高低溫環(huán)境下復合材料結構監(jiān)測光纖傳感技術研究.pdf

1、近年來，由于纖維增強型復合材料以其質量輕、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域得到了越來越多的重視。不同于常規(guī)應用環(huán)境，在上述領域的復合材料結構產品諸如燃料貯箱、超導設備、核聚變設備等，在其原材料制造、結構加工成型、服役使用等過程中都需要經歷高低溫交變、高壓力差交變的惡劣環(huán)境。結合復合材料產品自身損傷漸進性、隱秘性、局部應變非均勻等諸多特點，對于上述產品的結構健康監(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、組網技術以及尺寸大小時常在復合材料監(jiān)測領域無法有效地完成監(jiān)測任務。而光纖傳感技術作為新一代的智能傳感技術，其特有的耐高低溫、抗電磁干擾、量小質輕、便于復用組網、易于嵌入等優(yōu)勢使得其在復合材料結構健康監(jiān)測領域具有廣闊的應用前景。但是在高低溫環(huán)境下針對復合材料結構進行健康監(jiān)測這一特定的應用需求，光纖傳感技術的相關理論還有待完善，技術環(huán)節(jié)也有待提升。
　　本文以克服光纖傳感技術應用在上述監(jiān)測環(huán)境以及監(jiān)測對象下的相關

3、理論障礙和技術難題為目標，開展了以下相應的研究工作：
　　由于光纖光柵存在溫度-應變交叉敏感，而在高低溫環(huán)境下相應的熱光系數(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）相結合的復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，取得了與相關文獻中的理論值一致的結論。將

4、上述復合傳感器應用在低溫環(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)與溫度的對應計算函數(shù)。通過光纖光柵在低溫環(huán)境下的動態(tài)熱應變實驗，獲得了低溫環(huán)境下彈光系數(shù)對應溫度的計算函數(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變測量，同時量程有限。為了克服上述問題，設計了一種大量程的光纖EFPI-FBG復合傳感

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