用Bragg光栅监测树脂流动及复合材料拉伸性能

对Bragg光栅在VARTM成型工艺中树脂流动过程及复合材料拉伸性能测试进行了研究.实验结果表明,在树脂流动过程中,通过波长随时间的变化可确定树脂流动前沿位置.当光纤的埋入方向平行于树脂流动方向时,光纤与复合材料的相容性较好.在拉伸过程中,光栅波长的变化与外加载荷呈良好的线性关系.因此,通过光栅波长的变化可进行树脂流动过程以及复合材料承受栽荷的监测.     

扭转梁式双光纤Bragg光栅加速度传感器的设计与有限元分析

设计一种新型扭转梁式双光纤Bragg光栅加速度传感器,该传感器由扭转梁、扭转圆盘、质量块和光纤Bragg光栅组成,质量块受力带动扭转梁发生扭转变形,扭转圆盘将扭转梁的扭转变形放大到光纤光栅,通过检测光纤Bragg光栅中心波长的变化量即可检测出被测加速度信号。对已知传感器模型进行有限元分析,根据分析结果进行优化设计,确定最优方案。仿真结果显示:该传感器的固有频率为872.99Hz,灵敏度为16.118pm/(m/s~2)。该传感器克服了传统梁式光纤光栅传感器固有频率与灵敏度相互矛盾的现象,即在一定固有频率的基础上,可以通过增大扭转圆盘半径来放大传感器的灵敏度,因此该传感器可以实现对较高频率加速度信号的检测。     

内埋光纤光栅碳纤维增强复合材料层压板力学性能及拉伸应变监测

将不同数量的光纤光栅埋植于复合材料层压板层间部位,研究了光纤光栅的埋植数量对层压板拉伸和压缩性能的影响及光纤光栅埋入对层压板层间结构的影响。此外,利用埋植在层压板内部的光纤光栅监测了层压板在拉伸过程中的应变变化,并与应变片监测结果进行了对比。试验结果表明,当在复合材料层压板中沿纤维方向埋入光纤光栅时,复合材料0°拉伸强度和模量略有降低。而当光纤光栅垂直于纤维方向埋入复合材料内部时,复合材料的90°拉伸强度和模量略有提高。对于压缩性能而言,由于光纤光栅在压缩过程中发生脆断,在复合材料内部产生损伤源,导致复合材料压缩强度有所降低,但当光纤光栅埋植数量较小时,对压缩模量的影响较小。层间形貌的显微观察结果表明,光纤光栅沿纤维方向埋入复合材料内部,在光纤光栅周围未形成树脂富集区,反之则将出现明显的富树脂区。     

基于FBG的复合材料成型与冲击监测研究

碳纤维复合材料(CFRP)作为一种先进复合材料得到了广泛应用,但由于层合板结构薄弱的层间性能,致使其在受到外界冲击时,内部极易发生分层损伤,造成力学性能的下降并带来安全隐患。本文考虑将光纤Bragg光栅传感器(FBG)埋入碳纤维复合材料层合板中,对复合材料的真空辅助成型工艺及单次冲击进行了监测研究。实验结果表明,FBG可以有效监测复合材料成型过程中的温度、应变变化,并反映其存在的残余应变;在低能量冲击条件下,可以监测到复合材料内部应变变化及内部损伤情况,为FBG监测CFRP层合板的低速冲击损伤提供了依据。     

输电线路覆冰监测拉力传感器性能测试

为实现基于输电线路覆冰的光纤Bragg光栅拉力传感器的性能分析,设计了一个量程为50kN的拉力传感器对其进行校准实验。通过实验中解调仪的中心波长和实验拉力机产生的拉力值进行线性拟合,求出该光纤Bragg光栅传感器的静态性能指标参数。结果表明:光纤传感器的灵敏度为28. 9N/nm,线性度为0. 91%FS,迟滞误差为0. 54%FS,零点漂移小。     

光纤传感器在监测RTM固化过程及复合材料健康状况中的应用

本文论述了应用光纤传感器对RTM的固化过程及制品疲劳损伤进行监测的技术方法。研究中，采用的增强材料的玻璃布，环氧树脂作基体。应用两种光纤应变传感器进行应变测定，一种是Bragg光栅（FBG）传感器；另一种是外置式Fabry-perot干涉型（EFPI）传感器。传感器埋入方向与树脂流动方向垂直或平行。研究结果表明：垂直埋入的FBG传感器在被固化树脂约束前，复观性差。另外，还发现FBG和EFPI传感器在冷态下具有良好的准确性。平行埋入的FBG传感器在模塑工艺中表现出良好的复观性。标距为1mm和4mm的传感器的应变现象不同。上述结果说明，将光纤传感器埋入FRP中，光纤传感器的埋入结构和标距对应变测量的精度有影响。利用埋入的光纤传感器进行固化监测，然后再循环加载试验，测定其内应变。循环加载试验的结果是用FBG传感器测得的应变与粘贴应变片测得的应变具有良好的一致性。本项研究得出的结论是：通过埋入FBG应变传感器可对RTM成型FRP工艺过程和使用过程中的内应变进行有效地监测。     

光纤Bragg光栅表面化学镀铜工艺及特性研究

利用化学镀的方法在光纤Bragg光栅的石英光纤基体表面制备镀铜层,获得金属化的光栅,通过正交试验得到其最优的工艺参数。并通过水浸泡法和热震法检测镀层结合力,通过检测其被熔焊材料润湿的能力检测其可焊性能,并进行温度性能测试,得出其温度灵敏系数是镀镍光纤的1.2倍,是裸光纤光栅的1.5倍。试验结果表明:所得镀铜层性能良好,镀铜光纤Bragg光栅的性能明显提高,并且优于镀镍。     

光纤光栅在先进复合材料固化成型研究中的应用

先进树脂基复合材料被广泛应用于航空航天领域。热压罐成型工艺是复合材料结构件首选成型工艺之一,但存在效率低、成本高等问题,并且在成型过程中产生的固化应变会影响制件成型质量,通过光纤光栅传感器在线监测应变/应力参数对于制定合理工艺规程、提高制件品质具有重要作用。本文详细介绍了热压罐成型中光纤光栅传感器应变和温度交叉敏感解决方案,综述了近年来基于光纤光栅传感器在线监测的复合材料固化成型研究进展。并结合国内外研究现状,对光纤光栅在线监测的应用前景及亟待解决的问题提出了几点思考。     

光纤Bragg光栅波长识别与检测系统

为实现对光纤传感器采集的信号进行处理与检测,介绍基于光纤Bragg光栅波长识别与检测原理的在线检测系统的设计与开发,给出了数据采集流程和软件主界面,并加以分析说明。     

光纤光栅用于混凝土结构应变模态检测的研究

光纤Bragg光栅传感技术是一种先进的技术，具有传统技术无可比拟的优势。损伤检测研究是一个跨学科的前沿研究领域，传感技术的发展必将推动混凝土结构损伤检测新技术的研究与应用。本文介绍了光纤Bragg光栅传感技术原理，阐述了基于光纤Bragg光栅传感技术和应变模态理论的损伤自诊断的基本原理，并进行了相关的混凝土结构的可行性实验研究。结果表明光纤Bragg光栅传感器抗干扰能力强，具有高灵敏度和长期稳定性，其作为应变测量的工具用于应变模态，进行混凝土结构损伤识别是可行的。     

光纤光栅化学质量分数传感器在矿石加工中的应用

阐述了长周期光纤光栅(LPFG)和布拉格光纤光栅(FBG)化学质量分数传感器的结构与传感原理,分别研究了基于LPFG和FBG的传感器在化学溶液质量分数测量中消除温度敏感对传感影响的机理,并通过实验进行了验证.分析了两种化学质量分数传感器的灵敏度,其中本实验室研制的双布拉格光纤光栅(FBG)化学质量分数传感器通过测量布拉格光栅的双峰偏移间距来实现传感,其灵敏度可达到蔗糖溶液质量分数每1%的变化,反射波长移动0.096 nm.     

光纤布拉格光栅压力传感器标定中的不确定度研究

研制了一种量程为10k N的光纤布拉格光栅压力传感器标定装置,可实现光纤布拉格光栅压力传感器的标定和静态测试。对光纤光栅解调仪获得的中心波长和标准测力仪的压力值进行最小二乘拟合,求出静态标定系数,并分析了标定装置的不确定度来源以合成不确定度。试验结果表明:光纤布拉格光栅压力传感器的响应灵敏度为9.77×10~(-5)nm/N,线性度2.79%FS,经二阶拟合后重复性误差2.61%FS,标定装置的A类不确定度5.73N。     

基于FBG传感器的CF/GF混杂复合材料界面变形研究

利用FBG传感器对采用真空导入模塑工艺制作的CF/GF(Carbon Fiber/Glass Fiber)混杂复合材料在固化成型过程中以及成型后的界面性能进行了检测,此外,为了对比研究混杂复合材料的性能,还检测了CF/CF层和GF/GF层在成型和成型后的应变变化。结果显示:GF/GF、GF/CF和CF/CF复合材料的应变与温度之间存在良好的线性关系,且热膨胀系数的大小顺序为GF/GF层GF/CF层CF/CF层;FBG传感器监测CF/GF混杂复合材料热膨胀系数的转折温度与基体树脂的T_g值(79.09℃)相吻合;CF/GF混杂复合材料在20~120℃范围内升温、降温过程中未发生界面破坏。     

悬臂梁结构光纤光栅电流传感器的优化

针对电力系统对电流测量高精度的要求,设计了一种基于等强度悬臂梁结构的光纤光栅电流传感器。将两根光栅分别粘贴于等腰三角形结构的悬臂梁上下表面,末端永磁体材料振子置于两螺线圈中间。当螺线圈接通电流时,形成的磁场将会引起永磁体振子偏移,进而引起光栅中心波长的变化。采用差分方式建立电流大小与光栅波长变化之间的关系,在提高测量灵敏度的同时消除了温度对测量结果的影响。实验结果表明:在0~5A的范围内,利用光纤光栅波长变化可准确反演待测电流值,与理论计算值相比,误差小于1.2%。     

SWCNT-thin-film-enabled fiber sensors for lifelong structural health monitoring of polymeric composites - From manufacturing to utilization to failure

With glass, polyaramid, nylon and polyethylene terephthalate as the fiber substrate, a continuous spray coating and winding process was developed for fabricating SWCNT-FibSen sensor – single-walled carbon nanotube (SWCNT) thin film enabled 1D fiber sensor. The microstructures of the SWCNT-FibSen and its piezoresistive behavior were respectively characterized by scanning electron microscopy and Raman spectroscopy and evaluated by the coupled electromechanical tensile test. With embedding the SWCNT-FibSen sensor in the fiberglass prepreg laminates at different orientations and locations, its use for multipurpose sensing in life-long (from manufacturing to failure) structural health monitoring of high-performance polymeric composites was demonstrated. During the manufacturing process, the sensor was able to provide valuable local resin curing information. After the manufacturing process, the sensor was useful in mapping the stress/strain states of the host composite under different deformation modes – tension, bending, compression and failure. The integrity of the sensing performance of the embedded SWCNT-FibSen sensor was demonstrated upon a 10,000-cyclic coupled electromechanical test.     

一步法制备AgNPs@石墨烯及其在柔性应力传感器方面的应用

本文以天然鳞片石墨、硝酸银（AgNO3）、柠檬酸钠、N-甲基吡咯烷酮（NMP）为原料，采用一步法制备AgNPs@石墨烯复合材料。随后在复合材料表面涂覆热塑性聚氨酯（TPU），得到了基于AgNPs@石墨烯柔性应力传感器。采用XRD、TEM、SEM对AgNPs@石墨烯复合材料进行表征，通过拉伸测试仪和数据采集仪对柔性应力传感器考察其电学和机械性能。结果表明：AgNPs@石墨烯柔性应力传感器灵敏度可达299，远高于纯石墨烯的灵敏度。同时拥有优秀的阻尼振动响应和循环稳定性，在1000次拉伸循环后性能依旧稳定。能有效地识别拉伸应变和压缩应变，实时跟踪监测人体表面肌肉运动，是潜在的人工智能皮肤。     

Effects of Bonding Layer Characteristics on Strain Transmission and Bond Fatigue Performance

Abstract

Fiber Bragg Grating (FBG) sensor arrays can be used to monitor the mechanical behavior of large composite structures. However, brittle FBG sensors, especially multiplexed FBG sensors can be easily damaged when they are installed in flexible structures. As a protection for brittle FBG sensors, epoxy packaged FBG sensors have been suggested. Packaged FBG sensors are usually installed using epoxy adhesives onto the composite specimen since they have high mechanical, heat-resistance and insulation properties. However, the adhesive could decrease strain transmission from the bonding layer and suffer from aging problem. In this paper, strain transmission and bond fatigue performance of the bonding layer depending on the elastic modulus of adhesive, elastic modulus of packaging material and bonding layer thickness are discussed. Static tests were performed to evaluate the effects of bonding layer thickness and elastic modulus ratio of adhesive to the packaging material on strain transmission. Fatigue tests were performed to evaluate the bond fatigue performance depending on the elastic modulus of the adhesive and bonding layer thickness. It was observed that thin bonding layer with high elastic modulus gave high strain transmission, however, it suffered from debonding problem. The elastic modulus ratio and the bonding layer thickness resulting in high strain transmission while maintaining a long bond fatigue life were found in this study.     

Monitoring the composite curing process with a fluorescence-based fiber-optic sensor

A novel cure sensor, based on the combination of fiber-optic fluorometry and the viscosity/degree-of-cure dependence of the epoxy resin fluorescence, was developed to provide a reliable low-cost cure-monitoring sensor for control of composite manufacturing. The capability of the first-generation sensor to monitor chemorheological changes that occur during the autoclave cure of carbon-epoxy laminates was successfully demonstrated. An improved second-generation sensor, which simultaneously monitors the changes in the epoxy fluorescence intensity and the wavelength of maximum emission, was also developed. The changes in the sensor intensity and wavelength signals, as a function of cure time, provide characteristic profiles that reveal the main chemorheological events of the cure cycle; these signals follow the changes in the degree-of-cure to completion. The configuration of the optrode-laminate interface strongly affects the signal profiles and their reproducibility. A “resin cavity” optrode-laminate interface, which improves reproducibility, was developed and tested.     

不同预型件工艺对亚麻/聚丙烯热塑性复合材料力学性能的影响

采用交织混编法和包覆纱法加工成型亚麻聚丙烯热塑性预型件及其复合材料,比较了这两种成型方法对预制件及其复合材料的浸渍效果、拉伸性能和剥离性能的影响。结果表明,包覆纱法制备的预型件及其复合材料的浸渍效果较好,孔隙率较低,且力学性能较好,其拉伸强度比交织混编法制备的复合材料拉伸强度提高了46%,剥离强力提高了39%。