1、广,州大学机械与电气工程学院Institute of Mechnical and Electric Engineering,一种碳纤维复合材料封装的分布式光纤传感器,2 0 2 0 中国传感器创新创业大赛,/44,传感器,02原理及,设计方 案,01设计背景,03传感器制 作工艺,04传感器样 品测试,05总结,/44,设计背景,/44,建筑工业中,复合材料的广泛应用,交通运输方面,1,2,3,造船工业,/44,复合材料的广泛应用,碳纤维材料具有高强度、耐高温、比重小等特点，是一种先进的复合材料，广 泛应用在航空、航天。,/44,碳纤维机翼,/44,碳纤维螺旋桨,复合材料的 广泛应用,一种碳纤
2、维 复合材料封 装的分布式 光纤传感器,起因,创新,传感器,/44,耐腐蚀抗电磁干扰重量轻、体积小、能实现无损埋设特点灵敏度高可靠性好监测信息量大 性价比高,传感器原理 及设计方案,/44,传感器设计原理,受激布里渊散射,利昂布里渊(1889-1969):法国物理学家，第一个描述热激发声波在固体和液体的 性质及其与光的相互作用，导致光的散射。,散射介质,激光光源,lo,布里渊频移：nB=2nVA/lo nB(T,e)取决于 温度和应变。,/44,光纤1、光纤是由外径125um的包层和直径9um的 纤芯组成的圆柱形细丝。,2、纤芯由石英制成，光在纤芯内传输。涂覆层250um3、250um涂敷层保
3、护光纤并增强光纤的机 械性能。,包层125um纤芯9um,/44,精确定位发生物理量改变的位置-应变或温度对布里渊散射的影响,/44,精确定位发生物理量改变的位置,应变对布里渊散射分量的影响形变 e=DL/L应变系数=500 MHz/e,Frequency Differ1e1n.0ce,GHz,10.8,10.9,11.1,11.2,0.20.40.6Deformation,%,0,0.8,应变系数500 MHz/e,/44,分布式光纤传感技术分辨率概念,F,F,e,T1,位置 m,解调系统分布式传感器,0m 1m,100m,应变 me 1000m,/44,30km,e,T2,传统的光纤传感器
4、,1、采用波分复用技术，实现一根光纤上串联1个或多个传感器；2、通过对不同波长光栅进行特定封装，在一根光纤上可实现温度、应变 等多参数测量；,Sensor1,Sensor2,Sensor n,1,2,n,接头1,接头2,透射光谱,入射光谱,123反射光谱,n,Sensor3 3,/44,设计的光纤传感器,接头1,接头2,反射光谱1、采用分布式铺设方法，嵌入或黏贴于物体，实现一根光纤就是一个传 感器；2、通过热压封装，在一根光纤上可实现温度、应变等多参数实时测量；,/44,设计方案-碳纤维预浸料封装“S”型分布式光纤,采用碳纤维预浸料封装“S”型分布式光纤，可嵌入复合材料内部或黏贴在物体 表面。
5、通过检测光纤传感器的中心波长实现压力、温度、加速度等多种物理量的测 量，具有灵敏度高、耐高温等特点。,/44,分布式光纤传感器应用概念,/44,嵌入复合材料内部进行结构健康监测,/44,黏贴于复合材料表面进行应变监测,/44,Brillouin 解调原理,/44,温度/应变,光增益（光损失）,Brillouin频率扫描,数据采集 及信号 处理,标定(温 度/应变),光电 转换,Brillouin 传感监测,/44,传感器制 作工艺,/44,传感器的制作工艺流程前期准备,裁剪预浸料,铺设光纤,预拉光纤,/44,传感器的制作工艺流程热压封装,预热预压阶段,/44,热压阶段,冷却阶段,传感器的制作工
6、艺流程后期处理,胶封未热压光纤,/44,熔接光纤接头,传感器制作过程,1.裁剪预浸料,/44,3.拽拉砝码,4.喷涂脱模剂,5.热压阶段,2.铺设设纤,传感器制作细节,施加均匀预应力,/44,传感器制作细节,传感光线热压,/44,传感器制作细节,传感光纤热压完成,/44,传感器样品 测试,/44,传感器样本加载应变测量三维模型,/44,传感器样本测试,传感器样本加载应变测量实验,分布式光纤传感解调装置,分布式光纤传感器,/44,8.8 kN,光纤承压实验,/44,样品测试结果-应变分布,m=0.55kg=7.5715MHZ,m=1.508kg=7.97MHZ,预应力均匀性测试,/44,应变计算
7、与测量值比较,B0=157mm;L0=225mm;b0=7mm;L1=210mm;h=2mm;a=165mm P=B0h2/6L0=13215722/(6225)=61N 45#steel E=200GPa通过,m=1.508kg=7.97MHZ,计算值与测量值几乎吻合,/44,样品测试结果-应变分布,测试结果分析：所制作的样本用于等强度梁的加载实验，表明光纤传感器传感段预 应力均匀，有利于通过更窄频段的频率扫描，缩短测量时间。,/44,对比实验,预应力不均匀,/44,目前的光纤传感器的优缺点分析,传感器行业的不断进步，光纤传感器已经逐渐被应用于工业生产当中。下面我们 就光纤传感器的具体分类及
8、优缺点加以分析。,作用型传感器,优点：结构紧凑、灵敏度高 缺点：须用特殊光纤，成本高。,非作用型传感器,优点：无需特殊光纤及其他 特殊技术，比较容易实现，成本 低。缺点：灵敏度较低。,/44,本传感器的特点,采用碳纤维预浸料封装光纤，可根据要求设计成不 同大小或形状，实时监测应变和温度等物理量。,1234,采用一根光纤就是一个传感器的设计方式，做到 全点监测，监测信息量大、精确度高、稳定性好。,制作工艺简单，性价比高，重量轻、体积小、能 实现无损埋设，可应用于航天、汽车和造船工业等领 域。,可嵌入物体内部或黏贴于物体表面进行结构健康 监测。,/44,申请的专利,/44,总结,/44,创新性（1
9、）,1.采用碳纤维预浸料进行封装，首先解决了传感器与被测对象的相容性问题，其次，可设计成形状和大小不同的外形，灵活地黏贴在结构表面或嵌入到复合材 料内部如风能叶片、飞机机翼以及其他复合材料结构件，用于结构健康监测。,嵌入,黏贴,布置方式多样性,/44,创新性（2）,光纤布设多样性,2.光纤布设多样性，可以通过改变模板上绕柱相互垂直的两个方向上的间距，得 到不同长度和间距的平行光纤，同时，未热压的自由光纤还作为温度监测参考，使其 具备同时测量温度和应变的能力。温度补偿,/44,创新性（3）,3.确保分布式光纤传感器预应力均匀，通过制作过程中恒预紧力加载，得 到的光纤传感器传感段预应力均匀，有利于通过更窄频段的频率扫描，从而缩 短测量时间。,/44,广州大学 智能制造与维护工作室,欢迎各位老师指导!,/44,
