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

1、近年來，由于纖維增強型復(fù)合材料以其質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、易于成型等優(yōu)點在航空航天運載器等尖端科技領(lǐng)域得到了越來越多的重視。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、核聚變設(shè)備等，在其原材料制造、結(jié)構(gòu)加工成型、服役使用等過程中都需要經(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)品自身損傷漸進性、隱秘性、局部應(yīng)變非均勻等諸多特點，對于上述產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測也成為了科研工作者的研究熱點。傳統(tǒng)的電類傳感監(jiān)

2、測手段受限于傳感機理、組網(wǎng)技術(shù)以及尺寸大小時常在復(fù)合材料監(jiān)測領(lǐng)域無法有效地完成監(jiān)測任務(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)勢使得其在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。但是在高低溫環(huán)境下針對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進行健康監(jiān)測這一特定的應(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)測環(huán)境以及監(jiān)測對象下的相關(guān)

3、理論障礙和技術(shù)難題為目標，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)缺乏研究造成在進行應(yīng)變測量時的溫度補償缺乏理論的參數(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)合傳感器來對光纖光柵自身在高低溫環(huán)境下的熱光、熱膨脹系數(shù)進行測量，研究了復(fù)合傳感器的制備與保護工藝，同時在常溫區(qū)段進行了驗證性的實驗，取得了與相關(guān)文獻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)與溫度的對應(yīng)計算函數(shù)。通過光纖光柵在低溫環(huán)境下的動態(tài)熱應(yīng)變實驗，獲得了低溫環(huán)境下彈光系數(shù)對應(yīng)溫度的計算函數(shù)，之后在液氮溫度環(huán)境下對光纖光柵進行了靜態(tài)拉伸測試得到了在液氮溫度下的彈光系數(shù)。并分析了上述實驗得到數(shù)據(jù)的有效性與可信性。
　　光纖光柵在高溫條件下機械強度下降無法完成應(yīng)變測量，同時量程有限。為了克服上述問題，設(shè)計了一種大量程的光纖EFPI-FBG復(fù)合傳感

5、器，并對傳感器在高、低溫環(huán)境下的應(yīng)變-溫度同時測量的性能進行了測試，并基于上述結(jié)構(gòu)改進設(shè)計了一種可以嵌入復(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)方式無法針對復(fù)合材料非均勻應(yīng)變場進行測量的問題，引入光纖光柵頻域反射傳感技術(shù)對復(fù)合材料單層板粘接結(jié)構(gòu)在受到拉伸應(yīng)力時膠層內(nèi)部出現(xiàn)的非均勻應(yīng)變場進行了有效測量。
　　最后研究了在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)生產(chǎn)成型過程中將光纖光柵嵌入到碳纖維布、蜂窩材料