一种复合材料封装的光纤光栅传感器及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种复合材料封装的光纤光栅传感器及其制造方法，该传感器包括光纤光栅传感器组件、复合材料覆盖层、树脂封装层和复合材料基板层。该传感器把温度光栅和应变光栅封装在复合材料结构中，结构轻巧，与复合材料的兼容性好，测量精度高，可显著提高传感器安装的成活率和使用寿命，该传感器组件可以外贴和内植于复合材料结构件，可用于结构件的分布式在线健康监测。该复合材料封装的光纤光栅传感器制造方法简易、高效、稳定，适合企业大批量快速生产。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种复合材料封装的光纤光栅传感器及其制造方法。
技术介绍
大型结构件，如桥梁、船舶、高铁轨道、风机叶片、飞机机翼等，在长期应用中受振动、腐蚀、湿热老化以及恶劣环境等不利因素的影响，不可避免地产生疲劳和损伤积累；另外，一些突发事件，如重物碰撞、飞石和冰雹冲击、雷击等也会造成结构件损伤积累和扩展。在多数情况下，这种损伤积累和扩展具有隐蔽性和突发性，给结构件的使用留下了极大的安全隐患，甚至可能导致严重的突发性事故，造成无法挽回的损失。基于以上问题，在使役过程中对结构件进行在线健康监测就显得尤为重要。受传感器条件的制约，对结构件的健康监测通常采用射线、超声、红外等一些离线无损探伤方案。外贴应变片、内植应变线等虽然可以做到一定程度的主动在线监测，然而这类传感器脆弱、易腐蚀、寿命短、遭受外力冲击后极易损毁，易受外界电磁场干扰，大型结构件的在线健康监测亟需一种灵敏度高、稳定性好、强度高、寿命长、抗老化、抗干扰的具有温度监测和应变监测能力的传感器元件。光纤光栅作为一种对应变和温度敏感的传感元件，以光信号为测量信源，抗电磁干扰能力强，测量精度高，单根光纤可实现对数十个节点的应变和温度的在线测量。然而，光纤光栅传感器的本质是刻制了光栅的玻璃纤维，直径细小且硬脆，在植入或者外贴结构件的过程时以及正常检测工作中容易被外力破坏而脆断失活，所以必须对其进行封装保护。目前光纤光栅多用金属或塑料材料封装，封装工艺复杂且成本较高；金属密度大且容易被腐蚀，安装维护不方便，此外金属材料与复合材料兼容性较差，植入大型复合材料结构件容易形成缺陷。因此，制作一种非金属、轻质、高强、耐腐蚀、复合材料封装的光纤光栅传感器，对延长传感器使用寿命具有重要意义。此外，如果这种复合材料封装的光纤光栅传感器既能够外贴于结构件表面，也可以埋植于结构件内部，对结构件内部和表面实现分布式的温度和应变在线测量，对结构件的健康监测将具有重要意义。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种复合材料封装的适用于结构件内部和表面分布式健康监测的光纤光栅传感器及其制造方法。该传感器把应变光纤光栅和温度光纤光栅封装在复合材料结构中，不但提高了传感器的测量精度，而且提高了光纤光栅传感器安装的成活率，此外，复合材料封装结构的强度高、质量轻、耐腐蚀，可显著延长传感器使用寿命，且该传感器与复合材料结构件具有很好的兼容性，可以外贴和内植于结构件，扩大了其应用范围，适合大型结构件的内部和表面分布式在线温度和应变的测量。该复合材料封装的光纤光栅传感器制造方法简易、高效、稳定，适合企业大批量快速生产。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：本专利技术的第一个目的是提供一种复合材料封装的光纤光栅传感器，包括：光纤光栅传感组件、复合材料覆盖层、树脂封装层和复合材料基板层；其中，所述复合材料覆盖层和复合材料基板层形成包裹树脂封装层的外壳；所述光纤光栅传感组件包括一光纤，所述光纤的一端连接光纤连接器，另一端的最外部设有温度光纤光栅，靠近温度光纤光栅的一端光纤刻制若干个应变光栅栅区，温度光纤光栅和应变光纤光栅串行排列，光纤平直无弯折；其中，部分光纤光栅传感组件设置在所述复合材料基板层上，该部分光纤光栅传感组件至少包括所述温度光纤光栅和应变光栅栅区，并被所述树脂封装层封装在其内部；同时被复合材料覆盖层和复合材料基板层封装保护。所述复合材料基板层为平板结构，便于粘贴于结构件的表面。所述复合材料覆盖层为流线型结构，流线型是物体的一种外部形状，通常表现为平滑而规则的表面，没有大的起伏和尖锐的棱角，这种流线型结构在传感器埋植结构件(尤其复合材料结构件)内部时，有利于提高传感器表面与待测结构件基体的机械咬合和粘接强度，防止传感器和待测结构件基体分离。该结构的设计既适合粘贴在被测结构件表面上，又适合埋植于被测结构件内部，可实现对被测结构件表面和内部的温度和应变分布式测量。优选的，未封装在树脂封装层中的光纤和其延伸至树脂封装层内部分的光纤外部设有保护层，该外护层容易剥离；光纤及其外部的保护层形成本领域技术人员熟知的单芯光缆。优选的，所述复合材料封装的光纤光栅传感器的底层表面为平面，上层表面为流线型表面；最大厚度不超过3mm，宽度在(10-40)mm，使得该传感器体积小巧。优选的，所述光纤掺杂光敏材料，在光纤上刻制具有设定中心波长的光栅栅区，作为传感器的敏感元件。优选的，所述温度光栅包括刻制在光纤上的温度光栅栅区、以及套在所述温度光栅栅区的保护管，所述保护管内填充有导热液。进一步优选的，所述保护管为硬质耐热毛细管。所述硬质耐热毛细管具有较高的刚度和强度，优选不锈钢毛细管或石墨毛细管。更进一步，所述毛细管密封胶的材料优选热固性环氧胶。光纤上刻制有两个或两个以上的光栅栅区，每个光栅栅区具有设定的长度，各光栅栅区之间具有设定的间距，且各光栅栅区的中心波长差距大于3nm，在最外端光栅栅区上外套保护管，保护内填充导热液，并胶封管口，该光栅栅区在保护管内可以自由伸缩，不受外界应力和应变影响，形成温度光栅，其余的光栅栅区均为应变光栅。温度光栅在光纤外端，应变光栅相对靠内，温度光栅仅一个，应变光栅可刻制一个或者多个。所述光纤连接器安装在无光栅栅区的一端的光纤上，主要方便复合材料封装的光纤光栅传感组件与外界系统连接，同时避免了光纤熔接的工序。优选的，所述温度光栅和若干个应变光栅栅区设置在复合材料基板层上的具体方式是：以胶粘的方式固定在复合材料基板层上，粘接时保持光纤平直且施加一定的预应力；优选的胶粘固定点分别为光缆和裸露光纤的交界处、各光栅栅区之间以及保护管端部。所述复合材料封装的光纤光栅传感器的温度测量由温度光栅来完成，应变测量由温度光栅和应变光栅共同完成，测量方法为本领域技术人员公知。优选的，所述复合材料基板层包括纤维织物结构和浸渍固化在所述纤维织物结构上的树脂层，形成热固性树脂固化纤维织物的复合材料薄板；厚度控制在1.5mm以下；所述复合材料基板层可以通过纤维织物的预浸布热模压成型、液态模塑成型或真空辅助灌注成型。所述纤维织物结构是指采用增强纤维制成的三维立体编织结构或采用增强纤维制成的二维平面编织布。所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、聚酯纤维中的一种或多种。所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂。本专利技术的复合材料基板层主要起到定位、负载光纤光栅并将被测结构件的应变和温度传递到光栅栅区的作用，这就要求基板应具有一定的刚度，但其刚度又不能过大，否则当将其粘贴于被测结构件表面时，光纤光栅传感器基片会起到加强筋的作用，影响测量精度；同时，为保证光纤光栅传感器可以精确反映被测结构件的温度和应变变化，基板材料需要具有极小的应变传递损耗；所以，需要根据待测量结构件的组成材料和测量要求，综合考虑选择上述的增强纤维，例如，测量钢结构件或玻璃钢结构件可选用玻璃纤维作为所述纤维织物的增强纤维，测量碳纤维结构件的温度和应变优选使用碳纤维作为所述纤维织物的增强纤维。进一步优选的，采用致密的铺层厚度为(0.2-1.0)mm的正交编织的玻璃纤维预浸布通过热模压成型方式制造。进一步优选的，所述复合材料基板层使用脱模布进行脱模，使复合材料基板层的上下两个表面都形成类似磨砂的粗糙面；一方面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料封装的光纤光栅传感器，其特征是：该光纤光栅传感器包括光纤光栅传感组件、复合材料覆盖层、树脂封装层和复合材料基板层；其中，所述复合材料覆盖层和复合材料基板层形成包裹树脂封装层的外壳；所述光纤光栅传感组件包括一光纤，所述光纤的一端连接光纤连接器，另一端的最外部设有温度光纤光栅，靠近温度光纤光栅的一端光纤刻制有若干个应变光纤光栅栅区，温度光纤光栅和应变光纤光栅串行分布，光纤平直无弯折；其中，部分光纤光栅传感组件设置在所述复合材料基板层上，该部分光纤光栅传感组件至少包括所述温度光纤光栅和应变光栅栅区，并被所述树脂封装层封装在其内部。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料封装的光纤光栅传感器，其特征是：该光纤光栅传感器包括光纤光栅传感组件、复合材料覆盖层、树脂封装层和复合材料基板层；其中，所述复合材料覆盖层和复合材料基板层形成包裹树脂封装层的外壳；所述光纤光栅传感组件包括一光纤，所述光纤的一端连接光纤连接器，另一端的最外部设有温度光纤光栅，靠近温度光纤光栅的一端光纤刻制有若干个应变光纤光栅栅区，温度光纤光栅和应变光纤光栅串行分布，光纤平直无弯折；其中，部分光纤光栅传感组件设置在所述复合材料基板层上，该部分光纤光栅传感组件至少包括所述温度光纤光栅和应变光栅栅区，并被所述树脂封装层封装在其内部。2.如权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征是：所述复合材料基板层为平板结构，所述复合材料覆盖层为流线型结构；优选的，未封装在树脂封装层中的光纤和其延伸至树脂封装层内部分的光纤外部设有保护层。3.如权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征是：所述复合材料基板层包括纤维织物结构和浸渍固化在所述纤维织物结构上的树脂层；所述纤维织物结构是指采用增强纤维三维立体编织结构或二维平面编织的纤维织物布；优选的，所述复合材料基板层的厚度控制在1.5mm以下；优选的，所述复合材料基板层通过纤维织物的预浸布热模压成型、液态模塑成型或真空辅助灌注成型；优选的，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、聚酯纤维中的一种或多种；优选的，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂；进一步优选的，所述复合材料基板层采用致密的铺层厚度为(0.2-1.0)mm的正交编织的玻璃纤维预浸布通过热模压成型方式制造；进一步优选的，所述复合材料基板层使用脱模布进行脱模，使复合材料基板层的上下两个表面都形成类似磨砂的粗糙面。4.如权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征是：所述复合材料覆盖层包括纤维织物结构和浸渍固化在所述纤维织物结构上的树脂层，是由纤维织物通过真空辅助灌注的树脂浸润和固化而得到；所述纤维织物结构是指采用增强纤维三维立体编织结构或二维平面编织的纤维织物布；优选的，所述增强纤维为玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、聚酯纤维中的一种或多种；优选的，所述树脂为环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯树脂、乙烯基树脂或其他热固性树脂；进一步优选的，所述复合材料覆盖层纤维织物结构为电子级正交编织玻璃纤维布。5.如权利要求1所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾玉玺，郭云力，高琳琳，王庆林，姜明顺，王海庆，智杰颖，赵亚如，隋青美，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37