一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種光纖光柵傳感器保護(hù)方法，屬于光纖傳感和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域；首先將復(fù)合材料層壓板(2)固定于工作臺上；光纖光柵傳感器(5)的兩端套上保護(hù)套管(4)后置于復(fù)合材料層壓板表面，套管伸入復(fù)合材料層壓板端面一定距離，用快干膠將光纖和套管固定，在復(fù)合材料層壓板表面上均勻地涂μmm厚的粘接劑將光纖(3)和保護(hù)套管固定；然后將玻璃纖維布(1)整齊地平鋪在粘接劑上，在纖維布周邊安裝膩子條，用膩子條固定抽真空專用薄膜，常溫下利用抽真空裝置對整個玻璃纖維布面進(jìn)行抽真空操作，直至相對真空度達(dá)到?0.1MPa；最后將整個結(jié)構(gòu)常溫固化γ小時。對比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明工藝流程簡單，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和裝配影響較小。
【專利說明】
一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種表貼在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，屬于光纖傳感和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光纖傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖光柵傳感器在工程測量中的應(yīng)用越來越為廣泛。相對于傳統(tǒng)傳感器，它有其自身很多的優(yōu)點(diǎn)，如尺寸小，傳輸過程能量損耗小，波分復(fù)用及分布式傳感，耐高溫，抗腐蝕，不受電磁干擾，可以在惡劣環(huán)境中工作等。
[0003]由于光纖傳感器尺寸較小(155μπι)，易埋入復(fù)合材料，近幾年來，光纖光柵傳感器逐漸被應(yīng)用在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康檢測及智能復(fù)合材料領(lǐng)域中。一些研究中將傳感器內(nèi)埋在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中搭建成為智能的健康監(jiān)測系統(tǒng)，這樣可以有效地保護(hù)光纖傳感器在監(jiān)測過程中避免受到外界環(huán)境的影響，但是將光纖光柵傳感器置于復(fù)合材料內(nèi)部鋪層之間可能會對復(fù)合材料固化成型后的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，如抗拉、抗彎、疲勞等性能，隨著帶來航空航天結(jié)構(gòu)安全隱患，同時出入口方式也會嚴(yán)重制約結(jié)構(gòu)件之間的裝配。因此一般常規(guī)方法是將光纖光柵傳感器用膠粘劑直接安裝于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面，易受膠粘劑老化性能的影響，且安裝工藝難以控制，操作繁瑣，環(huán)境惡劣時容易受到損壞或者精度降低，因此目前迫切需要一種與復(fù)合材料層壓板單層相似的傳感器保護(hù)方式，既不影響復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又能與復(fù)合材料有很好的相容性，方便快捷地實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是一方面為解決將光纖光柵傳感器埋入復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時會引入內(nèi)部缺陷，影響復(fù)合材料本身結(jié)構(gòu)性能，光纖出入口易斷，影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配的難題，另一方面為解決光纖光柵傳感器采用傳統(tǒng)的膠粘劑安裝于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面時，膠粘劑抗老化性能差，安裝工藝難以控制，操作繁瑣，環(huán)境惡劣時易損壞等問題，提出一種表貼在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，實現(xiàn)了對光纖光柵傳感器與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合與保護(hù)，亦可對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康狀況實時監(jiān)測，減少按期周檢，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果視情維修，減小了人、財、物的投入，同時可避免由結(jié)構(gòu)失效帶來的人員安全事故及經(jīng)濟(jì)損失。
[0005]本發(fā)明的思想是采用玻璃纖維布帶膠層抽真空的方式對表貼在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖進(jìn)行保護(hù)，同時在端部采用超細(xì)聚酰亞胺套管進(jìn)行出入口保護(hù);實現(xiàn)了對光纖光柵傳感器與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的緊密結(jié)合與保護(hù)，亦可對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康狀況實時監(jiān)測，減少按期周檢，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果視情維修，減小了人、財、物的投入，同時可避免由結(jié)構(gòu)失效帶來的人員安全事故及經(jīng)濟(jì)損失。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0007 ] 一種表貼在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，包括以下步驟:
[0008](I)將復(fù)合材料層壓板水平固定于工作臺上；
[0009](2)光纖光柵傳感器的兩端套上保護(hù)套管，并將其置于復(fù)合材料層壓板表面，套管伸入復(fù)合材料層壓板端面λ距離，用快干膠將光纖和套管連接處固定，并在光纖與套管上任選幾個點(diǎn)，用快干膠固定在復(fù)合材料層壓板上，以此固定整個光纖和套管在復(fù)合材料層壓板上的位置；
[0010](3)在光纖和套管需要玻璃纖維布保護(hù)的復(fù)合材料層壓板表面區(qū)域涂μ厚度的粘接劑，將玻璃纖維布整齊地平鋪在粘接劑上，在纖維布周邊的工作臺上安裝膩子條，然后將抽真空專用的不粘膠薄膜平鋪在玻璃纖維布上，并用膩子條將抽真空專用的不粘膠薄膜周邊完全粘緊，在不粘膠薄膜上安裝抽真空孔，常溫下利用抽真空裝置對整個玻璃纖維布面進(jìn)行抽真空操作，直至相對真空度達(dá)到h
[0011](4)整個結(jié)構(gòu)常溫固化時間為γ ;
[0012](5)固化完成后，抽真空裝置停止工作，去掉抽真空孔、不粘膠薄膜和膩子條，得到在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面采用玻璃纖維布進(jìn)行保護(hù)的光纖光柵傳感器。
[0013]作為優(yōu)選，所述λ應(yīng)介于5mm到1mm之間，λ值太小會導(dǎo)致套管易拉出，對光纖出口保護(hù)不到位;λ值太大易對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面帶來附加粗糙度，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配等有影響，同時帶來套管的材料浪費(fèi)。
[0014]作為優(yōu)選，所述μ應(yīng)介于0.2_到0.5_之間，μ值太小會導(dǎo)致局部貧膠，光纖和套管不能很好地完全固定在復(fù)合材料層壓板上，導(dǎo)致粘接劑固化后光纖光柵傳感器和套管的位置偏離，影響測試準(zhǔn)確性;μ值太大，會造成太多膠富集在復(fù)合材料表面，影響復(fù)合材料厚度，同時也帶來粘接劑的浪費(fèi)。
[0015]作為優(yōu)選，所述δ應(yīng)滿足小于-0.1MPa，因δ值大于-0.1MPa后會導(dǎo)致粘接劑中的空氣不能很好地排出，導(dǎo)致粘接劑固化后有氣泡，帶來局部應(yīng)力集中，影響光纖光柵傳感器的保護(hù)效果。
[0016]作為優(yōu)選，所述γ應(yīng)介于24小時至30小時之間，因γ值太小會造成粘接劑不能在真空環(huán)境下充分固化，在之后使用過程中造成玻璃纖維布易脫落，不能很好地保護(hù)光纖光柵傳感器；γ值太大，會造成抽真空用電的浪費(fèi)。
[0017]作為優(yōu)選，所述保護(hù)套管為高強(qiáng)度、耐溫范圍超過300°C、外徑小于Imm的軟質(zhì)管材。
[0018]作為優(yōu)選，當(dāng)所述光纖光柵傳感器替換為光纖光柵串或分布式傳感網(wǎng)絡(luò)時能實現(xiàn)系統(tǒng)的單根引線、多點(diǎn)測量。
[0019]有益效果
[0020]本發(fā)明是為解決實現(xiàn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的一種光纖光柵傳感器而提出的一種保護(hù)方法，工藝流程簡單，易于實施，耐久性能好，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能影響小，方便結(jié)構(gòu)件之間的裝配。該方法實現(xiàn)了對光纖、光柵及出入口的全面保護(hù)，光纖光柵傳感器在外載荷作用下容易發(fā)生損壞及表貼出入口處易發(fā)生脆斷等問題得到了解決。由于玻璃纖維布較薄，套管直徑超細(xì)，此保護(hù)措施對待測結(jié)構(gòu)的整體性能影響較小，避免了將傳感器內(nèi)埋于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部帶來的內(nèi)部缺陷對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響。此外，該法對制作智能復(fù)合材料及保護(hù)用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)也提供了一個新的途徑。
【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明的工作原理示意圖；
[0022]圖2是光纖埋入復(fù)合材料微觀界面圖；
[0023]圖3是內(nèi)埋光纖對復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的影響示意圖；
[0024]圖4是內(nèi)埋光纖和表貼光纖的復(fù)合材料縱切面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]附圖標(biāo)記:1-玻璃纖維布，2-復(fù)合材料層壓板，3-光纖，4-保護(hù)套管，5-光纖光柵傳感器。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做以下詳細(xì)描述。
[0027]參閱圖1，一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，具體的實施步驟如下:
[0028]I，將復(fù)合材料層壓板2水平固定于工作臺上；
[0029]2，光纖光柵傳感器5的兩端套上保護(hù)套管4，并將其置于復(fù)合材料層壓板2表面，套管伸入復(fù)合材料層壓板2端面10_，用快干膠將光纖和套管連接處固定，在層壓板表面上均勻地涂0.5mm厚的粘接劑將光纖3和保護(hù)套管4固定；
[0030]3，將玻璃纖維布I整齊地平鋪在粘結(jié)劑上，在纖維布周邊安裝膩子條，用膩子條固定抽真空專用薄膜，常溫下利用抽真空裝置對整個玻璃纖維布面進(jìn)行抽真空操作，直至相對真空度達(dá)到-0.1MPa;
[0031]4，維持真空度為-0.1MPa，將整個結(jié)構(gòu)常溫固化24小時。
[0032]所述保護(hù)套管(4)為高強(qiáng)度、耐溫范圍超過300°C、外徑小于Imm的軟質(zhì)管材，本實施例中使用外徑為0.9mm的聚酰亞胺套管或尼龍?zhí)坠堋?br>[0033]所述光纖光柵傳感器(5)也可以為光纖光柵串或分布式傳感網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的單根引線、多點(diǎn)測量。
[0034]試驗結(jié)果:
[0035]I)光纖光柵傳感器埋入復(fù)合材料
[0036]首先，光纖光柵傳感器埋入復(fù)合材料，取O度(光纖平行于碳纖維方向)和90度(光纖垂直于碳纖維方向)兩個極端為例，光纖埋入復(fù)合材料微觀界面圖如圖2所示，由a)可以看出光纖直徑至少為碳纖維直徑的十幾倍；由b)若光纖與鄰近的預(yù)浸料垂直，光纖周圍會有明顯的樹脂富集，帶來結(jié)構(gòu)缺陷。
[0037]其次，將不同根數(shù)(O根、5根、10根)的光纖分別埋入復(fù)合材料拉伸標(biāo)準(zhǔn)試件內(nèi)部，光纖埋入方向取O度和90度兩個方向。內(nèi)埋光纖對復(fù)合材料拉伸力學(xué)性能的影響如圖3所示，可以看出，埋入光纖造成了復(fù)合材料的力學(xué)性能的變化，會導(dǎo)致復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計單位很難評估和接受光纖內(nèi)埋的手段。相反，采用本發(fā)明的光纖光柵傳感器保護(hù)方式可以規(guī)避這個難題。
[0038]再次，內(nèi)埋光纖和表貼光纖的復(fù)合材料縱切面示意圖如圖4所示，由a)可以看出，由于出口采用的套管直徑比光纖更大，伸進(jìn)復(fù)合材料內(nèi)部帶來結(jié)構(gòu)缺陷，存在重大安全隱患；由于光纖的出口，導(dǎo)致復(fù)合材料邊很難切割，尺寸難以保證，影響裝配。而本發(fā)明的光纖光柵保護(hù)方法見b)，光纖不伸入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，不從復(fù)合材料側(cè)邊引出，可以根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配靈活設(shè)計出口，規(guī)避引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和難以裝配的難題。
[0039]2)用傳統(tǒng)膠粘方式，首先將光纖光柵傳感器按照布局整齊排列在復(fù)合材料表面，并用紙膠帶逐段固定光柵，在光柵兩側(cè)粘貼擋膠條，用膠槍在膠條內(nèi)注膠，注膠量多少全憑經(jīng)驗和膠槍質(zhì)量，工藝一致性難控制;粘接劑無法抽真空，粘粘劑中多余氣泡難排出，帶來光纖光柵傳感器保護(hù)質(zhì)量下降;光柵固定后，需要用單面膠帶逐段將除光柵外的全部光纖粘緊在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面，帶來復(fù)合材料表面凹凸不平，且在惡劣環(huán)境下傳感器精度等會受到影響。若為光纖光柵串，光柵數(shù)量較多時，需要對光柵逐個進(jìn)行注膠，工藝更加繁瑣，而本發(fā)明的保護(hù)方式可以一次性完成保護(hù)。
[0040]綜上所述，采用本發(fā)明方法可以很好地解決將光纖光柵傳感器埋入復(fù)合材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測時會引入內(nèi)部缺陷，影響復(fù)合材料本身結(jié)構(gòu)性能，光纖出入口易斷，影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配的難題，另一方面也解決了光纖光柵傳感器采用傳統(tǒng)的膠粘劑安裝于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面時，膠粘劑抗老化性能差，安裝工藝難以控制，操作繁瑣，環(huán)境惡劣時易損壞等問題;使得光纖光柵的引入既不影響復(fù)合材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，又能與復(fù)合材料有很好的相容性，能夠全面保護(hù)光纖光柵傳感器，且工藝流程簡單，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能和裝配影響較小。此外，采用本發(fā)明方法還可用于制作智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，對結(jié)構(gòu)健康狀況進(jìn)行實時監(jiān)測的分布式傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行保護(hù)。
[0041]為了說明本發(fā)明的內(nèi)容及實施方法，給出了上述具體實施例。在實施例中引入細(xì)節(jié)的目的不是限制權(quán)利要求書的范圍，而是幫助理解本發(fā)明所述方法。本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)理解:在不脫離本發(fā)明及其所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，對最佳實施例步驟的各種修改、變化或替換都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于最佳實施例及附圖所公開的內(nèi)容。
【主權(quán)項】
1.一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:包括以下步驟: (1)將復(fù)合材料層壓板(2)水平固定于工作臺上；(2)光纖光柵傳感器(5)的兩端套上保護(hù)套管(4)，并將其置于復(fù)合材料層壓板(2)表面，套管伸入復(fù)合材料層壓板(2)端面λ距離，用快干膠將光纖和套管連接處固定，并在光纖(3)與保護(hù)套管(4)上任選幾個點(diǎn)，用快干膠固定在復(fù)合材料層壓板上，以此固定整個光纖和保護(hù)套管在復(fù)合材料層壓板(2)上的位置； (3)在光纖(3)與保護(hù)套管(4)需要玻璃纖維布(I)保護(hù)的復(fù)合材料層壓板(2)表面區(qū)域涂μ厚度的粘接劑，將玻璃纖維布(I)整齊地平鋪在粘接劑上，在纖維布周邊的工作臺上安裝膩子條，然后將抽真空專用的不粘膠薄膜平鋪在玻璃纖維布上，并用膩子條將抽真空專用的不粘膠薄膜周邊完全粘緊，在不粘膠薄膜上安裝抽真空孔，常溫下利用抽真空裝置對整個玻璃纖維布面進(jìn)行抽真空操作，直至相對真空度達(dá)到S; (4)整個結(jié)構(gòu)常溫固化時間為γ; (5)固化完成后，抽真空裝置停止工作，去掉抽真空孔、不粘膠薄膜和膩子條，得到在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面采用玻璃纖維布進(jìn)行保護(hù)的光纖光柵傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:所述λ應(yīng)介于5mm到1mm之間，λ值太小會導(dǎo)致套管易拉出，對光纖出口保護(hù)不到位；λ值太大易對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)表面帶來附加粗糙度，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件裝配有影響，同時帶來套管的材料浪費(fèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:所述μ應(yīng)介于0.2mm到0.5mm之間^值太小會導(dǎo)致局部貧膠，光纖和套管不能很好地完全固定在復(fù)合材料層壓板上，導(dǎo)致粘接劑固化后光纖光柵傳感器和套管的位置偏離，影響測試準(zhǔn)確性;μ值太大，會造成太多膠富集在復(fù)合材料表面，影響復(fù)合材料厚度，同時也帶來粘接劑的浪費(fèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:所述δ應(yīng)滿足小于-0.1MPa，因δ值大于-0.1MPa后會導(dǎo)致粘接劑中的空氣不能很好地排出，導(dǎo)致粘接劑固化后有氣泡，帶來局部應(yīng)力集中，影響光纖光柵傳感器的保護(hù)效果。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:所述γ應(yīng)介于24小時至30小時之間，因γ值太小會造成粘接劑不能在真空環(huán)境下充分固化，在之后使用過程中造成玻璃纖維布易脫落，不能很好地保護(hù)光纖光柵傳感器；γ值太大，會造成抽真空用電的浪費(fèi)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:所述保護(hù)套管(4)為高強(qiáng)度、耐溫范圍超過300°C、外徑小于Imm的軟質(zhì)管材。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:所述保護(hù)套管(4)為外徑0.9mm的聚酰亞胺套管或尼龍?zhí)坠堋?.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種表貼于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的光纖光柵傳感器保護(hù)方法，其特征在于:當(dāng)所述光纖光柵傳感器(5)替換為光纖光柵串或分布式傳感網(wǎng)絡(luò)時能實現(xiàn)系統(tǒng)的單根引線、多點(diǎn)測量。
【文檔編號】G01N21/88GK106053474SQ201610346552
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月24日
【發(fā)明人】王文娟, 宋昊, 薛景鋒
【申請人】中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京長城計量測試技術(shù)研究所