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1 复合材料固化过程的FBG监测方案设计 1.1 FBG传感机制及传感器设计 FBG传感器的中心波长基本表达式为 (1) 式中,是光纤芯区的有效折射率,为光栅周期.式(1)表明:当外界的应变、温度等被测参量引起FBG的光栅周期或有效折射率改变的时候,将会导致中心波长的线性变化[12]. 应变的变化量和温度的变化量对FBG传感器中心波长的综合影响可表示为 (2) 式中,为光纤的弹光系数,为光纤的热膨胀系数,为光纤的热光系数,为FBG的应变灵敏系数,为FBG的温度灵敏系数.由式(2)可知,FBG传感器对温度和应变同时敏感,因此,当FBG用于温度检测时,需要进行应变不敏感封装设计;

当FBG用于应变检测时,一般需要在应变传感器附近设置温度补偿传感器.对于在Corning SMF-28光纤(包层直径125?m)上刻写的FBG传感器,其中心波长与外界温度和应变有着良好的线性关系,其温度灵敏系数为10.2pm/℃,应变灵敏系数为1.2pm/?ε. 实验所用的FBG温度传感器需要对其进行应变不敏感封装后再埋入复合材料,具体封装方法为:将栅区封装在不锈钢毛细管中,且保证栅区在管中处于自由状态.封装所用不锈钢毛细管外径为0.7mm,壁厚0.2mm,两端用DG-4双组份胶进行密封,常温放置24小时使其完全固化,避免在固化加热过程中环氧树脂进入毛细管内部使得光栅反射光谱的中心波长发生波动甚至不准确.封装后的FBG温度传感器结构如图1(a)所示. FBG应变传感器的栅区均使用耐高温材料聚酰亚胺进行涂覆,以适应长期高温监测的要求,同时可以避免FBG埋入复合材料内部后由于固化过程产生的内应力而发生破坏,结构如图1(b)所示.由于FBG应变传感器存在温度交叉敏感的问题,所以在FBG应变传感器附近位置也埋入FBG温度传感器,该温度传感器在监测该位置的复合材料温度的同时也作为相应的应变传感器的温度补偿器. FBG temperature sensor FBG strain sensor 图1光纤Bragg光栅(FBG)传感器封装结构 Fig.1 Structure of the fiber Bragg grating (FBG) sensors 1.2 FBG传感器埋入方案设计 设计预浸料尺寸为300mm*300mm,单一铺 层厚度为0.125mm,采用[011/9011]的铺层方式.利用COMSOL Multiphysics有限元软件,模拟得到成型后的层合板固化变形云图,如图2所示,为标准的马鞍形[2].设定x轴方向为试样的0?方向,可以看出层合板的中心处形变较小,越往边缘处形变越大,即从层合板的中心沿x轴方向逐渐上翘、从层合板的中心沿y轴方向逐渐下垂;

而45?方向和135?方向的变形最小. 图2 [011/9011]铺层方式下复合材料层合板的固化变形云图有限元模拟结果[2] Fig.2 Finite element simulation chart of composite laminate'

s curing induced deformation with the [011/9011] stacking sequence [2] 根据复合材料固化变形的有限元模拟结果,将FBG传感器分别铺设于复合材料0?方向中线的1/2处(标记为FBG1)、1/4处(标记为FBG2)以及45?方向的1/4处(标记为FBG3),每个位置分别铺设一个温度传感器(标记为T)和一个应变传感器(标记为S),铺设位置示意图如图3所示.最终的FBG传感器铺设方式设置为[04/FBG0/04/FBG45/03/9011].为防止45?方向铺设的FBG传感器在复合材料固化过程中发生破坏,使用碳纤维方向与FBG铺设方向相同的小片预浸料对其上下包埋保护. 图3 FBG传感器在复合材料层合板中的铺设位置 Fig.3 Positions of FBG sensors in composite laminate