于海濤，劉文濤，張金棟，周 蒙，魏 鵬，肇 研

（1.中航工業(yè)哈爾濱飛機工業(yè)集團有限責(zé)任公司，哈爾濱 150066；2.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191；3.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191）

碳纖維復(fù)合材料固化成型過程中，溫度和應(yīng)變是對該產(chǎn)品質(zhì)量影響最重要的兩個控制參量。目前，常用的溫度測量方法一般有熱電偶溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器，常用的應(yīng)變測量方法有電阻應(yīng)變片、邁克爾遜干涉儀傳感器、F-P外腔干涉儀傳感器[1-2]、FBG傳感器[3-7]和布里淵光時域反射計傳感器。鑒于試驗中要監(jiān)測的復(fù)合材料厚度僅為幾毫米，傳統(tǒng)的溫度應(yīng)變傳感器由于體積較大無法實現(xiàn)嵌入式監(jiān)測，而光纖光柵傳感器具有尺寸小[8]，對結(jié)構(gòu)鋪層、力學(xué)性能影響小、靈敏度高、測量溫度、應(yīng)變范圍寬等優(yōu)勢而被選為本實驗所用溫度和應(yīng)變傳感器。本文提出了一種利用光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG）監(jiān)測碳纖維復(fù)合材料固化成型整個過程中內(nèi)部的應(yīng)變和溫度的方法。

1 試驗原理

1.1 光纖布拉格光柵傳感器工作原理

光纖布拉格光柵的諧振方程為

式中，光纖布拉格光柵波長λB是光纖布拉格光柵發(fā)射回來的入射光在自由空間中的中心波長；neff是光纖纖芯針對自由空間中心波長的折射率，Λ是光柵周期，也就是光柵常數(shù)。

可見，光纖光柵的諧振波長λB取決于光柵周期Λ和纖芯模的有效折射率neff，任何使這兩個參量發(fā)生改變的物理過程都將引起光柵諧振波長偏移。能夠引起這兩個參量發(fā)生改變的最直接和常見的因素是應(yīng)變和溫度。因為無論是對光柵進行拉伸還是擠壓，都將導(dǎo)致光柵周期的改變，并且光柵本身所具有的彈光效應(yīng)也使得光纖的纖芯和包層的折射率發(fā)生改變，從而使光纖的纖芯模的有效折射率neff發(fā)生相應(yīng)改變。因此，單純的應(yīng)變將引起光柵諧振波長偏移。此外，溫度變化也會引起諧振波長漂移，因為材料的熱脹冷縮，溫度改變會引起光柵周期改變，由于熱光效應(yīng)，光纖的纖芯和包層的折射率也會改變，這將引起纖芯模的有效折射率改變。圖1為光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理圖。

圖1 光纖光柵傳感系統(tǒng)的基本原理圖Fig.1 Basic principle of fiber Bragg grating sensing system diagram

當(dāng)光纖光柵受應(yīng)變和周圍的溫度影響發(fā)生變化時，將導(dǎo)致光柵周期Λ和有效纖芯折射率neff產(chǎn)生變化，從而產(chǎn)生光柵Bragg信號的波長漂移ΔλB，通過監(jiān)測Bragg波長λB的變化情況，即可獲得測點上光纖光柵的應(yīng)變和周圍溫度的變化狀況。

1.2 碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部溫度應(yīng)變的測量原理

由于光纖光柵的諧振波長對應(yīng)力應(yīng)變和溫度的變化都非常敏感，因此溫度、應(yīng)變?nèi)绻瑫r改變的話，光纖光柵傳感器則不能將兩種信號分開，對于溫度測量可以使用特殊的鋼管將光纖光柵封裝起來，使其不受外界應(yīng)變的作用而作為單純的溫度傳感器，而應(yīng)變傳感器則無法使其不受溫度的作用，常用的解決方法是溫度補償法[9-10]，即一根光纖光柵作為傳感光柵不僅受到溫度作用，同時還受到應(yīng)變作用，另一根不受應(yīng)變作用的封裝光纖光柵作為參考光柵，二者置于相同的溫度環(huán)境中，如圖2所示。

圖2 基于參考光纖光柵法的溫度應(yīng)變分離檢測示意圖Fig.2 Separating temperature and strain test schematic diagram based on the method of reference fiber Bragg grating

由于溫度變化使得傳感光柵波長移動量和參考光柵波長移動量大小相等，符號相同；而參考光柵不受應(yīng)變作用，傳感光柵不僅受到溫度作用，同時還受到應(yīng)變作用，因此傳感光柵的布拉格波長移動量中既含有溫度變化因素，又含有應(yīng)變變化因素；將兩只光纖光柵返回的布拉格波長移動量做減法處理，就可以很容易地消除傳感光柵溫度變化對應(yīng)變測量的影響。光柵布拉格反射波長隨著溫度、應(yīng)變的變化而變化的關(guān)系式為：

對于參考光柵，由于其不受應(yīng)變的作用，中心波長變化量Δλ1和溫度該變量ΔT的對應(yīng)關(guān)系是：

式（3）中，KT1是參考光柵的溫度靈敏度系數(shù)。而傳感光柵的中心波長變化量Δλ2和溫度改變量ΔT、應(yīng)變Δε的對應(yīng)關(guān)系式為：

式（4）中，KT2是傳感光柵的溫度靈敏度系數(shù)，Kε是應(yīng)變靈敏度系數(shù)。（3）、（4）兩式聯(lián)立消去ΔT得：

根據(jù)裸柵的理論應(yīng)變敏感系數(shù)1.2pm/10-6ε，由式（5）給出該點的應(yīng)變值。因此，該監(jiān)測方法的重點在于合理制備參考光柵。

2 試驗

2.1 原材料及試驗裝置

本試驗選用U3160/522碳纖維織物增強環(huán)氧樹脂預(yù)浸料，織物和預(yù)浸料物理性能分別如表1、表2所示。

光纖布拉格光柵采用耐高溫的表面涂覆聚酰亞胺保護層光纖光柵，性能參數(shù)如表3所示。

試驗中所用的主要儀器及設(shè)備如表4所示。

表1 U3160織物的物理性能

2.2 試驗過程

表2 U3160/5224預(yù)浸料的物理性能

表3 FBG傳感器的性能參數(shù)

表4 儀器及設(shè)備

本試驗檢測的是L型碳纖維固化成型過程中內(nèi)部溫度、應(yīng)變的信息，試驗所用預(yù)浸料的樹脂基體為雙馬5224，增強纖維為U3160，在第8、9層之間位置（L型碳纖維總共有16層），選定的兩個測點，具體布置示意圖如圖3所示。1#、3#傳感器代表封裝后的溫度傳感器，黃色線條代表傳輸光纖，灰色矩形代表封裝后的溫度傳感器，用來監(jiān)測碳纖維成型過程中內(nèi)部溫度變化，并作為應(yīng)變傳感器的溫度補償光柵；2#、4#傳感器是裸柵，作為應(yīng)變傳感器，用來監(jiān)測碳纖維成型過程中內(nèi)部應(yīng)變變化。

圖4是L型碳纖維中光纖光柵溫度、應(yīng)變傳感器布置實物圖，由左至右，4個傳感接頭分別對應(yīng)1#、2#、3#、4#傳感器。

圖3 L型中光纖光柵溫度、應(yīng)變傳感器布置示意圖Fig.3 Temperature and strain sensors of fiber Bragg grating layout diagram in the L

圖4 L型碳纖維中光柵溫度、應(yīng)變傳感器布置實物圖Fig.4 Temperature and strain sensors of fiber Bragg grating pictures in the L

在試驗過程中，熱壓罐內(nèi)的溫壓控制變化首先以1.5℃/min的升溫速率，從室溫升溫至140℃，140℃保溫半小時，并在10min內(nèi)加壓至0.6MPa，然后繼續(xù)升溫，升到180℃后保溫2h；之后以0.75℃/min的降溫速率降溫，降至常溫，泄壓，出罐，脫模。

2.3 溫度傳感器的封裝

封裝溫度傳感器所使用的管材內(nèi)徑應(yīng)大于光纖光柵的外徑，并且盡可能地減小對結(jié)構(gòu)鋪層、力學(xué)性能的影響，通過對市場上管材的調(diào)研和試驗論證，最終確定使用醫(yī)用注射器針頭作為封裝溫度傳感器所用的管子，封裝溫度傳感器如圖5所示，圖5中最上面黃色的線為聚酰亞胺光纖光柵，光纖光柵上標(biāo)記的兩個黑色點之間是光纖光柵，中間的外徑約為0.73mm、內(nèi)徑約為0.41mm、長度為3cm的針頭，最下面表示將聚酰亞胺光纖光柵插入針管中。

封裝時，將聚酰亞胺光纖光柵插入針管針頭之中，兩端涂上高溫膠，在高溫條件下進行固化。

2.4 溫度傳感器的應(yīng)變檢測

使用上述方法封裝的傳感器需要通過應(yīng)變檢測試驗檢測溫度傳感器封裝是否合格，進而提高試驗成功率。圖6為試驗所用的應(yīng)變檢測裝置，光纖光柵溫度傳感器通過502膠水牢牢粘在應(yīng)變梁上，后面紅色示數(shù)代表應(yīng)變梁的撓度。光纖光柵溫度傳感器與解調(diào)裝置相連，檢測時通過改變應(yīng)變梁撓度，觀察并記錄光纖光柵溫度傳感器的應(yīng)變感應(yīng)信息。

圖5 注射器針頭封裝的溫度傳感器Fig.5 Temperature sensor packaged by syringe needle

圖6 應(yīng)變檢測裝置Fig.6 Strain detecting device

圖7為試驗中所用的溫度傳感器的應(yīng)變檢測結(jié)果，從圖中可以看出，封裝的光纖光柵溫度傳感器在應(yīng)變梁撓度改變時，溫度傳感器測的應(yīng)變大?。肌?×10-6，可以認(rèn)為溫度傳感器不感受應(yīng)變的作用，即封裝合格。

2.5 傳感器的溫度標(biāo)定

圖7 溫度傳感器應(yīng)變檢測結(jié)果Fig.7 Result of temperature sensor strain detection

應(yīng)變檢測合格的溫度傳感器和試驗所用的應(yīng)變傳感器都要進行溫度的標(biāo)定。溫度標(biāo)定使用ESPEC溫箱（溫度范圍-20℃～160℃）進行標(biāo)定，在30℃～150℃范圍內(nèi)，每隔30℃標(biāo)定1個點，來回1個循環(huán)進行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表5所示。

3 結(jié)果與討論

圖8是嵌入到碳纖維復(fù)合材料中的兩個光纖光柵溫度傳感器和熱壓罐內(nèi)熱電偶測得的溫度對比圖。

從圖中可以看出，1#、3#溫度傳感器與熱電偶的數(shù)據(jù)吻合，說明封裝的溫度傳感器測量效果很好，比較真實地反映了內(nèi)部溫度的變化過程。

圖9是L型碳纖維結(jié)構(gòu)件平面處的溫度應(yīng)變傳感器測得的溫度應(yīng)變歷程圖，圖10是L型碳纖維結(jié)構(gòu)件拐角處溫度應(yīng)變傳感器測得的溫度應(yīng)變歷程圖。

表5 傳感器標(biāo)定結(jié)果

圖8 光纖光柵溫度傳感器與熱電偶測得溫度對比圖Fig.8 Comparison diagram of temperature measured by OFTS and thermocouple

由圖9可以看出，從原點至A點是試驗第1階段，為常壓升溫階段，從A點到B點是試驗第2階段，為常壓保溫階段，B點為加壓點，從此刻開始熱壓罐內(nèi)加壓至6個大氣壓，B點到C點是試驗第3階段，為高壓升溫階段，C點到D點是試驗第4階段，為180℃保溫階段，D點到最后是試驗第5階段，為自然冷卻降溫階段。從應(yīng)變隨時間變化關(guān)系可以看出初始應(yīng)變?yōu)?，隨著溫度升高，光纖光柵首先呈負應(yīng)變狀態(tài)，這是由于埋植光纖時對光纖有一定的預(yù)緊力，當(dāng)溫度上升，樹脂粘度逐漸下降變?yōu)檎沉鲬B(tài)時，這部分拉應(yīng)力得到釋放，表現(xiàn)為應(yīng)變向負方向移動。緊接著樹脂升溫體積膨脹，光纖光柵呈正應(yīng)變狀態(tài)，應(yīng)變曲線在升溫階段的最低點為加壓點，由于突然的加壓產(chǎn)生壓應(yīng)變，加壓之后，樹脂經(jīng)過擠壓向邊緣流動，同時隨著溫度繼續(xù)升高，拉應(yīng)變繼續(xù)增大。D點之前，樹脂的交聯(lián)反應(yīng)完成，復(fù)合材料作為統(tǒng)一的整體只受到升溫膨脹作用的影響。D點之后，應(yīng)變又出現(xiàn)了反常的向正方向增大現(xiàn)象，原因可能還是由于降溫速率偏快。復(fù)合材料中增強纖維與基體樹脂的質(zhì)量比約為2:1，而比熱容比約為1:2，即降低相同的溫度二者釋放的熱量相近。然而碳纖維的熱導(dǎo)率比環(huán)氧樹脂大得多，熱量耗散也快很多，因此在降溫初始階段，光纖光柵所反映的應(yīng)變變化主要是碳纖維的變化，而碳纖維熱膨脹系數(shù)為負數(shù)，所以出現(xiàn)了應(yīng)變向正方向移動現(xiàn)象。E點之后，由于上一階段碳纖維的熱量過快耗散，光纖光柵主要反映樹脂冷卻收縮而出現(xiàn)的壓應(yīng)變。

圖9 L型碳纖維結(jié)構(gòu)件平面處溫度、應(yīng)變歷程圖Fig.9 Changing process of temperature and strain on L type carbon fiber structure plane

在圖10中，降溫階段之前與圖10相似，初始應(yīng)變?yōu)?，D點之前完成固化反應(yīng)，E點之后出現(xiàn)的應(yīng)變抬高是因為光柵本身既受到縱向應(yīng)變影響又受到橫向應(yīng)變影響，降溫階段縱向和橫向都發(fā)生收縮，縱向收縮壓縮光柵，應(yīng)變減??；橫向收縮拉長光柵，應(yīng)變增大。橫向收縮占主導(dǎo)則應(yīng)變測量結(jié)果增大發(fā)生抬高，縱向收縮占主導(dǎo)則應(yīng)變測量結(jié)果降低，二者相互作用相互影響，從圖10和圖11中的光柵應(yīng)變傳感器測得的應(yīng)變曲線波浪形態(tài)可見其影響；另外這也可能是預(yù)浸料所用樹脂和聚酰亞胺光纖光柵結(jié)合性較差[11]，光柵在碳纖維里面發(fā)生松動造成了應(yīng)變抬高。

由于在降溫過程中，樹脂體積收縮是由溫度變化控制的，所以建立光纖布拉格光柵應(yīng)變變化與溫度變化的關(guān)系十分重要[12-13]，圖11給出了L型碳纖維結(jié)構(gòu)件整個固化成型工藝過程中拐角處光纖布拉格光柵應(yīng)變隨溫度變化的關(guān)系圖。

圖10 L型碳纖維結(jié)構(gòu)件拐角處溫度、應(yīng)變歷程圖Fig.10 Changing process of temperature and strain on L type carbon fiber structure corner

由圖11可以看出，A到B這一段，由于碳纖維還未發(fā)生完全固化，監(jiān)測到的應(yīng)變大小幾乎為零，B到C這一段降溫過程中，經(jīng)過足夠長時間后固化處理的完全固化樹脂僅承受溫度降低導(dǎo)致的體積變化[14-15]，反向增大，D點之后應(yīng)變反向減小。

圖11 L型碳纖維結(jié)構(gòu)件拐角處應(yīng)變隨溫度變化歷程圖Fig.11 Strain variation with temperature on L type carbon fiber structure corner

4 結(jié)論

利用兩個光纖光柵傳感器，一個作為參考光柵不受應(yīng)變作用僅測量溫度，另一個作為傳感光柵監(jiān)測碳纖維固化成型過程中各個階段內(nèi)部的應(yīng)變變化情況。結(jié)果表明，溫度測量準(zhǔn)確，應(yīng)變測量結(jié)果合理并且可以得到解釋，即使用兩個光纖光柵，利用溫度補償方法監(jiān)測碳纖維復(fù)合材料固化成型過程中的溫度應(yīng)變完全可行。

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