CN117968776A - 一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料及监测方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料及监测方法、应用；所述复合材料配置为构件与感知一体化的功能型复合材料，通过将大容量、多参量的光栅阵列光纤复合植入增强纤维复合材料，在材料内部形成光纤光栅传感网络。复合材料内部多种物理量分布的表征，能实现复合材料内部状态变化的全面覆盖，实现复合材料因本身各向异性带来的不均匀分布情况的表征；复合材料制造的性能评判，以及结构健康监测；复合材料的功能与结构一体化，实现了智能化复合材料的制造。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料制造技术领域，尤其涉及一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料及监测方法、应用。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合成的一种新型固体材料，主要组分是增强体和基体。相比于传统的单一材料，通过复合工艺制备而成的复合材料材料，不仅能保留原材料的优良特性，还能使各种材料组分相互关联，获得原来材料不具备的性能，实现材料间的性能互补。通过合理设计后的复合材料，获得更为优异的性能表现，其独特的性质现已广泛应用于航空、航天、船舶、建筑、汽车、体育用品、机械电子和医疗器械等领域。但复合材料属于各向异性的多层结构，传统检测手段对于其内部结构特性分析与健康监测均无法实现。
相比于其他传感器光纤光栅体积小，质量轻，具有抗电磁干扰等优点，尤其是其丝状纤维结构十分适合植入碳纤维复合材料，将复合材料中植入光纤传感器可实现加工成型和服役期间内部应力场、温度场、压力场等多物理场的分布式监测，对于提升复合材料的可靠性、安全性和智能化水平均具有重要意义。但传统光纤传感植入技术存在单纤传感数量少、传感空间密度差、机械强度低等问题，不利于进行温度、应力应变等多物理场的测量。
发明内容
基于上述现有技术中存在的问题，本发明旨在提供一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料及其监测方法，该材料是构件与感知一体化的功能型复合材料，通过将大容量、多参量的光栅阵列光纤复合植入增强纤维复合材料，在材料内部形成光纤光栅传感网络，赋予材料自我感知功能，对材料内部的温度、应变等多参量进行分布式检测，并对该信息多角度应用于分析从而实现材料的多功能。
本发明的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述复合材料包括基体、增强体和感知体；
所述增强体包括多层增强纤维，配置为所述多层增强纤维在所述复合材料厚度方向上水平铺设；
所述感知体包括光栅阵列光纤传感网络，配置为与所述增强体耦合的层间分布立体结构。
本发明一实施例中，所述基体包括聚合物基体、金属基体或陶瓷基体。
本发明一实施例中，任意两层所述增强纤维之间均包含所述光纤传感网络的光栅阵列。
本发明一实施例中，所述光纤传感网络包括一根或多根传感光纤，所述传感光纤配置为穿过所述增强纤维的孔隙实现跨层。
本发明一实施例中，所述传感光纤的一端包括光纤端口，所述光纤传感网络通过所述光纤端口与外部传输光纤耦合光信号。
本发明一实施例中，所述复合材料包括一弯曲部，位于所述弯曲部的所述光纤传感网络的光栅阵列密度大于非弯曲部的所述光纤传感网络的光栅阵列密度。
本发明的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的监测方法，其特征在于，包括前述实施例任一所述的光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述光纤传感网络用于监测所述复合材料的多物理量参数。
本发明一实施例中，所述光纤传感网络包括多个子光纤传感网络，所述子光纤传感网络用于独立监测所述复合材料的多物理参数。
本发明一实施例中，所述物理量参数包括温度、应变、压力和折射率的至少一种。
本发明的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的应用，其特征在于，包括前述实施例任一所述的光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述复合材料与被测结构件耦合，用于测量所述结构件的多物理量参数。
有益效果：本发明提供了一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料及监测方法、应用；所述复合材料配置为构件与感知一体化的功能型复合材料，通过将大容量、多参量的光栅阵列光纤复合植入增强纤维复合材料，在材料内部形成光纤光栅传感网络。复合材料内部多种物理量分布的表征，能实现复合材料内部状态变化的全面覆盖，实现复合材料因本身各向异性带来的不均匀分布情况的表征；复合材料制造的性能评判，以及结构健康监测；复合材料的功能与结构一体化，实现了智能化复合材料的制造。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，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 是本发明实施例的复合材料制备示意图；
图2 是本发明实施例的光栅阵列光纤排布示意图；
图3 是本发明实施例的复合材料中基体，增强体与感知体示意图；
图4 是本发明实施例的复合材料内部立体光纤传感网络；
图5 是本发明实施例的复合材料的监测***示意图；
图6 是本发明实施例的光栅阵列子光纤传感网络的示意图；
图7 是本发明实施例的子光纤传感网络的应变监测图；
图8 是本发明实施例的复合材料的另一结构示意图；
图9 是本发明实施例的复合材料的另一结构的弯曲部内光纤传感网络的应变监测图。
附图标记：1—玻璃纤维编织布，2—光栅阵列光纤，3—玻璃模具，4—光纤端口，5—光纤光栅，6—基体，7—玻璃纤维复合材料，8—光栅阵列解调仪，9—数据处理单元，10—碳纤维预浸料，11—L型模具，12—光栅阵列光纤，13—碳纤维复合材料。
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。在图中，结构相似的单元是用以相同标号表示。
本发明提供了一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述复合材料包括基体、增强体和感知体；
所述增强体包括多层增强纤维，配置为所述多层增强纤维在所述复合材料厚度方向上水平铺设；
所述感知体包括光栅阵列光纤传感网络，配置为与所述增强体耦合的层间分布立体结构。
需要说明的是，如图1-4所示，所述复合材料的具体内部结构，包括基体，增强体与感知体。其中，基体6是复合材料中连续分布的组分，如聚合物（树脂）基体、金属基体、陶瓷基体等其他可选的材料；增强体是主要承担外界载荷的碳纤维、玻璃纤维等增强纤维材料，多层增强纤维在所述复合材料厚度方向上水平铺设；感知体是能检测材料自身内部温度、应变、压力等物理量变化的光栅阵列光纤传感网络。所述光纤传感网络，由所述复合材料内部所有光纤光栅5组成，是准分布式立体传感网络结构。
任意两层所述增强纤维之间均包含所述光纤传感网络的光栅阵列。所述光栅阵列与所述增强纤维可以平行层叠布置或者垂直交错布置，光纤光栅5与增强纤维实现充分地立体分布式耦合，有利于监测所述复合材料的内部状态的变化，测量的准确性有所保证。
所述光纤传感网络包括一根或多根传感光纤，所述传感光纤配置为穿过所述增强纤维的孔隙实现跨层；所述传感光纤的一端包括光纤端口4，所述光纤传感网络通过所述光纤端口4与外部传输光纤耦合光信号。
所述立体传感网络可以由材料内部的一根或者多根光栅阵列光纤2组成，光栅阵列光纤2的植入可以在材料内部沿各方向，以不同状态，直线或者弯曲排布，光栅可分布在材料内部任意位置。每一根独立的光栅阵列光纤2需要引出复合材料以供监测，因此该功能性复合材料具有一个或者多个光纤引出接口。
该功能性复合材料的光纤引出接口可独立设计成可拆分的结构，该接口可实现内部传感网络与外部传输光纤之间的光信号耦合，方便该功能性复合材料监测的同时具有光纤引出部位的保护功能。
优选地，立体传感网络的监测单元与信号处理单元处于功能型复合材料内部，监测结果通过无线等方式发送，无需制作光纤引出接口。
具体实施例中，本实施例使用玻璃纤维编织布1，环氧树脂与一根光栅阵列光纤2，通过真空辅助液体成型工艺制备功能性复合材料，并实现应变场分布监测功能。所制备功能性复合材料尺寸为500×500×5mm，使用的光栅阵列光纤2直径80μm，光栅长度5mm、光栅间隔50mm，制备内部含有4×9×9（Z×X×Y方向）的立体传感网络的功能型玻璃纤维复合材料。光纤光栅5的间隔与中心波长等参数可根据实际需要更改，在此不作限定。
所述复合材料相应制作步骤如下：
步骤1：玻璃纤维编织布1与光栅阵列光纤2布设，将一层尺寸500×500mm的单层玻璃纤维编织布1在洁净的玻璃模具3上，按照如图2中的（a）所示的在编织布X方向布设光栅阵列光纤2，其中，光纤光栅5呈现矩阵式分布。继续叠放第二层纤维布，将光栅阵列穿过第二层纤维布，光纤阵列通过编织纤维布孔隙实现不同层跨越。按照图2中的（b）所示的光栅阵列布设方式在第二层编织布上沿Y方向铺设。
步骤2：重复步骤1，继续在第三层编织布上沿着X方向布设，第四层编织布上沿Y方向布设，最后铺贴一层编织布，完成五层编织布与四层光栅阵列的铺贴；
步骤3：在完成内部传感体光纤传感网络布设后，将光栅阵列光纤2一端的光纤端口4由复合材料边缘引出。
步骤4：将铺贴完成的材料件密封于真空环境中，使用真空辅助RTM(ResinTransfer Moulding,树脂传递模塑成型)工艺，将树脂灌注进铺设好的编织布与光栅阵列，充分浸渍纤维床，等待树脂固化后取出，即完成所述复合材料制造。
本发明提供一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的监测方法，包括前述实施例任一所述的光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述光纤传感网络用于监测所述复合材料的多物理量参数。
所述光纤传感网络包括多个子光纤传感网络，所述子光纤传感网络用于独立监测所述复合材料的多物理参数。所述物理量参数包括温度、应变、压力和折射率的至少一种，利用该功能型复合材料内部物理量变化，可监测材料结构的承载，变形，损伤等状态。具体地，所述光纤光栅可实现材料内部其所处位置的应变，温度，以及层间压力等物理量的监测，光纤光栅阵列经过加工，通过改变其种类，结构，涂覆层以及封装等因素，实现折射率等更多物理量的监测。
光纤传感网络的空间分辨率可根据光栅阵列光纤与植入方案定义，相邻传感点之间的物理量变化可以有由差值等数据处理手段计算，以实现材料内部状态的全覆盖监测。所述光纤传感网络可根据复合材料结构形状与监测需求，任意拆分为多个子光纤传感网络，子光纤传感网络可单独监测。
具体实施例中，在完成功能性复合材料制作，其内部树脂基体，玻璃纤维增强体，和光栅阵列光纤感知体，其中，如图4所示，复合材料内部具有4×9×9的立体光栅阵列光纤传感网络。将该立体光纤传感网络内传感点（光纤光栅）进行编号，层间方向分别编号Z=1，2，3，4，每层内平面建立平面坐标X=1，2…9，Y=1，2…9对该层内所有光纤光栅5进行空间坐标编号。
如图5所示的复合材料在线监测***，将内部传感网络与光栅阵列解调仪8连接，测量玻璃纤维复合材料7某一位置静态加载情况下的应变分布，将玻璃纤维复合材料7的四周固定，按压复合材料面上任意一点。从立体传感网络中取三个局部子网络如图6，根据子网络传感点应变监测值实现材料内部三个方向上的应变分布，如图7所示的应变场分布图。
具体地，复合材料内部传感网络监测的应变数据，如表1所示。
本发明一实施例的复合材料包括一弯曲部，位于所述弯曲部的所述光纤传感网络的光栅阵列密度大于非弯曲部的所述光纤传感网络的光栅阵列密度。具体地，使用碳纤维预浸料与光栅阵列光纤，通过热压罐成型工艺制备所述的功能性复合材料，并实现试验件变形下关键部位应变场分布监测。
如图8-9所示，所制备碳纤维复合材料13为L型或其他常见弯曲型状，碳纤维复合材料13的宽度为100mm，厚度为5.6mm，弯曲部的转角部分R角半径20mm，复合材料的平面区域长度200mm，使用的光纤光栅阵列直径80μm，光栅长度5mm、光栅间隔5mm。R角部分组建内部含有光栅阵列密度为5×40×5的立体密集传感网络的功能型碳纤维复合材料，其大于非弯曲部的光纤传感网络的光栅阵列密度。其中，光纤光栅的间隔与中心波长等参数可根据实际需要更改。
碳纤维复合材料13的具体制作步骤包括：
步骤1：将碳纤维预浸料10逐层铺贴在L型模具11上，五层之后布设光栅阵列光纤12，并在边缘提前引出光栅阵列光纤12。光纤沿着预浸料面内X方向往复布设。
步骤2：重复步骤1，按照每五层预浸料布设一层光纤传感网络，完成五层光纤传感网络布设，最后再布设五层预浸料，覆盖光纤传感网络。
步骤3：将布设完成的预浸料，进行密封抽真空处理，使用热压罐成型完成功能型复合材料制造。
完成功能性复合材料制作，其内部树脂基体，碳纤维增强体，和光栅阵列光纤感知体，其中R角部分5×1×5子网络。将内部传感网络与光栅应变解调仪表连接，测量该功能性复合材料在受到载荷作用下R角大小变化下的横截面应变分布。不同外力作用下R角逐渐变小，应变场变化情况如图9所示。
本发明的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的应用，其特征在于，包括前述实施例任一所述的光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述复合材料与被测结构件耦合，用于测量所述结构件的多物理量参数。
具体地，该功能性复合材料可仅发挥感知能力，其作为一种传感器与其他被测结构件耦合，以测量其他结构件的应变，温度等物理量变化。
综上所述，本发明提供了一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料及监测方法、应用；所述复合材料配置为构件与感知一体化的功能型复合材料，通过将大容量、多参量的光栅阵列光纤复合植入增强纤维复合材料，在材料内部形成光纤光栅传感网络。复合材料内部多种物理量分布的表征，能实现复合材料内部状态变化的全面覆盖，实现复合材料因本身各向异性带来的不均匀分布情况的表征；复合材料制造的性能评判，以及结构健康监测；复合材料的功能与结构一体化，实现了智能化复合材料的制造。
需要说明的是，虽然本发明以具体实施例揭露如上，但上述实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定发范围为准。
Claims (10)
1.一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，其特征在于，所述复合材料包括基体、增强体和感知体；
所述增强体包括多层增强纤维，配置为所述多层增强纤维在所述复合材料厚度方向上水平铺设；
所述感知体包括光栅阵列光纤传感网络，配置为与所述增强体耦合的层间分布立体结构。
2.根据权利要求1所述的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，其特征在于，所述基体包括聚合物基体、金属基体或陶瓷基体。
3.根据权利要求1所述的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，其特征在于，任意两层所述增强纤维之间均包含所述光纤传感网络的光栅阵列。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，其特征在于，所述光纤传感网络包括一根或多根传感光纤，所述传感光纤配置为穿过所述增强纤维的孔隙实现跨层。
5.根据权利要求4所述的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，其特征在于，所述传感光纤的一端包括光纤端口，所述光纤传感网络通过所述光纤端口与外部传输光纤耦合光信号。
6.根据权利要求1所述的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料，其特征在于，所述复合材料包括一弯曲部，位于所述弯曲部的所述光纤传感网络的光栅阵列密度大于非弯曲部的所述光纤传感网络的光栅阵列密度。
7.一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的监测方法，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述光纤传感网络用于监测所述复合材料的多物理量参数。
8.根据权利要求7所述的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的监测方法，其特征在于，所述光纤传感网络包括多个子光纤传感网络，所述子光纤传感网络用于独立监测所述复合材料的多物理参数。
9.根据权利要求7所述的一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的监测方法，其特征在于，所述物理量参数包括温度、应变、压力和折射率的至少一种。
10.一种光栅阵列光纤传感网络的复合材料的应用，其特征在于，包括如权利要求1-6任一所述的光栅阵列光纤传感网络的复合材料，所述复合材料与被测结构件耦合，用于测量所述结构件的多物理量参数。
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2024
- 2024-04-02 CN CN202410390499.5A patent/CN117968776A/zh active Pending
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