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。     

光纤布拉格光栅监测复合材料固化

复合材料层合板在固化成型过程中形成的残余应变和应力是影响材料质量的重要因素,它与预浸料铺层在固化工艺过程中产生的应变密切相关。在研究和测试了光纤布拉格光栅应变和温度传感器传感特性的基础上,将二者埋入复合材料预浸料铺层,在热压釜成型工艺过程中监测了材料内部的温度和应变发展历程,由此获得对称正交层合板的宏观残余应变。监测结果表明,单向和对称正交层合板在固化结束后都将产生收缩,对称正交层合板铺层内的残余应变平行于纤维方向为压应变,垂直于纤维方向为拉应变。光纤光栅传感器为复合材料固化监测及层合板残余应力分析提供了一种新的工具,为实现复合材料从制造到服役的全寿命、一体化监测提供了可能。      

光纤布拉格光栅传感器监测环氧树脂固化收缩研究

采用光纤布拉格光栅传感器对处于自由状态的热固性树脂在固化工艺过程中的温度和应变进行了实时在线监测,并且利用传感器的测量数据得到了固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数。结果表明:应用光纤布拉格光栅传感器能够实现从树脂凝胶点开始对固化过程中由于体积变化导致的树脂内部应变变化实时在线监测;传感器测得的固化后树脂在冷却阶段的热膨胀系数结果与热膨胀仪的测量结果相当;利用光纤布拉格光栅传感器测量热固性树脂的固化收缩具有较高的灵敏度和可靠性。     

毛细铜管封装的内嵌式镀金光纤布拉格光栅温度和应力传感器

为了实现复杂、恶劣环境下工程机械表面无损的应力监测方式,实现对大型工程机械的实时动态监测,提出了基于磁控溅射技术的光纤布拉格光栅(FBG)应力传感器封装方法。并对完全嵌套(整个栅区嵌套毛细铜管)和两端嵌套(栅区两端嵌套毛细铜管)两种封装方法开展了研究。从理论分析和有限元仿真的角度比较了传感器的增敏效果,前后结果一致。制备了传感器实物并进行了温度、应力和对比实验。仿真实验结果表明,该模型下FBG传感器能提高约7.5%的灵敏度。温度实验表明第二种封装结构的温度反馈相关系数R2达到了0.99948,在30℃～80℃范围内呈现良好的线性度;应力实验的相关系数R2也达到0.99924,灵敏度为6.14 pm/MPa,在该实验搭建的解调系统下精度达到0.05 MPa,可以快速、精确地解调应力。对比实验表明,光栅解调仪组成的监测系统比应变片组成的监测系统具有更高的精度,最大偏差值减小了59.8%。嵌套毛细铜管的金属化方式结合有机胶固定的封装结构简单、灵敏度和精度高,可以满足大型工程机械表面无损实时健康监测的需求。     

薄膜残余应力对MEMS微型光栅性能的影响

微型光栅结构薄膜中由于残余应力的存在引起器件在光学和机械性能方面发生显著变化．有限元仿真和分析结果表明,膜内的残余拉应力越大,越利于提高和改善器件工作过程中的光学效率．然而,残余拉应力的增加将显著增大结构工作时的驱动电压,使驱动电路的设计与制作更加复杂;同时,还将导致结构的最大工作位移明显减小,极大限制了光栅的应用领域．另外,残余拉应力的增加也会使结构的共振频率变大,从而影响器件的工作带宽．因此,为了使光栅的使用和工作性能满足设计指标要求,在设计当中就要充分并折中考虑残余应力对各个性能参数的影响．并且在随后的加工和制作过程中对其进行严格控制．     

复合材料层合板的固化残余应力和变形分析

本文采用非线性有限元方法研究了复合材料层合板在固化后期降温过程的残余应力和变形问题。考虑了材料的热物理与力学性质随温度的变化以及变化率和应力间耦合的影响。给出了一些有意义的结果。     

光纤布拉格光栅应变传感器的低温特性

研制了一种新颖的菱形光纤布拉格光栅（FBG）低温传感器。采用有限元方法分析了这种结构的力学性能和温度特性。将该装置置于低温（液氮）拉伸设备中，实验研究了这种封装形式的低温应变特性。采用光纤布拉格光栅网络分析仪和低温应变仪，分别测量了液氮温度下菱形应变传感器的波长变化量和应变变化值，测得其应变系数为-0．7185μe／pm，线性度达到0．9998。     

光纤光栅监测缠绕复合材料与铝板界面的固化应变

树脂基复合材料经常与金属材料固化在一起使用。用缠绕方法制备了复合材料单向板, 将光纤布拉格光栅(FBG) 埋入复合材料与铝板之间, 监测两种不同的材料在固化过程中界面的性质, 并与复合材料内部的监测结果相比较。监测结果表明, 光纤布拉格光栅准确地监测到了复合材料固化过程的温度历程, 复合材料内部、铝板和复合材料的界面在固化过程中和固化后应变存在着明显的差异。光纤光栅传感器为两种不同材料之间的固化监测提供了工具, 对界面性质的分析提供了新方法。      

带有铝板复合材料层板固化过程中残余应力演化

本文对两种材料组成的层板的残余应力进行了研究.提出应用有效温差并结合线膨胀系数对带有铝板复合材料层板固化成型过程中残余应力形成进行理论分析,其中残余应力主要考虑温度产生的.采用先进的光纤技术对带有铝板复合材料层板固化成型过程中残余应力进行试验研究,即将光纤布拉格光栅(FBG)分别埋入到复合材料内部及复合材料与铝板之间,监测固化全过程残余应变的演变,并且构件最终变形与理论分析释放残余应力方向一致.     

一种碳纤维/环氧预浸料的微波固化特性及其层合板的微波固化工艺研究

采用差示扫描量热法(DSC)和傅里叶变换红外光谱法(FTIR)研究一种碳纤维/环氧预浸料在微波辐射下的固化特性,并对碳纤维/环氧预浸料层合板的微波固化-真空袋成型工艺中存在的真空袋易过热破损的问题进行研究。结果表明:与热固化相比,微波固化能够明显缩短固化时间,而且不会改变最终固化产物的分子结构;碳纤维/环氧预浸料的尺寸大小对其微波固化行为有一定的影响;通过控制微波功率,可以有效地解决在碳纤维/环氧复合材料微波固化过程中存在的真空袋过热破损的问题,且微波固化可获得固化时间控制在60min左右、固化度达95%以上的碳纤维/环氧复合材料层合板,微波固化时间比传统热固化(固化时间大于2h)缩短了一半以上。     

Polymer-Coated Fiber Bragg Grating Sensors for Simultaneous Monitoring of Soluble Analytes and Temperature

A new fiber-optic sensor for simultaneous measurement of water-soluble analytes and temperature with polymer-coated fiber Bragg gratings (FBGs) is proposed. As an application of the approach, simultaneous monitoring of the concentration of sugar or potassium chloride (KCl) and temperature has been achieved. Changes in these environmental parameters result in different extents of either red- or blue-shifts of the Bragg resonance wavelengths of the gratings. It has been found that polyimide-coated FBG responds to variations of both temperature and concentrations of soluble analytes, while acrylate-coated FBG is sensitive to environmental temperature only. The experimental results showed that the temperature sensitivity of the acrylate-coated FBG, temperature, sugar, and KCl concentration sensitivities of the polyimide-coated FBG are 0.0102 $~hbox{nm}/^{circ}hbox{C}$ , 0.0094 $hbox{nm}/^{circ}hbox{C}$, 0.0012 $hbox{nm}/^{circ}hbox{Bx}$ , and 0.0126 nm/M, respectively. The sensing mechanism of the polyimide-coated FBG lies in the hygroscopic properties of the polyimide coating, which result in the change of the strain of the fiber and, thus, the optical properties of the grating. Since the sensor detects the analytes that swell the polyimide coating and different analytes induce different swelling effects, the sensor can detect different analytes without prior knowledge once a calibration curve is developed.      

基于光纤布喇格光栅传感器的精密位移测量

首先对光纤布喇格光栅传感的基本原理进行了分析,并给出了光纤光栅位移传感的基本公式.在此基础上,设计制作了一种光纤光栅位移传感器.采用光纤光栅作为传感元件,利用多波长计进行波长检测,对位移量进行了传感测量.实验中,传感器位移检测范围为0.6mm,其传感测量精度为±43nm,测量分辨率为1.5nm.实验结果具有良好的线性度.     

Sensitivity Tuning in Terfenol-D Based Fiber Bragg Grating Magnetic Sensors

In this work, the dependence of the magnetostrictive response on the prestress has been used to improve and fit the performance of Terfenol-D based fiber Bragg grating magnetic sensor. The possibility to tune sensitivity allows to work at different operative conditions and to develop advanced sensors with reconfigurable sensitivity. Performance improvements in terms of magnetic resolution up to 0.0116 A/m have been demonstrated.      

Structural Health Monitoring of Cracked Aircraft Panels Repaired with Bonded Patches Using Fiber Bragg Grating Sensors

Structural health monitoring of cracked aircraft panels repaired with bonded patches for extending the service life of aging aircraft has received wide attention. In this paper, the identification of the locations and shapes of fatigue crack and disbond fronts in aircraft panels repaired with double-sided bonded patches using fiber Bragg grating (FBG) sensors is studied. The identification is performed by minimizing the difference between the detected and calculated reflection spectra of FBG sensors at multiple positions on the free surface of patches. The validity and effectiveness of the identification in practical use is verified by comparing the identification results with the exact ones.     

内埋光纤光栅的复合材料层压板拉伸应变研究

利用内埋在复合材料层间的光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器监测复合材料层压板在拉伸过程中的应变变化,并与复合材料层压板试样表面粘贴的应变片测得数据进行对比,同时研究了光纤光栅的埋植位置对复合材料力学性能的影响。探索了FBG传感器在复合材料应变监测中的有效性和可靠性。结果表明:内埋于复合材料层间的FBG传感器可以有效反映复合材料层压板在受到拉伸载荷过程中的应变变化,对比FBG传感器与应变片测得的实验结果,二者所测得的应变变化趋势吻合良好,而且埋植光纤光栅对复合材料层压板的拉伸强度影响较小。     

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。     

Strain Measurement Using Embedded Fiber Bragg Grating Sensors Inside an Anchored Carbon Fiber Polymer Reinforcement Prestressing Rod for Structural Monitoring

Results are reported from a study carried out using a series of Bragg grating-based optical fiber sensors written into a very short length (60 mm) optical fiber network and integrated into carbon fiber polymer reinforcement (CFPR) rod. Such rods are used as reinforcements in concrete structures and in tests were subjected to strain through a series of cycles of pulling tests, with applied forces of up to 30 kN. The results show that effective strain measurements can be obtained from the different sensors mounted along the rod. Additionally, the tests show that close agreement with the results obtained from the calibrated force applied by the pulling machine and from a conventional resistive strain gauge mounted on the rod itself is obtained. Calculations from strain to shear stress show a relatively uniform stress distribution along the bar anchor used. The results give confidence to results from various methods of in situ monitoring of strains on such CFRP rods when used in different engineering structures.     

光纤Bragg光栅用于三维编织复合材料结构的内应变测量

本文对应用光纤Bragg光栅传感器编入三维编织复合材料结构内部的测量进行了研究.首先简要介绍了光纤光栅的编入方法和传感原理.随后进行的实验结果显示由应变计及光纤光栅所得到的载荷-应变曲线都具有良好的线性关系,实验之间的结果符合得很好,表明光纤Bragg光栅传感器可以用来精确检测编织试件复杂载荷状态下的内应变.从而将会促进光纤光栅在3-D编织复合材料结构的内部结构检测和强度失效分析中的更广泛应用.