专利名称：一种将光纤布拉格光栅传感器嵌入三维编织复合材料制件的方法
技术领域：
本发明属于航空用三维编制复合材料的健康监测领域，具体涉及一种将光纤布拉格光栅传感器嵌入三维编织复合材料制件的方法。
背景技术：
自从分布式光纤布拉格光栅(FBG)传感器于1990年首次埋入环氧树脂复合材料中以来，国内科学研究者开展了 FBG在航空复合材料结构的健康监测研究工作。到目前为止，国内的研究主要包括邱雷、袁慎芳、苗苗等人实现了基于FBG的机翼盒段结构健康监测(请参考邱雷，袁慎芳，苗苗.基于FBG的机翼盒段结构健康监测系统功能验证研究[J]. 压电与声光，2009，31 (3) =350-353)；常新龙、郭风华、李进军等人利用FBG传感器组成固体火箭发动机结构健康监测系统(请参考常新龙，郭风华，李进军.基于FBG传感器的固体火箭发动机结构健康监测技术[J].强度与环境，2006，33 ) :17-22.)，讨论了 FBG传感技术用于固体火箭发动机结构应变场、温度场合损伤状况健康监测的可行性；周雪芳、梁磊等人研究了一种埋入式光纤光栅混凝土应变传感器(请参考周雪芳，梁磊.埋入式FBG混凝土应变传感器特性研究[J].传感器与微系统，2008，27 (3) :14-17)；信思金等人研究了 FBG 传感技术在大坝安全监测中的应用(请参考信思金.FBG传感技术在大坝安全监测中的应用研究[J].武汉理工大学学报，2004，沈(8) :35-37)；金伟良、张恩勇等人研究了分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用(请参考金伟良，张恩勇等.分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用[J].中国海上油气(工程)，2003，15 (4) :5-8)。国外学者对将FBG用于航天制件状态监测的研究较早(请参考haudi，D， and Glisic, B. . Distributed fiber optic strain and temperature sensing for structural health monitoring[C]. the Third International Conference on Bridge Maintenance，Safety and Management. July 2006，Porto Portugal IABMAS, Portugal， 2006 :16-19 ；Seiji Kojima，Shinji Komatsuzaki，Yoshinori Kurosawa, et alEmbedding type strain sensors using small diameter fiber Bragg grating to composite laminate structures[J]. Hitachi Cable Review，2004，23(8) :11-15 ；Thodi, P.，Khan, F.，Haddara, Μ. . TheSelection of Corrosion prior Distributions for Risk Based Integrity Modeling[J]. Stoch Environ Res Risk Assess-Springer，2009，23 (6) 793-809) ο 其中，德国 DaimlerChrysler Aerospace(DASA)飞机测试中心的 Μ· Tmtzel 等研究人员在此领域里幵展了很多实验测试和实际应用，他们将TOG粘贴于当时最新研制的碳纤维增强塑料(CFPR)机翼的表面，通过TOG监测分析复合材料的温度和应变变化(请参考 Trutzel, D.Belz, M. Holz et al. Investigation of Fiber optic Bragg Grating Sensor for applications in the Aviation industry[J]. Proc. 0FS-13,1999,624-626 ；Michael N. Trutzel，Karsten WaueriDaniel Betz,et al. Smart Sensing of Aviation Structures with Fiber-optic Bragg Grating Sensors [C].SPIE,2000,3986 :134-143 ；Daniel Betz，Lothar Staudigel. Test of a Fiber Bragg Grating Sensor Network for Commercial Aircraft Structures [J] · Proc. OFS-16，2002，55-58)，实现了对机翼疲劳特性的健康监测(请参考 Y. Okabe, S. Yashiro, T. Kosaka, N. Takeda. Detection of transverse cracks in composites by using embedded FBG sensors[C].SPIE' s International symposium on Smart Structures and Materials, Proceeding of SPIE,2000,3986 282-291 ； Tahir B. A. , J.Ali, R.A.Rahman, Strain measurements using fiber Bragg grating sensor[J]. American Journal of Applied Science,2005,02(special issue) 40-48 ；H. Iwaki, H. Yamakawa,A. Mita. FBG-based displacement and strain sensors for health monitoring of smart structures[C]. Proceedings of MOVIC 2000 Conference, Australia, 2000,4-8)。另外，2001年，德国的Wolfgang Eche等人研制了一套基于12个FBG传感器的空间分布式传感网络系统，用于x-38宇宙飞船船体结构的健康监测。FBG传感器被粘贴在 x-38宇宙飞船船体背部元件的表面，用来监测飞船在发射和返航过程中的力学载荷和热载荷。通过对高载荷结构部件的空间分布式温度和应变测量，可以估算出飞船结构主要部件的剩余寿命，实现了对飞船的健康监测(请参考Wolfgang Ecke, Stephan Grimm. Optical Fiber Grating Sensor Network Basing on High-Reliable Fibers and Components for Spacecraft Health Monitoring[C]· SPIE，2001，4328 :160-167)。2004年，日本的Toshimiehi Ogisu等人利用压电陶瓷(PZT)驱动器/FBG传感器，实现了对新一代航天器先进复合材料结构的损伤监测(请参考Toshimichi Ogisu, Masakazu Shimanuki. Development of Damage Monitoring System for Aircraft Structure Using a PZT Actuator/FBG Sensor Hybrid System[C], SPIE,2004,5388 425-436)。2005年，日本Shinji Komatsuzaki等人报道了基于压电陶瓷驱动器/FBG混合型传感器的航天器复合材料结构损伤检测系统的光波长寻址系统和可埋入式复合材料内部的 FBG 传感器模块(请参考 Shinji Komatsuzaki, Seiji Kojima, Akihito Hongo, et al. Development of high speed optical wavelength interrogation system for damage detection in composite materials[C] · SPIE, 2005, 5758 :51-60)。2007年，Nakamura Noritsugu等人利用FBG传感器研究了航天复合材料在冲击载下的监测(请参考 Nakamura Noritsugu, Ogisu Toshimichi, Yoneda Hiroshi, et
al. Impact monitoring of the aircraft composite structure using FBG sensor/PZT actuator hybrid sensor system[C]. SPIE, 2007,6527 :65270Β· 1—65270B)。2008年，Chandler K.等人利用FBG传感器实现了对复合材料个人飞机健康状态监测(请参考 Chandler K. , Ferguson S. , Graver Τ. , et al. On-line structural health and fire monitoring of a composite personal aircraft using an FBG sensing system[C], SPIE,2008,6933 :69330-69330)。三维编制复合材料制件的监测研究在我国具有较高研究价值，因为它能为我国新一代航空航天三维编织复合材料、多用途防护复合材料及基体增强三维编织复合材料的研制提供关键监测方法的基础。虽然国内外关于航空领域的传统复合材料状态健康监测取得了一定进展，但到目前为止，还没有对航空用三维编制复合材料的健康监测比较成熟的技术和方法，其原因在于首先，三维编制复合材料制件制作过程非常复杂，需要有先进的编制机械和自行设计的编织方法；其次是因为监测用FBG传感器质地非常脆弱，并且体积非常小，因此如何有效地将其嵌入到预制件中将直接影响它的应用性能，而通过采用传统的三维编制方法将FBG传感器嵌入是非常困难的。

发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提供一种将光纤布拉格光栅传感器嵌入三维编织复合材料制件的方法，采用不同角度及力度的编织工艺将光纤布拉格光栅传感器编织嵌入三维复合材料，解决了三维编织复合材料制件中分布式光纤布拉格光栅传感器网络的合理布局问题，以及单一编织嵌入工艺使信号采集准确度严重下降的问题。本发明是通过以下技术方案实现的一种将光纤布拉格光栅传感器嵌入三维编织复合材料制件的方法，所述方法首先根据航空航天环境条件，研制具有不同复合材料参数而相同传感器间距以及相同复合材料参数而不同传感器间距的制件，然后分析在不同承载情况下，所述制件的变形以及嵌入传感器的特性，最后将三维编织复合材料制作方法中的二步法和四步法相结合，针对光纤布拉格光栅传感器的特性，采用不同的角度及力度将光纤布拉格光栅传感器按不同间距和纤维编织到一起，同时对传感器网络进行布局。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)本发明依据多物理量检测技术和相关分析理论探索最佳传感器网络布局，并分析温度、编织工艺对监测系统的影响，提出了适合制件健康监测的传感器嵌入方式；(2)本发明将三维编织复合材料的二步、四步法编织工艺相结合，得到了对三维编织复合材料制件力学性能影响较小、传感器监测信号更加准确的一种新的传感器嵌入方式；(3)将现有技术中的二步法、四步法三维编织方法相结合，可以有效突出二步法轴向力学性能，并保持四步法编织方法对应变率比较敏感的特性。有效抑制嵌入传感器对制件的力学性影响较大的扰动因素；(4)本发明对进一步研究航空航天智能复合材料的可靠应用领域具有重要意义。


图1-1是本发明实施例中的圆形编织的制件示意图。图1-2是本发明中图1-1圆形编织的制件的编织结构示意图。图2-1是本发明实施例中的平幅编织的制件示意图。图2-2是本发明中图2-1平幅编织的制件的编织结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步详细描述一种将FBG传感器嵌入三维编织复合材料制件的方法，所述方法首先根据航空航天环境条件，研制具有不同复合材料参数而相同传感器间距以及相同复合材料参数而不同传感器间距的制件，然后分析在不同承载情况下，所述制件的变形以及嵌入传感器的特性， 最后将三维编织复合材料制作方法中的二步法和四步法相结合，针对FBG传感器的特性， 采用不同的角度及力度将FBG传感器按不同间距和纤维编织到一起，同时对传感器网络进行布局。具体来说(1)研制具有不同复合材料参数而相同传感器间距以及相同复合材料参数而不同传感器间距的制件。在具体实施时，根据航空航天环境条件，研制具有不同复合材料参数而相同传感器间距以及相同复合材料参数而不同传感器间距的制件160件。具体制件设计参数如表 1-表4所示，设计尺寸均为400mmX 400mmX 100mm。分别对具有不同细观结构参数的二步法、四步法三维编织复合材料试件进行轴向压缩与轴向拉伸及力学性能测试发现，二步法编织的三维复合材料的轴向力学性能较为优越，对轴向拉伸和压缩性能起主导作用；而四步法编织的三维复合材料一般应变率比较敏感，随着应变率的不断增加，其拉伸模量和最大应力都增加，而最大应力的应变减小。表1给出的是使用二步法的FBG传感器间距不同情况下的制件工艺参数表，表2 给出的使用用四步法的FBG传感器间距不同情况下的制件工艺参数表。比较可以得出，相同制件和表面编织角相同情况下，采用二步法、四步法传感器间距不同，纤维体积含量相同，如表1和表2所示。表3给出的是使用二步法的FBG传感器间距相同情况下的制件工艺参数表，表4 给出的是使用四步法的FBG传感器间距相同情况下的制件工艺参数表。比较可以得出，采用四步法传感器间距相同和表面编织角相同情况下，相同制件的纤维体积含量相同，而改变传感器编织间距情况下，相同制件纤维体积含量会随着间距的增加而增长，如表3和表4 所示。表1至表4中，实验参数为传感器编织间距、表面编织角，实验结果为纤维体积含量的变化，其中，表面编织角的变化对主要三维编织复合材料的拉伸、压缩和弯曲性能具有明显影响，而对于纤维体积含量的影响则很小。
权利要求
1. 一种将光纤布拉格光栅传感器嵌入三维编织复合材料制件的方法，其特征在于所述方法首先根据航空航天环境条件，研制具有不同复合材料参数而相同传感器间距以及相同复合材料参数而不同传感器间距的制件，然后分析在不同承载情况下，所述制件的变形以及嵌入传感器的特性，最后将三维编织复合材料制作方法中的二步法和四步法相结合， 针对光纤布拉格光栅传感器的特性，采用不同的角度及力度将光纤布拉格光栅传感器按不同间距和纤维编织到一起，同时对传感器网络进行布局。
全文摘要
本发明提供了一种将FBG传感器嵌入三维编织复合材料制件的方法，属于航空用三维编制复合材料的健康监测领域。本发明首先根据航空航天环境条件，研制具有不同复合材料参数而相同传感器间距以及相同复合材料参数而不同传感器间距的制件，然后分析在不同承载情况下，所述制件的变形以及嵌入传感器的特性，最后将三维编织复合材料制作方法中的二步法和四步法相结合，针对FBG传感器的特性，采用不同的角度及力度将FBG传感器按不同间距和纤维编织到一起，同时对传感器网络进行布局。本发明得到了对三维编织复合材料制件力学性能影响较小、传感器监测信号更加准确的一种传感器嵌入方式，突出二步法轴向力学性能，并保持四步法编织方法对应变率比较敏感的特性。
文档编号G01B11/16GK102564332SQ20101060681
公开日2012年7月11日 申请日期2010年12月27日 优先权日2010年12月27日
发明者万振凯, 孙宝山 申请人:天津工业大学