复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以及方法技术方案

本发明专利技术提供一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以及方法，其中监测系统包括温度传感器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、压力传感器、数据记录仪和上位机，上位机中运行有多参数监测模块执行监测，其中在线监测方法包括测温度步骤、监测压力步骤、监测应变步骤和监测应力步骤。本发明专利技术提供的监测系统以及方法能够实现多参数实时协同在线监测，且准确度高、灵敏性好、可连续、真实反映整个固化过程复合材料各项参数的实际情况。

【技术实现步骤摘要】
复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以及方法
本专利技术涉及工程与材料科学领域，具体涉及一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以及方法。
技术介绍
先进复合材料具有密度小、比强度高、比模量高、耐高温、抗疲劳等显著优点，已经广泛应用于航空航天等高科技领域。在复合材料制件的热压固化成型过程中，温度、压力、应变和应力四个参数最为重要，制件的成型质量与温度和压力密切相关，残余应力的存在对制件的力学性能的影响也极大，同时，热压固化过程中复合材料内部往往会出现复杂的应变而产生缺陷并导致固化变形，严重影响复合材料制件的物理性能。因此有必要对复合材料制件的整个固化过程实现多参数的实时协同在线监测，扩充现有监测范围，以探究各物理参量对复合材料制件成型质量的影响。目前对复合材料热压固化过程实施监测，一方面缺乏温度、压力、应变和应力等多参数协同在线监测的系统，现有监测往往都是针对有限的某一、二种参数，另一方面在参数的监测方法上也存在着一些不足。如对于应力监测，目前采用的方法有应变片包埋法、曲率法、光纤布拉格光纤法等，其中曲率法可直接计算出应力，但却不能实现在线监测，应变片包埋法可实时监测，但是只适用于对称铺层，且不能直接监测出应力；对于应变监测，原有使用较为成熟的在线监测技术，多是采用光纤传感器的无损检测系统，这些监测方法所用的传感器成本较高，操作难度系数大，且存在应变-温度交叉敏感问题；对于压力监测，原有的监测方法有使用微型压力传感器，但是为了测试树脂压力，传感器必须埋入复合材料制件中，而相对于纤维尺寸，这类压力传感器太大以至于影响了树脂的流动和纤维的正常排序，无法真实反应树脂压力的实际变化情况。因此，需要一种能够实现多参数实时协同在线监测，且监测准确度高、灵敏性好、可连续、真实反映整个固化过程复合材料各项参数的实际情况的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以及方法以解决现有技术中存在的问题。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能够实现多参数实时协同在线监测，且监测准确度高、灵敏性好、可连续、真实反映整个固化过程复合材料各项参数的实际情况的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统以及方法，具体技术方案如下：一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，包括温度传感器、光纤光栅传感器、光纤光栅解调仪、压力传感器、数据记录仪和上位机；所述温度传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端均埋入放置在热压罐内待监测复合材料的被测点；所述温度传感器的信号传输端与数据记录仪相连且所述数据记录仪通过数据线接入上位机，用于传输采集获取的温度数据；所述光纤光栅传感器的信号传输端与光纤光栅解调仪相连且所述光纤光栅解调仪通过数据线接入上位机，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器的信号传输端与所述数据记录仪相连且所述数据记录仪通过数据线接入上位机，用于传输采集获取的压力数据；所述上位机中设有多参数监测模块，用于执行热压固化过程中的参数监测，所述多参数监测模块包括温度监测子模块、波长监测子模块、应变监测子模块、压力监测子模块、材料力学参数计算子模块和应力监测子模块。以上技术方案优选的，所述温度监测子模块用于热压固化过程中温度数据的实时处理、存储和显示；所述波长监测子模块用于热压固化过程中波长数据的实时处理、存储和显示；所述应变监测子模块用于热压固化过程中应变数据的实时处理、存储和显示，所述应变数据通过所述温度监测子模块获得的温度数据和所述波长监测子模块获得的波长数据计算得到，计算公式为表达式：其中，εij为j时刻被测点i处的应变值，Kε为应变敏感系数，Wij为j时刻被测点i处的波长值，Wi0为被测点i处的波长初始值，KT为温度敏感系数，Tij为j时刻被测点i处的温度值，Ti0为被测点i处的温度初始值；所述压力监测子模块用于热压固化过程中压力数据的实时处理、存储和显示；所述材料力学参数计算子模块用于输入热压固化过程中的铺层信息并计算待监测复合材料层合板制件的材料力学参数，所述材料力学参数计算子模块包含多种复合材料单方向单层板制件的材料力学参数数据库，通过选择复合材料种类，基于“经典层合板理论”计算输出不同铺层方式下待监测复合材料层合板制件的材料力学参数，所述材料力学参数包括沿纤维方向和垂直纤维方向的杨氏模量；所述应力监测子模块用于热压固化过程中应力数据的实时处理、存储和显示，所述应力数据通过所述应变监测子模块获得的应变数据和所述材料力学参数计算子模块获得的杨氏模量计算得到，计算公式为表达式：σij＝Eεij；其中，σij为j时刻被测点i处的应力值，E为被测点i处的对应方向的杨氏模量，εij为j时刻被测点i处的应变值。以上技术方案优选的，设置多个被测点用于热压固化过程中复合材料多个位置处的参数监测；所述数据记录仪为多通道无纸记录仪；运行所述多参数监测模块对热压固化全过程中监测到的所有参数及其变化情况在所述上位机中均能够以可视化方式实时协同显示；热压固化过程结束后，所述多参数监测模块可生成包含所有数据的报表文件。以上技术方案优选的，所述温度传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端均穿过所述热压罐上设置的预留孔进入热压罐内并埋入待监测复合材料的被测点，然后用耐高温密封胶将所述预留孔密封。以上技术方案优选的，所述温度传感器为直径0.2-0.4mm的K型热电偶传感器，所述光纤光栅传感器栅区的裸光纤直径为125um，所述热电偶传感器的测量端、光纤光栅传感器的栅区和压力传感器的测量端埋入复合材料的被测点时，所述热电偶传感器的工作点与所述光纤光栅传感器的栅区之间相距15-30mm，所述压力传感器的测量端距离所述热电偶传感器的工作点和所述光纤光栅传感器的栅区均不小于20mm。以上技术方案优选的，所述光纤光栅传感器的栅区与被测点处铺层的纤维方向平行，对固化压力较小的复合材料制件，也可与被测点处铺层的纤维方向成90°或者45°的夹角。以上技术方案优选的，所述压力传感器为毛细管压力传感器，包括绝压变送器、储液腔、密封螺钉和毛细管；所述绝压变送器的信号采集端贯穿所述储液腔与所述储液腔内的液体传压介质相接触，所述绝压变送器的信号输出端作为毛细管压力传感器的信号传输端与所述数据记录仪连接；所述储液腔上设有出液孔，所述密封螺钉设置在所述出液孔处；所述毛细管一端与所述储液腔连通，所述毛细管和所述储液腔的连接处设有密封胶层，所述毛细管另一端作为所述压力传感器的测量端埋入所述待监测复合材料的被测点，所述毛细管外径为0.4-1.0mm；所述储液腔和毛细管内部为密闭空间且充满液体传压介质。以上技术方案优选的，热压固化过程中，所述毛细管压力传感器将被测点处采集的压力信号转化为电流信号通过所述数据记录仪传输至所述上位机，运行于所述上位机中的压力监测子模块计算出被测点处压力值，计算公式为表达式：Pi＝Ii·1KPa/mA·10-3MPa/KPa-0.101MPa；其中：Pi为被测点i处压力值，单位为MPa，Ii为由毛细管压力传感器采集到的被测点i处的压力信号转化而来的电流信号，单位为mA，1KPa/mA为量纲转化因子，10-3MPa/KPa为量纲转化因子，0.101MPa是一个标准大气压的值。以上技术方案优选的，所述毛细管压力传感器采用24本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：包括温度传感器(8)、光纤光栅传感器(9)、光纤光栅解调仪(7)、压力传感器(3)、数据记录仪(6)和上位机(5)；所述温度传感器(8)的测量端、光纤光栅传感器(9)的栅区和压力传感器(3)的测量端均埋入放置在热压罐(1)内待监测复合材料(10)的被测点；所述温度传感器(8)的信号传输端与数据记录仪(6)相连且所述数据记录仪(6)通过数据线接入上位机(5)，用于传输采集获取的温度数据；所述光纤光栅传感器(9)的信号传输端与光纤光栅解调仪(7)相连且所述光纤光栅解调仪(7)通过数据线接入上位机(5)，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器(3)的信号传输端与所述数据记录仪(6)相连且所述数据记录仪(6)通过数据线接入上位机(5)，用于传输采集获取的压力数据；所述上位机(5)中设有多参数监测模块，用于执行热压固化过程中的参数监测，所述多参数监测模块包括温度监测子模块、波长监测子模块、应变监测子模块、压力监测子模块、材料力学参数计算子模块和应力监测子模块。

【技术特征摘要】
1.一种复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：包括温度传感器(8)、光纤光栅传感器(9)、光纤光栅解调仪(7)、压力传感器(3)、数据记录仪(6)和上位机(5)；所述温度传感器(8)的测量端、光纤光栅传感器(9)的栅区和压力传感器(3)的测量端均埋入放置在热压罐(1)内待监测复合材料(10)的被测点；所述温度传感器(8)的信号传输端与数据记录仪(6)相连且所述数据记录仪(6)通过数据线接入上位机(5)，用于传输采集获取的温度数据；所述光纤光栅传感器(9)的信号传输端与光纤光栅解调仪(7)相连且所述光纤光栅解调仪(7)通过数据线接入上位机(5)，用于传输采集获取的波长数据；所述压力传感器(3)的信号传输端与所述数据记录仪(6)相连且所述数据记录仪(6)通过数据线接入上位机(5)，用于传输采集获取的压力数据；所述上位机(5)中设有多参数监测模块，用于执行热压固化过程中的参数监测，所述多参数监测模块包括温度监测子模块、波长监测子模块、应变监测子模块、压力监测子模块、材料力学参数计算子模块和应力监测子模块。2.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述温度监测子模块用于热压固化过程中温度数据的实时处理、存储和显示；所述波长监测子模块用于热压固化过程中波长数据的实时处理、存储和显示；所述应变监测子模块用于热压固化过程中应变数据的实时处理、存储和显示，所述应变数据通过所述温度监测子模块获得的温度数据和所述波长监测子模块获得的波长数据计算得到，计算公式为表达式：其中，εij为j时刻被测点i处的应变值，Kε为应变敏感系数，Wij为j时刻被测点i处的波长值，Wi0为被测点i处的波长初始值，KT为温度敏感系数，Tij为j时刻被测点i处的温度值，Ti0为被测点i处的温度初始值；所述压力监测子模块用于热压固化过程中压力数据的实时处理、存储和显示；所述材料力学参数计算子模块用于输入热压固化过程中的铺层信息并计算待监测复合材料层合板制件的材料力学参数，所述材料力学参数计算子模块包含多种复合材料单方向单层板制件的材料力学参数数据库，通过选择复合材料种类，基于“经典层合板理论”计算输出不同铺层方式下待监测复合材料层合板制件的材料力学参数，所述材料力学参数包括沿纤维方向和垂直纤维方向的杨氏模量；所述应力监测子模块用于热压固化过程中应力数据的实时处理、存储和显示，所述应力数据通过所述应变监测子模块获得的应变数据和所述材料力学参数计算子模块获得的杨氏模量计算得到，计算公式为表达式：σij＝Eεij；其中，σij为j时刻被测点i处的应力值，E为被测点i处的对应方向的杨氏模量，εij为j时刻被测点i处的应变值。3.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：设置多个被测点用于热压固化过程中复合材料多个位置处的参数监测；所述数据记录仪(6)为多通道无纸记录仪；运行所述多参数监测模块对热压固化全过程中监测到的所有参数及其变化情况在所述上位机(5)中均能够以可视化方式实时协同显示；热压固化过程结束后，所述多参数监测模块可生成包含所有数据的报表文件。4.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述温度传感器(8)的测量端、光纤光栅传感器(9)的栅区和压力传感器(3)的测量端均穿过所述热压罐(1)上设置的预留孔(2)进入热压罐(1)内并埋入待监测复合材料(10)的被测点，然后用耐高温密封胶将所述预留孔(2)密封。5.根据权利要求1所述的复合材料热压固化过程的多参数在线监测系统，其特征在于：所述温度传感器(8)为直径0.2-0.4mm的K型热电偶传感器，所述光纤光栅传感器(9)栅区的裸光纤直径为125um，所述热电偶传感器的测量端、光纤光栅传感器(9)的栅区和压力传感器(3)的测量端埋入复合材料的被测点时，所述热电偶传感器的工作点与所述光纤光栅传感器(9)的栅区之间相距15-30mm，所述压力传感器(3)的测量端距离所述热电偶传感器的工作点和所述光纤光栅传感器(9...

【专利技术属性】
技术研发人员：湛利华，康旭辉，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43