一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用技术

本发明专利技术提供一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用，该光纤光栅应变传感器的结构中包括应变光纤光栅、玻璃纤维单向布、热塑性高分子无纺毡、树脂体系；其中，应变光纤光栅沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；应变光纤光栅、玻璃纤维单向布与热塑性高分子无纺毡整个区域内分布有树脂体系，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂形成微区域双连续相，组成完整的光纤光栅传感器。该光纤光栅应变传感器与光纤光栅温度传感器成对内植于叶片模具内使用。本发明专利技术提高了内植式光纤光栅传感器的存活率、复杂应变可检性及长期使役稳定性。

A FBG strain sensor, component and its forming method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用
本专利技术涉及材料制备和光纤通信
，具体涉及一种光纤光栅应变传感器、组件及其成型方法和应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。风电是世界上增长最快的清洁能源之一，大型化、轻量化和智能化是其发展趋势。近年来海上风电的需求大增，与陆上风电相比，海上风电的特点是叶片长度更长(100米级及以上)，不便于进行状态监测和维修，这就对叶片的机械强度和耐疲劳性提出了更高的要求。要想制造出高精度、高质量、长寿命的叶片，首先必须发展先进的模具制造技术。现今国内制造出的最长的叶片模具约为84米，基本上是由玻璃纤维或碳纤增强复合材料、加热系统、钢结构调节系统和翻转系统构成。随着模具长度提高至100米级，复材模具的变形量会增大，如果单纯依靠钢结构强行调整型面，会使模具内部内应力增大，甚至产生微裂纹等缺陷，导致模具使用寿命缩短。现今叶片模具型面精度检测最常见的手段是三坐标测量仪，其优势在于测量精度高、柔性好，适用于大型的曲面结构测量，但也存在测量速度慢、不适合大范围的动态测量，且造价比较昂贵的缺点。而光纤光栅传感器由于其灵敏度高、抗电磁干扰、便于大规模低成本组网、可埋入材料内部和进行在线监测的优势，在土木工程、航空航天和石油化工等行业得到了广泛的应用，成为传感领域发展最快的技术之一。如果将分布式光纤光栅传感器内植于叶片模具内部，就可以实时在线监测模具内部的温度和应变状态，进一步优化加热工艺，并根据模具的实时变形情况来监测模具的型面精度，便于及时修正模具型面，防止出现上述内应力过大的问题，也可以弥补使用三坐标测量仪带来的检测速度慢且造价昂贵的不足。然而，专利技术人发现，实际上，风电叶片模具的生产过程非常复杂，往往存在各种不可控的施工外力作用，现有的对光纤光栅应变传感器的保护技术往往只能应用于实验室制品，在应用于实际工业化生产时容易产生严重的啁啾现象，甚至会导致光栅失活，因而现有技术无法满足实际生产的要求。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提出了一种适用于大型工业化生产的光纤光栅传感器组件的制造、植入和保护方法，确保光纤光栅传感器在恶劣的制造施工环境中存活，并大幅减少啁啾现象(啁啾现象即传感器所测信号出现杂峰或者峰形不尖锐，甚至解调仪无法解调出光纤光栅信号的现象)的产生，实现对叶片模具的温度和应变进行实时在线监测，提高了内植式光纤光栅传感器的存活率、复杂应变可检性及长期使役稳定性。本专利技术的目的之一是提供一种智能化叶片模具的光纤光栅传感器组件及其成型方法，该光纤光栅传感器组件包括光纤光栅温度传感器和光纤光栅应变传感器，光纤光栅应变传感器采用薄而窄的长条状结构，挤压成型后可缠绕成卷。利用玻璃纤维单向布的增强作用，在浸渍树脂固化后就形成了一个横观各向同性的高刚度、高强度玻璃纤维复合材料棒，从而保证光纤光栅应变传感器在恶劣的施工条件下存活，同时利用热塑性高分子无纺毡和树脂形成的微区域双连续相对树脂进行增韧，把栅区段的复杂内应力做平均化处理，使得同一段栅区上的应变比较均匀，进而有效减少应变传感器的啁啾现象，在玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的协同作用下保证光纤光栅应变传感器在暴力施工、复杂内应力、剧烈剪切/拉压应力及组合应力下存活，为智能化叶片模具的制造打下坚实的基础。本专利技术的目的之二是提供一种将光纤光栅传感器组件植入叶片模具的方法，本专利技术的方法包括光纤光栅传感器组件的制备、组件植入叶片模具的方式以及光纤引线的引出和保护方法，全面而系统地提高了光纤光栅传感器应用于实际工业化生产时的存活率及稳定性，并有效避免了啁啾现象的发生，为风电叶片模具的型面精度监测提供了简单有效的方案。具体地，本专利技术的技术方案如下所述：在本专利技术的第一方面，本专利技术提供了一种光纤光栅应变传感器，其能够作为组件应用于智能化叶片模具内，所述光纤光栅应变传感器的结构中包括应变光纤光栅、玻璃纤维单向布、热塑性高分子无纺毡、树脂体系；其中，沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；应变光纤光栅与热塑性高分子无纺毡之间的区域内分布有树脂体系(即应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡整个区域内分布有树脂体系)，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂体系形成微区域双连续相，组成完整的光纤光栅传感器。在本专利技术的实施方式中，所述应变光纤光栅的每根光纤上刻制多个栅区，形成分布式检测的光纤光栅串，栅区之间的间距可根据需要自行设定。所述光纤光栅应变传感器的栅区周围沿着光纤轴向用玻璃纤维单向布包埋，在浸胶(即浸渍液态树脂体系)固化之后，形成一个以应变光纤光栅为中心、横观各向同性的高刚度、高强度玻璃纤维复合材料棒，从而保证光纤光栅应变传感器在恶劣施工条件和复杂内应力下存活。在本专利技术的一些实施方式中，所述玻璃纤维单向布宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm。在本专利技术的实施方式中，所述应变光纤光栅的纤芯直径为5-50μm，栅区长度为10-15mm，比如可以为10mm。在本专利技术的实施方式中，所述应变光纤光栅在牵引的作用下取直并在由此获取的预应力下固定在玻璃纤维单向布上，可以提高测试数据的稳定性。固定可采用粘结的方式，比如采用胶黏剂，胶黏剂应具有粘结力强、粘结速度快且不与玻璃纤维反应的特点，优选401胶作为固定应变光纤光栅的胶粘剂。在本专利技术的实施方式中，所述热塑性高分子无纺毡具有很好的随形性，其上下两层将两层玻璃纤维单向布及这两层玻璃纤维单向布内包埋的应变光纤光栅包覆，其上下两层对于应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆均能形成Ω管形貌，从而实现全面地包覆。所述的玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡必须协同作用，缺一不可，而且玻璃纤维单向布必须被包裹在热塑性高分子毡的里面，否则无法达到将周围应力均匀化、减少啁啾现象的作用。在本专利技术的一些实施方式中，所述热塑性高分子无纺毡根据具体使用要求可选择聚醚醚酮(PEEK)和/或尼龙无纺毡。在本专利技术的一些实施方式中，所述热塑性高分子无纺毡宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm。在本专利技术的实施方式中，所述树脂体系包括环氧树脂和固化剂；其中，环氧树脂与固化剂用量(质量)比例为4-6:1-2，优选5:2配置。在本专利技术的实施方式中，所述的环氧树脂种类应与叶片模具制造时所用的树脂相匹配，二者应有良好的相容性，尽可能减少植入光纤光栅传感器组件对模具性能的影响，并有效降低应变传递损耗，提高测试的可靠性。在本专利技术的实施方式中，树脂体系固化后在光纤光栅应变传感器中的体积含量为40％-60％。在本专利技术的第二方面，本专利技术提供了一种如上第一方面中所述的光纤光栅应变传感器的成型方法，其包括：按照热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光纤光栅应变传感器，其结构中包括应变光纤光栅、玻璃纤维单向布、热塑性高分子无纺毡、树脂体系；/n其中，应变光纤光栅沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；/n包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；/n应变光纤光栅与热塑性高分子无纺毡之间的区域内分布有树脂体系，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂体系形成微区域双连续相，组成光纤光栅传感器。/n

【技术特征摘要】
1.一种光纤光栅应变传感器，其结构中包括应变光纤光栅、玻璃纤维单向布、热塑性高分子无纺毡、树脂体系；
其中，应变光纤光栅沿着光纤轴向的上下两侧铺设有玻璃纤维单向布，将应变光纤光栅包埋于上下两侧的玻璃纤维单向布内；
包埋应变光纤光栅的上下两侧玻璃纤维单向布的外侧各铺设有热塑性高分子无纺毡，热塑性高分子无纺毡实现对应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆；
应变光纤光栅与热塑性高分子无纺毡之间的区域内分布有树脂体系，固化后热塑性高分子无纺毡和树脂体系形成微区域双连续相，组成光纤光栅传感器。


2.根据权利要求1所述的光纤光栅应变传感器，其特征在于，所述应变光纤光栅的每根光纤上刻制多个栅区，所述光纤光栅应变传感器的栅区周围沿着光纤轴向用玻璃纤维单向布包埋；
优选地，所述应变光纤光栅的纤芯直径为5-50μm，栅区长度为10-15mm；
优选地，所述应变光纤光栅在牵引的作用下取直并在由此获取的预应力下固定在玻璃纤维单向布上；
优选地，所述玻璃纤维单向布宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm；
优选地，所述热塑性高分子无纺毡具有随形性，其上下两层对于应变光纤光栅及玻璃纤维单向布的包覆均能形成Ω管形貌；
优选地，所述热塑性高分子无纺毡为聚醚醚酮(PEEK)和/或尼龙无纺毡；
优选地，所述热塑性高分子无纺毡宽度为5-10mm，厚度为0.2-0.5mm；
优选地，所述树脂体系包括环氧树脂和固化剂；
优选地，树脂体系在光纤光栅应变传感器中的体积含量为40％-60％。


3.权利要求1或2所述的应用于智能化叶片模具内的光纤光栅应变传感器的成型方法，其包括：按照热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的顺序自下而上进行堆叠后干燥，然后进行第一次挤压，挤压后置于液态树脂体系中浸渍，浸渍完成后进行第二次挤压，冷却成型；
优选地，所述方法基于具有以下结构的成型装置，包括至少5个设置有纱架导辊的纱架筒分别依次固定热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡，以及包括干燥箱、第一挤压辊、浸渍槽、第二挤压辊及若干导辊；
其中，干燥箱设置于原料纱架筒与第一挤压辊之间，浸渍槽位于第一挤压辊和第二挤压辊之间；纱架筒与干燥箱之间靠近干燥箱处设有导辊，用以引导经纱架导辊穿出的材料堆叠汇合；第一挤压辊与浸渍槽之间位于浸渍槽入口处以及浸渍槽与第二挤压辊之间位于浸渍槽出口处分别设置有引导辊，分别用以引导挤压后的物件进入浸渍槽和用以引导浸渍后的物件离开浸渍槽进入第二挤压辊；浸渍槽内靠近底部设置有正下辊，用以引导进入浸渍槽的物件自正下辊下方通过浸渍槽，使物件在浸渍槽内充分浸润；
优选地，所述成型方法包括：热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡被分别固定在纱架筒上各自穿过纱架导辊穿出，于干燥箱前经导辊引导进行汇合堆叠，各材料的堆叠顺序自上而下依次为热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡；汇合堆叠后的物件进入干燥箱干燥，干燥后的物件进入第一挤压辊挤压后经引导辊引导进入浸渍槽，浸渍槽内盛有液态树脂体系，液体高度应足以没过浸渍槽底部设置的正下辊，且挤压后的物件可在正下辊下方通过，以使物件在液态树脂体系中充分浸渍，浸渍后的物件在正下辊下方通过后经位于浸渍槽出口处的引导辊引导进入第二挤压辊加温挤压，挤压后的物件冷却成型，即得。


4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，堆叠于应变光纤光栅上侧及下侧的热塑性高分子无纺毡与玻璃纤维单向布分别经纱架导辊穿出后各自经另一导辊引导提前汇合，然后在干燥箱前经导辊引导按热塑性高分子无纺毡、玻璃纤维单向布、应变光纤光栅、玻璃纤维单向布和热塑性高分子无纺毡的顺序自上而下堆叠；
优选地，堆叠汇合时，应变光纤光栅被固定于位于其下侧的玻璃纤维单向布上，固定方式优选使用粘结剂；
优选地，浸渍槽内设置有至少1个正下辊，优选至少2个，分别位于浸渍槽两端；
优选地，堆叠汇合时标记出第一栅区的位置；
优选地，常温冷却成型后，根据所标记的第一个栅区的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈忠丽，黄尚洪，贾玉玺，李义全，张雷达，刘安娜，刘惠，周勇，徐永正，周振泽，
申请(专利权)人：山东大学，北玻院滕州复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37