含有光纤光栅传感器的复合材料及其封装方法与流程

1.本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，尤其涉及一种含有光纤光栅传感器的复合材料及其封装方法。


背景技术：

2.光纤光栅传感器属于光纤传感器的一种，光纤光栅的传感过程是通过外界物理参量对光纤布拉格波长的调制来获取传感信息，是一种波长调制型光纤传感器。
3.与传统传感器相比，光纤光栅传感器具有质量轻、体积小、灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、可分布或者准分布式测量等优点，自问世以来受到了各界广泛的关注，并且发展迅速，已经在石油化工、土木建筑、航空航天等诸多领域得以应用。
4.然而，光纤光栅传感器在长期较高应变(＞5000微应变)的工作状态下进行测量使用时，光纤光栅传感器的耐疲劳性会受到很大的影响，尤其是在还需要同时承受动载的情况下，光纤光栅传感器的疲劳寿命的下降会严重影响传感器的正常工作寿命。因此，亟需一种降低光纤光栅传感器疲劳寿命的方法。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种含有光纤光栅传感器的复合材料及其封装方法，以解决光纤光栅传感器在高应变且存在动载的工况下的使用寿命较短的的问题。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种光纤光栅传感器的封装方法，包括：
7.对拟处理的封装材料施加一张拉力，并保持封装材料处于拉伸状态不变；
8.将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起；
9.当光纤光栅传感器的栅区与封装材料固定成型后，移除封装材料上的张拉力，以使光纤光栅传感器预压缩在封装材料内。
10.在一种可能的实现方式中，封装材料的模量大于或等于40gpa，且封装材料的弹性形变量大于或等于1％。
11.在一种可能的实现方式中，封装材料为纤维材料，
12.将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起，包括：
13.将保持拉伸状态的封装材料与光纤光栅传感器的栅区均浸渍胶粘剂，并使用纤维束将拟封装区域的光纤光栅传感器的栅区和保持拉伸状态的封装材料缠绕固定在一起；或
14.将保持拉伸状态的封装材料与光纤光栅传感器固定在预先设置的模具内；在模具内注入胶粘剂，以使拟封装区域的保持拉伸状态的封装材料与光纤光栅传感器的栅区固定在一起。
15.在一种可能的实现方式中，封装材料为金属材料或纤维增强复合材料，且封装材料设为预设的封装形状，封装材料包括夹持段和封装段，在封装段的中心处设有通孔，且通孔的内径大于光纤光栅传感器的外径；
16.将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起，包括：
17.将光纤光栅传感器的栅区通过通孔穿入到保持拉伸状态的封装材料内；
18.在通孔内注入胶粘剂，以使保持拉伸状态的封装材料与光纤光栅传感器的栅区固定在一起。
19.在一种可能的实现方式中，封装材料均匀排布在光纤光栅传感器的栅区的四周，在封装材料施加的张拉力的速率小于或等于2mm/min，其应变值小于或等于8000微应变。
20.在一种可能的实现方式中，光纤光栅传感器预压缩在封装材料后的应变量程为光纤光栅传感器的原始量程与预压缩应变值之和。
21.第二方面，本发明实施例提供了一种含有光纤光栅传感器的复合材料，复合材料内的光纤光栅传感器为采用第一方面任一项的封装方法封装在封装材料内。
22.第二方面，本发明实施例提供了一种含有光纤光栅传感器的复合材料，复合材料包括封装材料和光纤光栅传感器，且光纤光栅传感器预压缩在封装材料内。
23.在一种可能的实现方式中，复合材料内的预压缩的光纤光栅传感器的量程为光纤光栅传感器的原始量程与预压缩应变值之和。
24.在一种可能的实现方式中，封装材料的模量大于或等于40gpa，且封装材料的弹性形变量大于或等于1％。
25.本发明实施例提供一种含有光纤光栅传感器的复合材料及其封装方法，首先，对拟处理的封装材料施加一张拉力，并保持封装材料处于拉伸状态不变。然后，将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起。最后，当光纤光栅传感器的栅区与封装材料固定成型后，移除封装材料上的张拉力，以使光纤光栅传感器预压缩在封装材料内。
26.本发明通过将光纤光栅传感器预压缩在封装材料内，使其能够保持一个负的初始应变状态，从而抵消工作时承受的部分应变，提高封装后的光纤光栅传感器的应变量程。从而，使的光纤光栅传感器在高应变的测试环境下提高疲劳寿命。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本发明实施例提供的光纤光栅传感器的封装方法的实现流程图；
29.图2是本发明实施了提供的封装材料为纤维材料时的模具的结构示意图；
30.图3是本发明实施了提供的封装材料为金属材料或纤维增强复合材料时的封装材料的结构示意图。
具体实施方式
31.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体
细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
32.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图通过具体实施例来进行说明。
33.正如背景技术中所描述的，当光纤光栅传感器长期在较高应变(＞5000微应变)的工作状态下进行测量使用时，传感器的耐疲劳性会受到很大影响，尤其是在同时承受动载的情况下。这是由于当材料处于高应变状态下时其疲劳寿命会随着其受到的应变增大迅速降低，而传感器的疲劳寿命下降则会严重影响传感器的正常工作寿命。
34.为了解决现有技术问题，本发明实施例提供了一种含有光纤光栅传感器的复合材料及其封装方法。下面首先对本发明实施例所提供的光纤光栅传感器的封装方法进行介绍。
35.参见图1，其示出了本发明实施例提供的光纤光栅传感器的封装方法的实现流程图，详述如下：
36.步骤s110、对拟处理的封装材料施加一张拉力，并保持封装材料处于拉伸状态不变。
37.在封装材料上施加一张拉力，使其保持拉伸的状态不变。为了防止在后续封装过程中光纤光栅传感器会发生损坏，封装材料在张拉时，需要控制其应变。
38.应变是用来描述材料变形的物理量。物体在受到外力作用下会产生一定的变形，变形的程度称为应变。即为某一方向上微小线段因变形产生的长度增量与原长度的比值。
39.为了保证光纤光栅传感器在封装过程中不会损坏，封装材料的应变值应控制在0.8％以内即小于或等于8000微应变。
40.在一些实施例中，为了保证最终封装的复合材料的性能，封装材料需要具有较高的模量和一定的弹性变形能力。模量是指材料在受力状态下应力与应变之比。
41.在此实施例中，封装材料的模量可以设置为大于或等于40gpa，且封装材料的弹性形变量可以设置为大于或等于1％。
42.通过采用模量较高的封装材料进行封装，提高了光纤光栅传感器整体的机械强度，可防止光纤光栅传感器在受到外力作用而发生破坏。
43.在一些实施例中，由于封装后的光纤光栅传感器的应变量程会受到封装材料施加的张拉力的影响，因此，为了提高封装后的光纤光栅传感器的应变量程，需要控制封装材料在施加张拉力时的应变值。
44.在此实施例中，可以设置在封装材料上施加的张拉力的速率小于或等于2mm/min，从而控制封装材料的应变值。
45.步骤s120、将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起。
46.由于封装材料不同，光纤光栅传感器和封装材料的固定方法是不同的。
47.在一些实施例中，封装材料为纤维材料时，如碳纤维等，可以使用胶粘剂对光纤光栅传感器的栅区与封装材料固定。
48.在此实施例中，可以首先，将保持拉伸状态的封装材料与光纤光栅传感器的栅区均浸渍胶粘剂。然后，使用纤维束将拟封装区域的光纤光栅传感器的栅区和保持拉伸状态
的封装材料缠绕固定在一起，从而使平行受力的纤维束与光纤光栅传感器紧密贴合使其定型。
49.在此实施例中，可以使用环氧类或丙烯酸类的胶粘剂。
50.在一些实施例中，封装材料为纤维材料时，如碳纤维等，也可以使预制的模具进行注胶固定。
51.在此实施例中，如图2所示，可以首先，将保持拉伸状态的封装材料10与光纤光栅传感器30固定在预先设置的模具20内。然后，在模具20内注入胶粘剂，以使拟封装区域的保持拉伸状态的封装材料10与光纤光栅传感器20的栅区固定在一起。
52.在此实施例中，可以使用圆柱形或条形模具20将欲封装段的封装材料10与光纤光栅传感器30的栅区包裹、封闭，为使封装材料10与光纤光栅传感器30能够穿过模具，模具20两端需要留有合适尺寸的小口，然后向模具20内注入胶粘剂。
53.在一些实施例中，当封装材料为金属材料或纤维增强复合材料时，需要将封装材料加工成预设的封装形状后在封装。
54.在此实施例中，如图3所示，成型后的封装材料可以主要分为两个部分，夹持段11和封装段12。如两端为夹持段12，中间为封装段11，封装材料可制作为一体式也可制作为分体式，此处不做限定。
55.在封装段11的封装材料正中心处设置有一个小孔供光纤光栅传感器30穿过，其内径需略大于光纤光栅传感器30的外径，从而防止在张拉封装材料时光纤光栅传感器30受力。夹持段11的横截面积可以大于封装段12，类似哑铃型，且封装段外设置一段材料横截面逐渐增大作为过渡。这种形状有利于张拉机具对封装材料的夹持，且避免封装材料在张拉时，夹持段11出现损坏导致封装失败。
56.在此实施例中，可以首先，将光纤光栅传感器的栅区通过通孔穿入到保持拉伸状态的封装材料内。然后，在通孔内注入胶粘剂，以使保持拉伸状态的封装材料与光纤光栅传感器的栅区固定在一起。
57.在一些实施例中，为了防止封装材料在后续的回缩不均匀导致的光纤光栅传感器出现弯曲，可以将封装材料均匀排布在光纤光栅传感器的四周或将封装材料提前制备为中间有细孔的中心对称形状，使得光纤光栅传感器从中间穿过。
58.在一些实施例中，可以基于不同的应用场景，选用不同涂覆层的光纤光栅传感器以及不同种类的光纤光栅传感器。如经过切趾工艺处理的切趾光纤光栅等。
59.在此实施例中，还可以根据光纤光栅传感器的应用场景的环境温度不同，选择不同材质的涂覆层材料。
60.如温度小于50℃时可采用丙烯酸酯类的涂覆层材料，当温度高于50℃时，丙烯酸酯类材料会因为温度过高而发生软化，会导致光纤纤芯与封装材料之间产生脱粘，导致封装材料无法束缚光纤光栅传感器，使预压缩失效。因此当光纤光栅传感器在使用或生产其他产品的过程中会遭遇高温环境时，涂覆层宜采用聚酰亚胺材质，由于其可耐受300℃的高温，这种材料可使封装后的光纤光栅传感器在此温度内不会失效。
61.步骤s130、当光纤光栅传感器的栅区与封装材料固定成型后，移除封装材料上的张拉力，以使光纤光栅传感器预压缩在封装材料内。
62.在将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起后，
需要等待光纤光栅传感器的栅区与封装材料固定成型。即需要等到胶粘剂固化。如，可以根据选用的胶粘剂的特性等待或加热一定的时间使胶粘剂固化，实现光纤光栅传感器的栅区与封装材料的固定成型。
63.在光纤光栅传感器的栅区与封装材料的固定成型后，按照一定速率卸载封装材料上的张拉力。如可以以小于或等于5mm/min或小于或等于3000微应变每分钟的速率移除封装材料上的张拉力。
64.在张拉力卸载后，由于胶粘剂完全固化使得封装材料完全与光纤光栅传感器完全固定在一起。当卸载封装材料上的张拉力时，封装材料会恢复弹性形变，且其在恢复弹性形变时会连带着将光纤光栅传感器的栅区进行预压缩，从而在封装材料中形成预压缩的光纤光栅传感器。
65.在封装过程中，通过对光纤光栅传感器进行预压缩，通过提前引入负应变来抵消光纤光栅传感器在工作状态中承受的应变，从而大幅度提高传感器的疲劳寿命，提高其工作寿命。
66.在一些实施例中，光纤光栅传感器预压缩在封装材料后的应变量程为光纤光栅传感器的原始量程与预压缩应变值之和。
67.在移除张拉力的过程中，可以通过位移或应力通过计算得到应变进行控制，也可以使用引伸计进行精确测量。
68.应变的测量过程如下：
69.可以将光纤光栅传感器连接至光纤光栅解调仪，实时监测光纤光栅传感器的波长数据，一方面可以及时发现在封装过程中光纤光栅传感器出现损坏的情况，提高最终成品的质量稳定性。如果光纤光栅传感器完全损坏，则会出现无法读取波长值的情况，这种情况下可以判断光纤光栅传感器损坏。此外，在监测时还可检查光纤光栅传感器的波形，如果波形从正常的尖峰畸变为宽峰或其他形状，也可根据实际情况判断传感器是否损坏。还会出现波长值出现反复跳动，如在两个差距较大的数值间来回变换的情况，也可认为是传感器损坏导致。
70.另一方面可以根据光纤光栅传感器光谱曲线峰对应波长的变化情况对光纤光栅传感器的预压缩程度进行检测，通过应变系数可计算出光纤光栅传感器被压缩的应变值，再根据光纤光栅传感器原本的应变量程，可计算得到预压缩后光纤光栅传感器的实际应变量程，即原量程+压缩应变值。
71.此外，如果同时在封装过程中使用应变传感器测量光纤光栅传感器产生的应变，则可更精确地测量光纤光栅传感器产生的应变。在进行封装时可以同时记录光纤光栅传感器的波长值随应变值的变化，在完成封装材料与光纤光栅传感器间的固定后，记录卸载张拉力时的应变与光纤光栅传感器的波长，对光纤光栅传感器波长随应变的变化进行标定，得到其标定曲线。若想进行更精确的标定则可在卸载拉力后对其进行反复张拉进行数据的采集进行标定。
72.在一些实施例中，在完成光纤光栅传感器的预压缩后，可以通过切除或剪断将多余的封装材料移除，即获得封装好的光纤光栅传感器的复合材料。还可以根据需要在封装后的光纤光栅传感器外增设金属或其他材质铠装。
73.本发明提供的封装方法，首先，对拟处理的封装材料施加一张拉力，并保持封装材
料处于拉伸状态不变。然后，将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起。最后，当光纤光栅传感器的栅区与封装材料固定成型后，移除封装材料上的张拉力，以使光纤光栅传感器预压缩在封装材料内。
74.本发明通过将光纤光栅传感器预压缩在封装材料内，使其能够保持一个负的初始应变状态，从而抵消工作时承受的部分应变，提高封装后的光纤光栅传感器的应变量程。从而，使的光纤光栅传感器在高应变的测试环境下提高疲劳寿命。
75.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
76.基于上述实施例提供的光纤光栅传感器的封装方法，相应地，本发明实施例提供了一种含有光纤光栅传感器的复合材料，复合材料内的光纤光栅传感器为采用上述封装方法封装在封装材料内。
77.此外，本发明实施例提供了一种含有光纤光栅传感器的复合材料，复合材料包括封装材料和光纤光栅传感器，且光纤光栅传感器预压缩在封装材料内。
78.通过将光纤光栅传感器预压缩在封装材料内，可以降低实际工作状态下光纤光栅传感器承受的应变值，从而提高光纤光栅传感器的耐疲劳性，增加光纤光栅传感器的使用寿命。
79.在一些实施例中，且由于光纤光栅传感器预压缩在封装材料内，封装后的光纤光栅传感器的最大量程会提高。复合材料内的预压缩的光纤光栅传感器的量程为光纤光栅传感器的原始量程与预压缩应变值之和。
80.在一些实施例中，为了保证最终封装的复合材料的性能，封装材料需要具有较高的模量和一定的弹性变形能力。模量是指材料在受力状态下应力与应变之比。
81.在此实施例中，封装材料的模量可以设置为大于或等于40gpa，且封装材料的弹性形变量可以设置为大于或等于1％。
82.通过采用模量较高的封装材料进行封装，提高了光纤光栅传感器整体的机械强度，可防止光纤光栅传感器在受到外力作用而发生破坏。
83.在一些实施例中，封装材料可以为纤维材料时，如碳纤维等。也可以为金属材料或纤维增强复合材料。
84.当封装材料为金属材料或纤维增强复合材料时，需要将封装材料加工成预设的封装形状后，在与光纤光栅传感器封装。
85.在一些实施例中，可以基于不同的应用场景，选用不同涂覆层的光纤光栅传感器以及不同种类的光纤光栅传感器。如经过切趾工艺处理的切趾光纤光栅等。
86.在此实施例中，还可以根据光纤光栅传感器的应用场景的环境温度不同，选择不同材质的涂覆层材料。
87.如温度小于50℃时可采用丙烯酸酯类的涂覆层材料，当温度高于50℃时，丙烯酸酯类材料会因为温度过高而发生软化，会导致光纤纤芯与封装材料之间产生脱粘，导致封装材料无法束缚光纤光栅传感器，使预压缩失效。因此当光纤光栅传感器在使用或生产其他产品的过程中会遭遇高温环境时，涂覆层宜采用聚酰亚胺材质，由于其可耐受300℃的高温，这种材料可使封装后的光纤光栅传感器在此温度内不会失效。
88.在一些实施例中，为了提高复合材料的机械强度，防止光纤光栅传感器受到外力作用被破坏，可以在复合材料的封装材料外增设金属或其他材质铠装。
89.本发明提供的含有光纤光栅传感器的复合材料，通过将光纤光栅传感器预压缩在封装材料内，可以降低实际工作状态下光纤光栅传感器承受的应变值，从而提高光纤光栅传感器的耐疲劳性，增加传感器的使用寿命。且由于提前对光纤光栅传感器进行了预压缩，封装后的传感器的最大量程会得到提高，其量程上限变为原上限与压缩的应变值之和。
90.以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光纤光栅传感器的封装方法，其特征在于，包括：对拟处理的封装材料施加一张拉力，并保持所述封装材料处于拉伸状态不变；将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的所述封装材料固定在一起；当所述光纤光栅传感器的栅区与所述封装材料固定成型后，移除所述封装材料上的张拉力，以使所述光纤光栅传感器预压缩在所述封装材料内。2.如权利要求1所述的封装方法，其特征在于，所述封装材料的模量大于或等于40gpa，且所述封装材料的弹性形变量大于或等于1％。3.如权利要求2所述的封装方法，其特征在于，所述封装材料为纤维材料，所述将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的所述封装材料固定在一起，包括：将保持拉伸状态的所述封装材料与所述光纤光栅传感器的栅区均浸渍胶粘剂，并使用纤维束将拟封装区域的所述光纤光栅传感器的栅区和保持拉伸状态的所述封装材料缠绕固定在一起；或将保持拉伸状态的所述封装材料与所述光纤光栅传感器固定在预先设置的模具内；在所述模具内注入胶粘剂，以使拟封装区域的保持拉伸状态的所述封装材料与所述光纤光栅传感器的栅区固定在一起。4.如权利要求2所述的封装方法，其特征在于，所述封装材料为金属材料或纤维增强复合材料，且所述封装材料设为预设的封装形状，所述封装材料包括夹持段和封装段，在所述封装段的中心处设有通孔，且所述通孔的内径大于所述光纤光栅传感器的外径；所述将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的所述封装材料固定在一起，包括：将所述光纤光栅传感器的栅区通过所述通孔穿入到保持拉伸状态的封装材料内；在所述通孔内注入胶粘剂，以使保持拉伸状态的所述封装材料与所述光纤光栅传感器的栅区固定在一起。5.如权利要求1-4任一项所述的封装方法，其特征在于，所述封装材料均匀排布在所述光纤光栅传感器的栅区的四周，在所述封装材料施加的张拉力的速率小于或等于2mm/min，其应变值小于或等于8000微应变。6.如权利要求1-4任一项所述的封装方法，其特征在于，所述光纤光栅传感器预压缩在所述封装材料后的应变量程为所述光纤光栅传感器的原始量程与预压缩应变值之和。7.一种含有光纤光栅传感器的复合材料，其特征在于，复合材料内的光纤光栅传感器为采用权利要求1-6任一项所述的封装方法封装在封装材料内。8.一种含有光纤光栅传感器的复合材料，其特征在于，复合材料包括封装材料和光纤光栅传感器，且所述光纤光栅传感器预压缩在所述封装材料内。9.如权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料内的预压缩的光纤光栅传感器的量程为所述光纤光栅传感器的原始量程与预压缩应变值之和。10.如权利要求8所述的复合材料，其特征在于，所述封装材料的模量大于或等于40gpa，且所述封装材料的弹性形变量大于或等于1％。

技术总结
本发明提供一种含有光纤光栅传感器的复合材料及其封装方法，其中，封装方法包括：对拟处理的封装材料施加一张拉力，并保持封装材料处于拉伸状态不变；将拟封装的光纤光栅传感器的栅区与保持拉伸状态的封装材料固定在一起；当光纤光栅传感器的栅区与封装材料固定成型后，移除封装材料上的张拉力，以使光纤光栅传感器预压缩在封装材料内。本发明通过将光纤光栅传感器预压缩在封装材料内，使其能够保持一个负的初始应变状态，从而抵消工作时承受的部分应变，提高封装后的光纤光栅传感器的应变量程。从而，使得光纤光栅传感器在高应变的测试环境下提高疲劳寿命。环境下提高疲劳寿命。环境下提高疲劳寿命。


技术研发人员：罗仕刚 张行方 徐温 张晓乐 黄鹏 营国庆
受保护的技术使用者：卡本科技集团股份有限公司
技术研发日：2023.05.23
技术公布日：2023/10/6