搜索
评估弯曲应变测量在复合帆船船首斜桅与嵌入式光纤布喇格光栅RaffaellaDiSante*,LorenzoDonati,EnricoTroiani,PaoloProli母校Studiorum-博洛尼亚大学工业工程部门-DIN,MaSTeRLab，通过囟门40、ForliFC47121年,意大利。文献信息文章历史：2013年10月22日收到2014年4月9日收到修订版2014年4月18日审核通过了2014年4月30日传到网上关键词：FBG光纤光栅嵌入式传感器应变测量海洋复合结构高压蒸汽养护文献综述Acrylate-coated光纤布喇格光栅(fbg)嵌入在船首斜桅帆船制造管状部分使用高压真空装袋过程和现实的加载条件下测量的目的菌株。为了建立一个有效的过程传感器集成、平面拉伸标本与嵌入式传感器首先产生在不同处理条件下,使用先进的复合材料用于海洋工业。信息以这种方式被用来制造一艘帆船船首斜桅与数组之间的光栅嵌入式内弯。为了评估嵌入式传感器的灵敏度和准确性,船首斜桅受到弯曲测试,结果比较分析值和数据粘贴应变片电。结果是非常令人鼓舞的,但显示,必须十分注重一体化进程和嵌入式的原位校准传感器。©2014爱思唯尔有限公司保留所有权利。1、引言复合材料,尤其是碳纤维增强塑料复合材料,目前广泛正在很多领域用来建设轻,耐用和结实的结构。然而由于建模的复杂性,以及需要用来来预测一些力学行为,人们急需有效可靠的监测系统来改善结构设计,维护,性能和安全问题[1、2]。近年来,光纤传感器凭借他们的亮度、重量,耐用性和对电磁干扰的不敏感性为不同力学参数的实时监控显示出了巨大的潜力。此外,由于尺寸小，他们还很适合嵌入纤维复合材料。至于检测表面或内部压力的复合材料而言,光纤布拉格光栅(fbg)是最常用的光纤传感器,但是他们的性能很可能会受到嵌入过程和周围物质的存在的影响。因此,对它必须要准确地估计。实际上,当将光纤布拉格光栅传感器集成到以纤维为基础的复合体内,由于机械和热气压力，制造过程实际上引入了许多问题，可能损坏传感器或改变他们的性能【3、4】。例如,因为随着嵌入纤维产生的局部集中的和分散的压力导致的光学损失[5]可能会降低信噪比值，而这在测量长距离时可能是至关重要的，比如在大型结构的情况下。另外,剩余压力可能会产生双折射影响，并使得嵌入式传感器的布拉格谱峰裂开[4]。此外,还会在结构中形成压力度,从而随光栅长度影响频率宽度和决定波长的偏移。比如承受弯曲荷载的结构，就是这样的[6]。本文打算通过制造复合可拉伸试样的嵌入式光纤光栅和一个典型的航海结构,即嵌入光纤光栅阵列的船首斜桅来研究这些关键问题。特别是,基于先前对利用在高压蒸汽的真空包装技术来产生拉伸先进复合材料的生产过程的调查研究，以及对于在制成的样本和嵌入式光纤的介绍,扩充,和对引入的光学损失例如微弯[8]以及可能存在的残余横向压力导致变形的布拉格光谱的探讨[3,9]。不同于往常采用光学频谱分析仪(OSA)(见[8]例如),光学损失评估使用了OTDR(光时域反射计)和OLCR(光学低相干反射计)技术等强大的方法来确定损失与高分辨率的返回损失空间分布。此外,对调查样本进行了拉伸和三点弯曲测试来评价嵌入后的压力传递,这实际上(3、6)至关重要。基于拉伸样本的结果,特别是对于影响制造工艺参数的因素，最后被用来生产嵌入式光纤光栅阵列的船首斜桅。OTDR技术再次被用来评估光学损失和可能的光谱变形。最后要进行弯曲测试，通过分析和测验来自压力粘贴片的参考数据来评估压力传递,从而校正与嵌入式光纤光栅在弯曲荷载条件有关的需要进行精确测量的因子的值。这项工作是与瑞芭复合材料公司——意大利舰队制造业的一家公司紧密合作的，他具备了先进的复合结构,汽车和航空航天工业应用和Sestosensorsrl,从属于意大利中小企业与相关专业知识在光纤传感器发展民用部门,其目的是验证中利用光纤来可靠监控工业环境产生的复合材料的有效性。2、材料和方法2.1拉伸试样为了研究工业生产过程的效果和对光纤布喇格光栅的嵌入的相关参,首先进行拉伸试样生产和测试(参见图1)。通过不同温度(90and120摄氏度）和3bar下的真空包装技术下的高压蒸汽制造出不同碳纤维增强塑料层压制品。在固化之前,检测有光纤布喇格光栅两个不同的涂料的标本(丙烯酸酯和聚酰亚胺）涂在样品表面或嵌入样本。传统的电压力粘贴片是贴装在标本的表面，并用用作参考比较。更多的标本细节在制造业报告书里[7]。在120摄氏度下涂有丙烯酸酯的传感器失败了C,而涂有聚酰亚胺的光栅能够承受的最高温度。此外,需要特殊的技术解决方案以保护材料中纤维进出点,同时也要住意纤维可能会在层压板外破损或者在特殊的英镑套筒或用于保护纤维和纤维本身的聚四氟乙烯箔之间的接口。成品后,检测布喇格光栅的光谱,在这里，通过使用光学频谱分析仪和纤维内部的光学损失检查可能的变形，传感器通过OLCR技术得到高空间的和光谱的测量。最后,对样本进行拉伸和三点弯曲测试。2.2船首斜桅制造和测试小样本后,嵌入的过程获得的信息和传感器性能被用来产生一个复合船首斜桅,即从船的船首伸展出来的杆,通常称为臂或gennaker提供支持。用于高压下生产船首斜桅的复合材料是GG630T-DT120-37，pre-preg600g/毫米2密度和织物输入一个东丽T700类型2?2斜纹组织。船首斜桅有100毫米吗?80毫米（100mm?80mm），矩形空心截面为4.6毫米宽,2米长。图1复合材料拉伸试样的例子根据ASTM3039标准生产,使用嵌入式光纤布拉格光栅和surfacemounted电子应变计。在高压蒸汽固化前,带有光栅的光纤列阵被放置在船首斜桅内的最后两个板层之间,如图2所示。光纤传感器是根据不同的配置来安置的,即两个系列的光纤光栅传感器(10毫米长的)彼此之间是间隔0.5米，并且一个从100mm宽的一边嵌入而另一个从宽80mm的那边嵌入,最后两个单光纤光栅传感器被放置在剩下的那边。单一传感器和两个系列的中央传感器在光纤光栅的都精确地安置在在船首斜桅的中心。在图2中展示的传感器配置。所有的八个传感器都是涂有丙烯酸酯的。为了获得参考测量值用来和拉伸样本作比较，同等数量的电压力粘贴片附着在光栅之上，其位置如图2所示。基于传感器、电子计量器和FBG有着相同的检测长度(10毫米)、且在大多数传感器的材料里都既没有明显的横向和纵向压力或者压力梯度的事实，上面所说的比较成为可能。事实上,压力计量器具有减小横向变形的内在的能力,并且如果有纵向梯度,提供计量器的传感长度的一个平均值，则可以与准确度较低但可以提供关于偏差偏差的重要的信息的光传感器进行直接的比较。图2光纤埋入,粘贴应变片传感器配置,表面贴装电气和光学纤维从船首斜桅出口图3布喇格光纤光栅光谱嵌入在船首斜桅的拉伸试样(a)和(b)图4光学的基本检测方案Low-Coherence反射计用于这项工作(a)和色散(b(左)/反射率(b,右)的纤维和传感器嵌入到拉伸试样。另外，对于船首斜桅,制造过程也是在95℃的高压蒸汽的下的真空包装技术和3bar的气压下进行,非常类似于因为丙烯酸酯的纤维和传感器而产生了很好结果的小样本。所有纤维材料的进出点都用了合适的金属加强护套保护。就像在图2中可以看到的一样，这些点被放置的离船首斜桅尾部有一定的距离,目的是为了能够完成随后的边缘表面，这也是最终产成品通常需要的。图5拉伸试验的表面贴装式光纤布拉格光栅(a)和嵌入式光纤光栅(b)3.结果与讨论3.1布拉格光谱和光学损耗测量集成材料中的光学纤维的可以生产光学损失，因为在制造过程中会产生电压。事实上,聚合那些基质所要求的高温高压可以引起纤维变形,从而产生由微小形变损失而引起的光衰减。尽管对光栅波长的估计是在当涉及到长结构如船桅杆(可以达到40米)时，压力信息就会被编码的频域内,但评估信噪比是否仍足够高到可以进行高质量的测量依旧很重要,即要求信噪比高。此外,由于频谱不对称的残余压力，嵌入过程可能引入布拉格光栅的变形[9]。在这种情况下,涂层在避免由于双折射而产生峰顶断裂的现象起着根本性的作用。不过,当残余压力剖面特别不规则时,因为光栅发生不均匀的形变会导致频谱带宽被放大放大,因此反射回来的波长也一样。因此，检查嵌入光栅的光谱,以确保他们嵌入后没被扭曲是很重要的。图6对拉伸试验装置的弯曲测试标本图7弯曲试验的嵌入式光纤光栅(a)和表面贴装式光纤布拉格光栅(b)与表面贴装电相比应变计(SG)和表面贴装式光纤布拉格光栅计算计的因素图8试验装置的弯曲测试船首斜桅和加载配置首先,使用光学光谱分析器测量光谱，结果如图3所示。图3(a)显示了嵌入在一个可拉伸的样本的具有丙烯酸酯涂层的光纤布喇格光栅在嵌入之前和之后的光谱。在另一个样本中没有显示出有扭曲,这就证明在那种温度和压力的高压锅炉的加工过程为光栅的性能提供了良好的保护。此外,在这个案例中，通过布拉格顶峰的所呈现的波长位移的公称值可以假设成用通过高压锅炉程序后的样本进行实验所产生的纵向残余压力。在这种情况下，比如像案图3(a)所示,213海里的移动大约对应176。而图3(b)则显示了嵌在船首斜桅全部序列的光谱。同样,可以看出，在相同压力和温度的高压锅炉下，涂有丙烯酸酯的光栅的光谱既没有断裂也没有扩大。在这种情况下残余压力是起反作用的,这是由于制作过程中采用了不同的模具。事实上,用于加工船首斜桅的模具四周都是密封的，这使得的树脂在融化阶段难以显著扩大,从而也比在收缩阶段去压缩炭和光纤更难。相反,在拉伸样本的情况下,使用了一个模具和可以打开两边countermould。为了估计样本和船首斜桅内部的光学损失,用到了光学低相干reflectom法(OLCR)[5]。使用的仪器是一个ANDOAQ741有Er3放大自发的工作-锡安(ASE)low-coherence激光源和迈克耳孙干涉仪。如图4(a)所示,在这种类型的仪器中，来自光源的光学输出的宽带被发射到一个分束器中分成两光束。一束入射到测试的光纤,而另一束被当成一个当地oscil——(LO)穿过一个由移动镜和反射器组成的光延迟通道。组成的光学延迟线光和反射镜。实验中的纤维反射的光和LO产生的光叠加在一起，当这些路径长度是均衡时，产生的交汇图则通过一个平方律检测器来检测。随着移动镜子，沿着光波反射位置不断变化。反射率则从干扰信号强度中获得。基于用于限制连贯性低的光源的实际带宽的过滤性能，可以给嵌入式光纤光栅传感器感兴趣波长范围的光学损失做出一个准确的估计。这种类型的反射计有着高空间分辨率(在窄带模式下为0.15mm@1550nm和0.70@1550海里)，可以快速测量回波损耗和散射回的光的瑞利,这反过来可以识别由于沿着光波导色散形成的光学损失分布。对所有样品都进行了1550nm的回波损耗的测量和损失分布估计。图4(b)显示了损失分布和从嵌入了涂有丙烯酸酯的光纤布喇格光栅的可扩展的样本获得的回波损耗。依照映射到水平轴上的与光连接端口的距离，所有结果都显示出来了。在图景的左边,较高的峰值表明损失集中在纤维进入材料的地点，而短和宽的峰值对应于保护性材料末尾的地点(“英镑”套管或聚四氟乙烯箔)。明显检测到的集中的损失,是由于在制造过程的高压锅炉中高压力(3bar)的使用,这使得纤维弯曲和折射率发生变化,从而导致光波导的分散和背向反射。右边的较高的顶峰对应纤维的终点,即因为空气成分侵入而没有受到保护的纤维的末端。该技术首次被作者应用于测验嵌入纤维。传感器[5]非常有用的,因为它能够准确定位的光学损失,最终检测是否损害或破坏,并定量估计这些从而可以比较不同技术解决方案和嵌入不同的材料的性能以及板层的布局。图9对比分析和实验结果在SG位置:(a)加载“A”和(b)加载案件“C”3.2.拉伸测试当嵌入式不是唯一重要的问题要处理时布喇格光栅的光谱的质量应当执行应变测量复合材料。事实上,对于纯粹的纵向应变系数为k的光纤,这是定义为规范化的单位波长位移应变:0./BBK(1)在B是对布喇格波长发生转变时B不会随布拉格波长而改变,这可