高低溫環(huán)境下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)光纖傳感技術(shù)研究.pdf

1、近年來(lái)，由于纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料以其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕、易于成型等優(yōu)點(diǎn)在航空航天運(yùn)載器等尖端科技領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的重視。不同于常規(guī)應(yīng)用環(huán)境，在上述領(lǐng)域的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)產(chǎn)品諸如燃料貯箱、超導(dǎo)設(shè)備、核聚變?cè)O(shè)備等，在其原材料制造、結(jié)構(gòu)加工成型、服役使用等過(guò)程中都需要經(jīng)歷高低溫交變、高壓力差交變的惡劣環(huán)境。結(jié)合復(fù)合材料產(chǎn)品自身?yè)p傷漸進(jìn)性、隱秘性、局部應(yīng)變非均勻等諸多特點(diǎn)，對(duì)于上述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)也成為了科研工作者的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的電類傳感監(jiān)

2、測(cè)手段受限于傳感機(jī)理、組網(wǎng)技術(shù)以及尺寸大小時(shí)常在復(fù)合材料監(jiān)測(cè)領(lǐng)域無(wú)法有效地完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。而光纖傳感技術(shù)作為新一代的智能傳感技術(shù)，其特有的耐高低溫、抗電磁干擾、量小質(zhì)輕、便于復(fù)用組網(wǎng)、易于嵌入等優(yōu)勢(shì)使得其在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是在高低溫環(huán)境下針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)這一特定的應(yīng)用需求，光纖傳感技術(shù)的相關(guān)理論還有待完善，技術(shù)環(huán)節(jié)也有待提升。
　　本文以克服光纖傳感技術(shù)應(yīng)用在上述監(jiān)測(cè)環(huán)境以及監(jiān)測(cè)對(duì)象下的相關(guān)

3、理論障礙和技術(shù)難題為目標(biāo)，開展了以下相應(yīng)的研究工作：
　　由于光纖光柵存在溫度-應(yīng)變交叉敏感，而在高低溫環(huán)境下相應(yīng)的熱光系數(shù)、彈光系數(shù)等基本參數(shù)缺乏研究造成在進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)的溫度補(bǔ)償缺乏理論的參數(shù)。所以提出法布里珀羅（FP）傳感器與光纖光柵（FBG）相結(jié)合的復(fù)合傳感器來(lái)對(duì)光纖光柵自身在高低溫環(huán)境下的熱光、熱膨脹系數(shù)進(jìn)行測(cè)量，研究了復(fù)合傳感器的制備與保護(hù)工藝，同時(shí)在常溫區(qū)段進(jìn)行了驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)，取得了與相關(guān)文獻(xiàn)中的理論值一致的結(jié)論。將

4、上述復(fù)合傳感器應(yīng)用在低溫環(huán)境與高溫環(huán)境，并分別獲得了熱膨脹系數(shù)、熱光系數(shù)與溫度的對(duì)應(yīng)計(jì)算函數(shù)。通過(guò)光纖光柵在低溫環(huán)境下的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)變實(shí)驗(yàn)，獲得了低溫環(huán)境下彈光系數(shù)對(duì)應(yīng)溫度的計(jì)算函數(shù)，之后在液氮溫度環(huán)境下對(duì)光纖光柵進(jìn)行了靜態(tài)拉伸測(cè)試得到了在液氮溫度下的彈光系數(shù)。并分析了上述實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)的有效性與可信性。
　　光纖光柵在高溫條件下機(jī)械強(qiáng)度下降無(wú)法完成應(yīng)變測(cè)量，同時(shí)量程有限。為了克服上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種大量程的光纖EFPI-FBG復(fù)合傳感

5、器，并對(duì)傳感器在高、低溫環(huán)境下的應(yīng)變-溫度同時(shí)測(cè)量的性能進(jìn)行了測(cè)試，并基于上述結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種可以嵌入復(fù)合材料膠層內(nèi)部的嵌入式光纖光柵溫度傳感器。
　　為了解決傳統(tǒng)的電類傳感以及光纖光柵解調(diào)方式無(wú)法針對(duì)復(fù)合材料非均勻應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的問(wèn)題，引入光纖光柵頻域反射傳感技術(shù)對(duì)復(fù)合材料單層板粘接結(jié)構(gòu)在受到拉伸應(yīng)力時(shí)膠層內(nèi)部出現(xiàn)的非均勻應(yīng)變場(chǎng)進(jìn)行了有效測(cè)量。
　　最后研究了在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成型過(guò)程中將光纖光柵嵌入到碳纖維布、蜂窩材料