū)之間以及硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管4端部。

本發(fā)明提供一種復(fù)合材料封裝光纖光柵傳感器的制造方法，具體步驟如下：

1.截取設(shè)定面積的纖維織物或纖維織物預(yù)浸布，高溫、高壓浸膠固化制作包含1層或幾層纖維織物的復(fù)合材料薄層平板，作為傳感器的復(fù)合材料基板；

2.截取設(shè)定長(zhǎng)度包覆外護(hù)層、摻雜光敏材料的光纜，在其一端剝?nèi)ピO(shè)定長(zhǎng)度的外護(hù)層，在裸纖上刻制多個(gè)光柵柵區(qū)，每個(gè)光柵具有不同的中心波長(zhǎng)，光柵柵區(qū)具有設(shè)定長(zhǎng)度和間距，并在最外端的光柵柵區(qū)上外套硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管，毛細(xì)管內(nèi)填充導(dǎo)熱液并密封管口，形成一條光纖光柵傳感器組件；

3.把多條步驟2所得的光纖光柵傳感器組件按照設(shè)定間距平行放置在步驟1所得的復(fù)合材料基板上，要求光纖光柵傳感器組件以及部分光纜都在步驟1所得的復(fù)合材料基板上，如圖6所示；

4.把步驟3中的光纖光柵傳感器組件膠粘固定在復(fù)合材料基板上，使光纖平直且承載一定的預(yù)應(yīng)力，膠粘固定點(diǎn)分別為光纜和裸露光纖的交界處、各光柵柵區(qū)之間以及硬質(zhì)耐熱毛細(xì)管端部；

5.在步驟4所得的固定了光纖光柵傳感器組件的基板上，覆蓋若干層與復(fù)合材料基板層相同尺寸的纖維織物，真空輔助灌注樹(shù)脂并固化成型；

6.針對(duì)步驟5所得的復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器毛坯，根據(jù)步驟3中光纖光柵傳感器組件平行放置的間距，且以平行于光纖光柵組件的方向進(jìn)行等間距裁切(如圖6所示)，切割時(shí)使光纖光柵傳感器組件在被切割成的條形復(fù)合材料的中線上；

7.在切割下的光纖光柵傳感器的光纜上安裝光纖連接器，從而一次性制造了多個(gè)同時(shí)具有溫度和應(yīng)變?cè)诰€監(jiān)測(cè)功能的復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器。

實(shí)施例1：一種玻璃纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器

一種玻璃纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器包括玻璃纖維覆蓋層、環(huán)氧樹(shù)脂封裝層、玻璃纖維基板層、光纜、溫度光柵、應(yīng)變光柵、不銹鋼管毛細(xì)管和光纖連接器。環(huán)氧樹(shù)脂封裝層在玻璃纖維覆蓋層和玻璃纖維基板層中間。光纜的裸露光纖端刻制三個(gè)不同中心波長(zhǎng)光柵柵區(qū)，分別作為1個(gè)溫度光柵和2個(gè)應(yīng)變光柵包埋于玻璃纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)環(huán)氧樹(shù)脂封裝層中，光纜另一端連接光纖連接器。

一種玻璃纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器的制造方法如下：

1.截取三片150mm×500mm面密度400g/平的玻璃纖維正交編織布，取其中一片玻璃纖維正交編織布，通過(guò)真空輔助灌注工藝浸潤(rùn)環(huán)氧樹(shù)脂，固化后得到包含一層玻璃纖維復(fù)合材料薄層平板，作為玻璃纖維復(fù)合材料基板；

2.截取600mm光纜，在光纜一端剝?nèi)?0mm的外護(hù)層，在裸纖上刻制三個(gè)中心波長(zhǎng)分別為1532nm、1542nm、1552nm光柵柵區(qū)，柵區(qū)長(zhǎng)10mm，間距10mm，并在最外端的光柵柵區(qū)上外套不銹鋼毛細(xì)管，填充導(dǎo)熱液，管口用環(huán)氧膠密封，形成一條光纖光柵傳感器組件；

3.把20條步驟2所得的光纖光柵傳感器組件按照25mm的間距平行放置在步驟1所得的玻璃纖維復(fù)合材料基板上，使光纖光柵傳感器組件中裸露的光纖、光柵柵區(qū)、不銹鋼毛細(xì)管以及部分光纜在步驟1所得的復(fù)合材料基板上；

4.把步驟3中的光纖光柵傳感器組件膠粘固定在步驟1所得的復(fù)合材料基板上，使光纖平直且承載一定的預(yù)應(yīng)力，膠粘固定點(diǎn)分別為光纜和光纖交界處、各光柵柵區(qū)之間以及不銹鋼毛細(xì)管端部；

5.在步驟4所得的固定了光纖光柵傳感器組件的復(fù)合材料基板上，覆蓋2層電子級(jí)玻璃纖維正交編織布，然后真空輔助灌注環(huán)氧樹(shù)脂，固化成型；

6.針對(duì)步驟5所得的復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器毛坯，每間隔25mm，以平行于光纖光柵組件的方向進(jìn)行等間距切割，切割時(shí)務(wù)必保證光纖光柵傳感器組件在被切割下的條形復(fù)合材料封裝的光纖光柵的傳感器中線上；

7.在步驟6切割下的光纖光柵的傳感器的光纜上安裝光纖連接器，從而一次性制造了20個(gè)同時(shí)具有應(yīng)變和溫度監(jiān)測(cè)功能的玻璃纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器，可用于結(jié)構(gòu)件的健康監(jiān)測(cè)。

采用本實(shí)施例制造的玻璃纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器，實(shí)測(cè)了從-30℃到60℃的升溫過(guò)程中的中心波長(zhǎng)變化，如圖4所示，通過(guò)等強(qiáng)度梁法測(cè)量的不同應(yīng)變下的中心波長(zhǎng)變化，如圖5所示。溫度測(cè)量和應(yīng)變測(cè)量與精密測(cè)溫儀和應(yīng)變片測(cè)量值均相等，并顯示了很高的測(cè)量精度。

實(shí)施例2：一種碳纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器

一種碳纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器包括碳纖維覆蓋層、環(huán)氧封裝層、碳纖維基板層、光纜、溫度光柵、應(yīng)變光柵、鋁合金毛細(xì)管和光纖連接器。在光纜裸露光纖的一端刻制2個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光柵柵區(qū)，分別作為一個(gè)溫度光柵和一個(gè)應(yīng)變光柵包埋于碳纖維復(fù)合材料的覆蓋層和基板層組成的環(huán)氧封裝層中，光纜另一端連接光纖連接器。

一種碳纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器的制作方法如下：

1.截取1片130mm×500mm的碳纖維編織預(yù)浸布和2片130mm×500mm的碳纖維編織布，取其中1片碳纖維編織預(yù)浸布，通過(guò)熱壓工藝固化后得到碳纖維復(fù)合材料薄層平板，作為碳纖維復(fù)合材料基板；

2.截取500mm光纜，在光纜一端剝?nèi)?0mm的外護(hù)層，在裸纖上刻制2個(gè)中心波長(zhǎng)分別為1536nm、1542nm光柵柵區(qū)，柵區(qū)長(zhǎng)10mm，間距10mm，并在最外端的光柵柵區(qū)上外套鋁合金毛細(xì)管，管口以及光纖和管口之間的間隙用環(huán)氧膠膠封，形成一條光纖光柵傳感器組件；

3.把25條步驟2所得的光纖光柵傳感器組件按照20mm的間距平行放置在步驟1所得的復(fù)合材料基板上；

4.把步驟3所得的光纖光柵傳感器組件膠粘固定在步驟1所得的碳纖維復(fù)合材料基板上，使光纖平直且承載一定的預(yù)應(yīng)力，膠粘固定點(diǎn)分別為光纜和光纖交界處、各光柵柵區(qū)之間以及鋁合金毛細(xì)管端部；

5.在步驟4所得的固定了光纖光柵傳感器組件的基板上，覆蓋2層碳纖維編織布，然后真空輔助灌注環(huán)氧樹(shù)脂并固化成型；

6.針對(duì)步驟5所得的復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器毛坯，每間隔20mm，以平行于光纖光柵傳感器組件的方向進(jìn)行等間距裁切，切割時(shí)務(wù)必保證光纖光柵傳感器組件在被切割下的條形復(fù)合材料傳感器的中線上；

7.在切割下的光纖光柵傳感器的光纜上安裝光纖連接器，從而一次性制造了25個(gè)同時(shí)具有溫度和應(yīng)變測(cè)量功能的碳纖維復(fù)合材料封裝的光纖光柵傳感器。

上述實(shí)施例為本發(fā)明較佳的實(shí)施方式，但本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。