樹脂基複合材料固化過程的光纖實時監測方法及系統的製作方法

2023-04-22 16:57:21 1

專利名稱：樹脂基複合材料固化過程的光纖實時監測方法及系統的製作方法
技術領域：
本發明的樹脂基複合材料固化過程的光纖實時監測方法及系統屬複合材料固化過程的實時監測技術。
複合材料構件以其高比強度和比模量等優越性，在現代工程結構的應用中佔有越來越重要的地位。特別是在航空航天領域，複合材料已大量地應用於機身、機翼以及其它空間運載工具和衛星上。但由於複合材料本身的力學性能複雜，其材料性與固化過程有很大關係，存在著構件成品質量分散性較大等問題，因此，為了獲得高質量的複合材料構件，對其固化過程的實時監控就顯得非常重要了。
目前國內外已開發或正在研究的固化監測方法有，介電常數法、熱分析法、光譜分析法、渦流檢測法、超聲波探測及光纖傳感技術等。但這些方法中，有些只能用於實驗室的分析，有些需要進行繁雜的校驗，有些尚難以確定信號與複合材料固化狀態間的關係特性，且易受各種外界因素的幹擾，在應用光纖傳感技術對複合材料固化監測的研究方面，已報導的有，採用光纖光譜分析技術，光纖螢光測定方法和樹脂光纖傳感方法等。其中，光纖、光譜分析技術，是通過分析複合材料在固化過程中對光纖中傳輸光光譜的影響而評估其固化狀態，需要使用複雜昂貴的傅立葉光譜分析系統；光纖螢光測定方法，是通過光纖引導外界紫外光激發固化樹脂並由光纖收集由紫外光源激發的螢光信號進行對樹脂固化狀態分析；而樹脂光纖傳感方法，是採用與固化樹脂基體相同的材料拉製成光纖並作為固化傳感光纖通過測量光通過該傳感光纖時受基體樹脂固化過程的影響而引起的光強信號的變化來監測其複合材料的固化狀態，這需要研製難度很高的樹脂光纖，且要得到長尺寸的樹脂光纖並不容易。而且以上幾種光纖固化監測方法也都需要應用特種光纖。
本發明的目的在於把傳感光纖埋入到複合材料構件中，直接對其固化過程進行分析，實現對固化過程的實時監測，以提高複雜材料的固化工藝，克服產品質量的分散性，而獲得高質量的複合材料製品。
本發明的實時監測方法，是將已去除包層的光纖作為傳感光纖直接埋入到待測的複合材料構件中，使光纖傳感區域與複合材料中的固化樹脂形成界面，通過探測複合材料固化過程中樹脂的折射率和粘度等因素的變化而引起光纖中傳導光信號的變化，來評價複合材料的固化狀態，實現對複合材料的固化狀態進行實時監測，監測的固化信號再通過計算機系統和控制器的處理實現對固化工藝過程的實時控制。本實時監測方法所涉及的實時監測系統由光源經傳導光纖連於傳感光纖，再連於光電檢測與信號處理系統，最後連於計算機處理系統四部分所組成。即由光源發出的光經傳導光纖輸送到埋入複合材料構件中的帶有已去除包層的傳感光纖中，再經傳導光纖輸出的光經光電檢測系統探測後送入計算機處理系統進行分析處理，以實現對複合材料固化過程進行實時監測。
由於光纖傳感技本身具有靈敏度高、抗電磁幹擾強，同時光纖具有徑細、柔韌以及與複合材料具有良好相容性等獨特優越性。況且本發明是將已去除包層的傳感光纖直接埋入複合材料構件中，所以本發明的實時監測方法，具有靈敏度高，能實現對其固化工藝過程進行實時監控，提高複合材料製品質量的穩定性，從而獲得高質量的複合材料製品，同時對研究複合材料的固化工藝、固化工藝參數控制等都具有重要意義。
本發明有兩個具體的實施例附

圖1為本發明的傳輸型結構光纖固化監測系統的組成示意圖附圖2為本發明的反射型結構光纖固化監測系統的組成示意圖附圖3為本發明的光纖固化監測傳感原理圖以下根據上述三個附圖敘述本發明的兩個具體實施例和工作原理。
附圖1的傳輸型結構光纖固化監測系統是由高穩定度的半導體雷射光源(1)發出的光經傳導光纖耦合後輸送到埋入複合材料構件(3)中的已去除包層的傳感光纖(2)，從傳感光纖輸出的光再經光電檢測系統(4)探測後送入計算機處理系統(5)進行數據處理。
附圖2的反射型結構光纖固化監測系統是由高穩定度的半導體雷射光源(6)發出的光通過一個光纖耦合器(7)輸送到埋入複合材料構件(9)中的探針狀的傳感光纖(8)，從傳感光纖(8)反射回來的光再經光纖耦合器(7)送入光電檢測系統(10)後輸入到計算機處理系統(11)進行數據處理。
本發明的測量原理如附圖3所示，使去除包層的傳感光纖與樹脂之間形成波導界面，當其固化樹脂隨著固化過程中的折射率和粘度等變化時，從而光纖波導的傳輸光產生變化，通過探測光纖輸出光的變化就可評估樹脂的固化狀態。在樹脂固化過程中，實際上影響光纖中傳輸光的因素較複雜，除樹脂折射率變化因素外，其樹脂的粘度變化以及光纖傳感區域中的光纖和樹脂的親合情況等都會通過光纖與固化樹脂間的界面而對光纖中傳輸光產生影響。探測從光纖輸出的光將反應出光信號受固化過程中樹脂各種物理、化學性能變化的綜合影響。當僅考慮由樹脂折射率變化而引起的光纖中傳輸光變化時，可簡要分析如下設光纖芯徑的折射率為n0，包層折射率為n1，樹脂的折射率為nx，在傳感區域固化樹脂將與光纖傳感區域形成光波導界面，而nx將隨樹脂的固化狀態而變化。根據光射線理論當光射線入射到不同界質的界面時，將產生折射和反射，其反射係數按兩相互正交的偏振光可分別表示為p=-nx2cosi+n0nx2-n02sin2inx2cosi+n0nx2-n02sin2i----(1)]]>p=n0cosi-nx2-n02sin2in0cosi+nx2-n02sin2i]]>式中，ρp和ρs分別表示光矢量平行於光入射面和垂直於入射面的兩個偏振分量的反射係數，θi為光線在界面處的入射角。而反射光的強度變化則為Rp＝|ρp|2(2)Rs＝|ρs|2由此可知，其反射光強是隨折射率和入射角θi而變化的函數。對於多模光波導中傳輸的光波，基於射線理論分析，光波導中傳輸光波的各傳導模將以不同的入射角θi和偏振態受光波導的界面作用，在其傳感區域，其中一部分光波反射回波導中，而另一部分形成洩漏波。因此，通過探測經光纖傳感區域輸出的光即可評估複合材料樹脂的固化狀態。而在光纖傳感區域中傳輸的光波一般經光纖和樹脂形成界面多次作用，從而可使監測具有高靈敏度。
權利要求
1.一種樹脂基複合材料固化過程的光纖實時監測方法，其特徵在於將已去除包層的傳感光纖直接埋入待測複合材料構件中，使光纖的傳感區域與複合材料中的固化樹脂形成界面，通過直接探測複合材料在固化過程中樹脂的折射率和粘度等因素變化的影響而引起光纖中傳輸信號的變化來實現對複合材料的固化狀態進行實時監測。
2.一種樹脂基複合材料固化過程的光纖實時監測系統，其特徵在於由光源(1)經傳導光纖連接於埋入複合材料構件(3)內的傳感光纖(2)，再連接於光電檢測與信號處理系統(4)，最後連接於計算機處理系統(5)四部分所組成。
全文摘要
一種樹脂基複合材料固化過程的光纖實時監測方法及系統屬複合材料固化過程的實時監控技術。它是將去除包層的傳感光纖直接埋入待測複合材料構件中，使光纖的傳感區域與複合材料中的固化樹脂形成界面，通過探測複合材料在固化過程中樹脂的折射率和粘度的變化引起光纖中傳輸信號的變化來實現對複合材料的固化狀態進行實時監測，本方法所涉及的實時監測系統由光源，傳感光纖，光電檢測系統和計算機處理系統四部分組成。
文檔編號G01N21/00GK1148170SQ95112818
公開日1997年4月23日 申請日期1995年12月25日 優先權日1995年12月25日
發明者駱飛, 劉晶元 申請人:南京航空航天大學