光纤埋入碳纤维复合材料后光学性能变化的研究

介绍了对光纤埋入碳纤维复合材料结构成型过程中，光纤性能变化的研究，在碳纤维复合材料结构的成型过程中，光纤将承受高温，高压的作用，这种恶劣环境对光纤的性能产生影响，本文的研究将对提高智能复合材料结构中光纤传感器系统的性能起到重要作用。     

智能复合材料中光纤与基体的相容性研究

智能材料与结构能够实用的基础是智能元件与基体具有良好的相容性。本文针对复合材料工艺过程在线监测这一光纤智能复合材料的重要应用领域，详细论述光纤与基体材料的相容性研究。内容包括固化后埋光纤对材料力学性能的影响、光纤传感的可能性（包括光纤传感器材料耐用性和基体对信号的衰减）和实际安装过程的可操作性这３方面的理论、实验研究。界定了光纤、包层和基体材料的可能的组合，并为最优组合的选择提供了理论、实验基础。给出了两种埋光纤智能复合材料的实际安装过程，对其中的关键光纤入出口的设计进行了比较与评价。     

超声波焊接埋入镍基光纤光栅的温度传感

超声波金属焊接具有低温、低压及低能耗的加工优点,可用于埋入智能单元光纤布拉格光栅传感器(FBG),制备3D智能金属结构。而在埋入金属基体过程中FBG易应力失效。采用复合镀镍方法对FBG进行预保护,基于金属化FBG(MFBG)使用超声波焊接工艺埋入至厚度300μm的AA6061铝基体中,以获得3D智能金属结构。结果表明:超声波焊接下MFBG可埋入铝基体中;对超声波焊接制备的3D智能金属结构进行了温度传感与透射谱检测分析,温度灵敏度提高了1倍多,且温度传感线性度较好,有效抑制了温度交叉敏感性;埋入铝基体后FBG谐振谱布拉格峰出现了蓝移与峰值损耗降低。     

超声波焊接埋入镍基光纤光栅的温度传感

超声波金属焊接具有低温、低压及低能耗的加工优点,可用于埋入智能单元光纤布拉格光栅传感器(FBG),制备3D智能金属结构。而在埋入金属基体过程中FBG易应力失效。采用复合镀镍方法对FBG进行预保护,基于金属化FBG(MFBG)使用超声波焊接工艺埋入至厚度300μm的AA6061铝基体中,以获得3D智能金属结构。结果表明:超声波焊接下MFBG可埋入铝基体中;对超声波焊接制备的3D智能金属结构进行了温度传感与透射谱检测分析,温度灵敏度提高了1倍多,且温度传感线性度较好,有效抑制了温度交叉敏感性;埋入铝基体后FBG谐振谱布拉格峰出现了蓝移与峰值损耗降低。     

光纤Bragg光栅Ni-P-ZrO2化学复合镀工艺

将光纤光栅(FBG)传感器嵌入金属构件中,可以获得智能金属构件.要成功地将FBG传感器嵌入金属基体内部,就必须对FBG进行保护,以免FBG传感器在埋入过程中遭受高温等因素的破坏.研究了在FBG传感器表面进行化学复合镀Ni-P-ZrO2的方法及镀液配方,设计了适合FBG施镀的搅拌方式.结果表明,化学复合Ni-P-ZrO2镀层与FBG传感器的结合紧密,而且对FBG起到了良好的金属化保护作用.     

土木工程结构用智能感知材料、传感器与健康监测系统的研发现状

随着智能感知材料的发展，高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径，结构智能健康监测已经成为诸多领域的前沿研究方向。本文重点介绍了作者近年来基于智能感知材料的智能传感器及土木工程结构智能健康监测系统的研究成果。主要包括：光纤光栅应变和温度传感器与压电薄膜（PVDF）应变和裂缝监测传感器及其性能；无线传感器网络与无线传输技术及其性能与工程应用；碳纤维智能传感器与纤维增强-光纤光栅应变传感器及其性能；智能混凝土与智能混凝土标准应变传感器及其性能；智能健康监测系统及其工程应用。     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

土木工程结构智能感知材料、传感器与健康监测系统

随着智能感知材料的发展,高性能传感器及其测试技术为结构智能健康监测系统的研究与发展提供了崭新的途径,结构智能健康监测已经成为诸多领域的前沿研究方向.本文重点介绍了作者近年来基于智能感知材料发展的智能传感器及土木工程结构智能健康监测系统的研究成果.主要包括光纤光栅应变和温度传感器与压电薄膜(PVDF)应变和裂缝监测传感器及其性能;无线传感器网络与无线传输技术及其性能与工程应用;碳纤维智能传感器与纤维增强-光纤光栅应变传感器及其性能;智能混凝土与智能混凝土标准应变传感器及其性能;智能健康监测系统及其工程应用.最后,介绍了我国在重大工程结构智能健康监测领域的立项情况.     

涂层寿命预测的智能传感研究进展

综述了光纤传感技术在智能材料损伤定位评估中的应用,介绍了传感器在数据融合、结构损伤检测和识别技术等方面的最新研究进展,重点阐述了埋入式光纤传感器的工作原理和匹配机制,展望了基于多学科交叉的在线监测智能传感技术在表面涂层寿命预测中的应用前景.     

基于内埋光纤Bragg光栅传感器的复合材料固化过程监测

为了全面了解复合材料的固化特性,在对碳纤维增强树脂基复合材料固化变形进行数值仿真分析的基础上,将自行设计的光纤Bragg光栅（FBG）传感器埋入复合材料中,实时在线监测复合材料固化过程中温度和应变的演变。预浸料铺层方式为[0₁₁/90₁₁],分别在层合板0°和45°方向的典型位置埋入FBG温度和应变传感器,采用热模压方式固化成型复合材料层合板,并对成型后的层合板进行连续2次降温处理,实时记录固化过程中FBG传感器中心波长的变化。结果表明:在相同的温度条件下,复合材料在第1次降温初始阶段的压应变绝对值明显小于在第2次降温初始阶段的压应变绝对值,表明复合材料在第1次降温过程中仍在进行FBG传感器可检的“后固化”反应;此外,层合板变形的FBG传感器监测数据与有限元模拟结果吻合良好。因此,采用内埋FBG传感器的方法能够实时监测复合材料固化过程,为更全面地分析复合材料固化特性提供了一种可靠有效的方法。      

光纤机敏复合材料与结构

介绍了光纤机敏复合材料与结构的概念,发展历史,应用领域以及可用于光纤机敏复合材料与结构的常见的光纤传感器及传感阵列。     

强度调制的光纤传感器在线监测复合材料成型过程

阐述了光纤监测复合材料成型过程的原理和可行性。研制了依据强度调制的光纤传感器监测复合材料固化成型过程中的内部变化历程,进行了从实验室到生产现场的监测实验。监测结果比较灵敏、精确,达到实用化,为光纤智能技术的发展开辟了新的方向。     

A procedure to embed fibre Bragg grating strain sensors into GFRP sandwich structures

Embedding FBG strain sensors within a GFRP sandwich composite material allows early detection of internal defects. However, the sensors need to survive the manufacturing process to provide this capability. Vacuum infusion is commonly used to manufacture GFRP sandwich composite materials but, it needs to be modified to accommodate the embedding process. A stage by stage procedure is demonstrated here to embed FBG strain sensors between the skin–core interface of a GFRP sandwich beam specimen using the vacuum infusion method. Practical issues relating to sensor placement, fibre alignment, specimen lay-up and resin infusion are discussed. Also, the post cure effects of the resin on the FBG strain sensors are investigated. Static and dynamic load analyses are then performed to verify the repeatability and accuracy of the FBG strain sensors.     

The energy class discrimination of low velocity impacts on composite material structure by Bragg grating sensor technique

The low velocity impacts (LVI) often bring damages which cannot be detected from surface of composite material smart structure. In this paper, Bragg grating sensors were used to discriminate energy classes of LVI on composite material smart structure under constant temperature. The energy discrimination was realized by means of this characteristic that the center wave-lengths of Bragg grating sensors on composite structure under LVI are determined by strain. By analyzing the frequency spectrums of LVI signals captured by optic fiber grating demodulator, a threshold for distinguishing energy classes can be figured out after calculating frequency spectrum peak values of all energy classes. The experimental results indicate that Bragg grating sensors can be used for monitoring impacts and discriminate the energy classes of LVI on composite material structure.     

基于光纤光栅传感器的复合材料层合板冲击能量研究

复合材料结构较容易产生结构表面无法探测到的低速冲击损伤。试验利用光纤复合材料结构中布拉格光纤光栅传感器受到低速冲击后光栅中心波长随应力变化这一特性,在恒温下用布拉格光纤光栅传感器对复合材料智能结构受到的低速冲击能量给出判别,并对通过光纤光栅解调仪采集下来的低速冲击信号进行频谱分析。在计算冲击信号所有能量等级的频谱峰值后,给出可以界定能量等级的频谱峰值临界值,利用其来判别低速冲击能量等级。试验表明布拉格光纤光栅传感器可以监测复合材料受到冲击的信号,能够对复合材料结构低速冲击进行能量等级判断研究     

Internal Strain Measurement in 3D Braided Composites Using Co-braided Optical Fiber Sensors

3D braided composite technology has stimulated a great deal of interest in the world at large. But due to the three-dimensional nature of these kinds of composites, coupled with the shortcomings of currently-adopted experimental test methods, it is difficult to measure the internal parameters of this materials, hence causes it difficult to understand the material performance. A new method is introduced herein to measure the internal strain of braided composite materials using co-braided fiber optic sensors. Two kinds of fiber optic sensors are co-braided into 3D braided composites to measure internal strain. One of these is the Fabry-Parrot (F-P) fiber optic sensor; the other is the polarimetric fiber optic sensor. Experiments are conducted to measure internal strain under tension, bending and thermal environments in the 3D carbon fiber braided composite specimens, both locally and globally. Experimental results show that multiple fiber optic sensors can be braided into the 3D braided composites to meas     

布拉格光栅监测不同厚度方向的固化残余应力

复合材料在固化过程中产生的残余应力会严重影响材料的使用和安全。首先在研究和测试了布拉格光栅温度和应力灵敏度的基础上,将3根光栅分别以平行于碳纤维的方向置入预浸料的上、中、下3个位置,以此获得复合材料不同厚度位置的残余应力变化情况。监测结果表明,上、下层光栅监测到的预浸料固化过程几乎完全一致,而在降温时下层的布拉格光栅残余应力则比上层的要大得多,中间层布拉格光栅在固化过程中测得的残余应力最小,但在降温过程中的热残余应力不易释放而导致最后的残余应力也较大。     

光纤光栅传感器在CFRP冲击载荷监测中的应用研究

提出了一种用光纤光栅传感器监测CFRP结构冲击载荷的方法,构建了冲击监测系统。将FBG传感器粘贴于CFRP试件表面构成传感网络,针对不同冲击点,同一传感器监测的冲击响应信号进行分析,CFRP试件的一阶、二阶谐振频率为53 Hz、100 Hz,不同谐振频率对应的幅值随冲击点的改变而不同。冲击CFRP试件,对FBG传感网络感知的冲击响应信号进行小波包分解,获得各传感器的小波包能量谱图。结果表明传感器信号的第6阶小波包能量变化明显,能量大小与冲击点和传感器之间的距离及其夹角有关。研究结果将为CFRP结构的动态监测领域提供了实验参考。