專利名稱：基于光纖光柵的復合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及復合材料熱膨脹系數(shù)的測量。
背景技術(shù)：
自然界中的材料都會因為溫度變化而發(fā)生膨脹或者收縮，常用熱膨脹系數(shù)(CTE)來描述變化的程度。通常認為 CTE是隨單位溫度變化物體長度發(fā)生的變化與基準溫度下物體原長的比值。復合材料以其獨特的優(yōu)勢，廣泛應用在各個工程領(lǐng)域；熱膨脹系數(shù)是用以表明材料本身受熱變形的固有屬性，在工程設(shè)計、精密儀器制造、材料焊接和加工中具有重要參考價值；作為復合材料的基本參數(shù)之一，其測量結(jié)果是建立復合材料模型的重要參數(shù)；由于復合材料由兩種或兩種以上物理和化學性質(zhì)不同的物質(zhì)組合而成的，其性能不是組分材料性能的簡單加和，其熱膨脹系數(shù)具有不可預測性，因此研究測量復合材料熱膨脹系數(shù)具有重要的意義?，F(xiàn)有的研究手段是理論分析結(jié)合實驗方法，如光杠桿法、云紋法、劈尖法，激光掃描微測法、電子散斑法、光纖光柵法等等。每種測量手段都具有不同的特點，適用的場合不具有普適性。對復合材料來說，在纖維方向具有負的熱膨脹系數(shù)，并且其熱膨脹系數(shù)值非常小。光杠桿法因為分辨率低不能滿足要求；云紋法對材料產(chǎn)生了一定的破壞性,對材料的性能造成影響；激光掃描測微法和電子散斑法對測量提出較高的環(huán)境和設(shè)備要求，容易受到干擾產(chǎn)生誤差；光纖光柵法是把光柵固定在材料的表面或者埋入材料內(nèi)部，和材料一起加熱，直接測量其熱膨脹性，再通過理論的計算得到測量結(jié)果，但在測量后，光纖光柵不能重復利用，再次測量時候要重新標定；采用絕對測量的方法，只是基本保證了測量的精度，不能滿足更高精度要求。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種可重復性好，無需重復標定、精度高、可靠性好的基于光纖光柵的復合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置及測量方法。本實用新型的技術(shù)方案—種基于光纖光柵的復合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置，其特征在于由夾具、標準試樣塊、待測復合材料塊和光纖光柵傳感器組成；其中標準試樣塊和待測復合材料塊相互平行，它們的一端為固定端，另一端為自由端；標準試樣塊和待測復合材料塊的固定端被夾具夾持；光纖光柵傳感器的一端與標準試樣塊的自由端固定，另一端與待測復合材料塊的自由端固定；其中標準試樣塊的自由端長度大于待測復合材料塊自由端長度；上述光纖光柵傳感器包括彈性基體和封裝于彈性基體中的光纖；光纖的一端在彈性基體內(nèi)稱作第一端，光纖的另一端伸出彈性基體外稱作第二端；光纖上刻有兩段相同的柵區(qū)，其中一段柵區(qū)鄰近光纖第一端，該段柵區(qū)通過毛細鋼管封裝，該段柵區(qū)的尾纖與毛細鋼管底部留有應變空隙。根據(jù)權(quán)利要求I所述基于光纖光柵的復合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置的測量方法，其特征在于包括以下過程步驟I :將測量裝置放置于溫控箱中加熱；步驟2 :將光纖光柵傳感器的光纖跳線連接在光纖光柵解調(diào)儀上；步驟3 :加熱過程中，復合材料和標準試樣塊同時膨脹，由于兩者變化程度不同，將對光纖光柵產(chǎn)生拉力作用，引起光柵中心波長發(fā)生變化，利用相對測量方式實現(xiàn)對熱膨脹系數(shù)的測量，具體計算公式如下
(I + (Λ 為—ΔΛ2 ) / )^一·
= ·.·'”· ....................................................................— ....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
G L0 L0ATL0LT其中α0為待測復合材料塊熱膨脹系數(shù)，為標準試樣塊熱膨脹系數(shù)，4為光纖光柵傳感器在標準試樣塊上的固定位置與夾具的距離，4為光纖光柵傳感器在待測復合材料塊上的固定位置與夾具的距離，h為光纖光柵傳感器長度，α為待測復合材料塊和標準試樣塊之間距離，為溫度變化量，由熱電偶測得，為柵區(qū)引起的中心波長漂移量，AA2為柵區(qū)引起的中心波長漂移量，K為光纖光柵傳感器的應變靈敏度，由實驗標定得到，A為光纖光柵傳感器中心波長，由解調(diào)儀測得。本實用新型的有益效果是，采用光柵串聯(lián)結(jié)構(gòu)消除了溫度和應變的交叉敏感；采用彈性基體增敏封裝后的傳感器，測量靈敏度提高，能夠重復利用，降低成本；標準試樣塊和復合材料相對測量，能夠達到較高的精度要求；傳感器性能穩(wěn)定，標定一次后不需要重復標定應變靈敏度，減少測量的工作量；調(diào)整光纖光柵傳感器的固定位置，能夠?qū)秃喜牧喜煌瑓^(qū)段熱膨脹系數(shù)的測量；光纖光柵傳感器可以不受電磁干擾，工作可靠性好。

附圖I是光纖光柵封裝結(jié)構(gòu)圖；附圖2是實驗裝置結(jié)構(gòu)圖；附圖3是熱變形三角形；圖中標號名稱1——彈性基體；2FBGl ；3FBG2 ；4毛細鋼管；5夾具；6---待測復合材料塊；7---標準試樣塊；8---光纖光柵傳感器；9---光纖跳線。
具體實施方式
該測量手段和方法是通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn)的基于光纖光柵的熱膨脹系數(shù)測試實驗裝置，包括熱膨脹系數(shù)已知的標準試樣塊，其CTE要大于復合材料的估計值；固定標準試樣塊和待測復合材料塊的夾具，具有可調(diào)節(jié)夾持位置的功能；應變增敏封裝的光纖光柵傳感器，光纖光柵解調(diào)儀，溫控箱。將待測復合材料塊和標準試樣塊平行固定在夾具上，復合材料和標準試樣塊距離一定，試件的自由端長度要大于復合材料。封裝后的光柵傳感器的一端固定在標準試樣塊的自由端，另一端固定在復合材料的自由端；將裝置放置在溫控箱中，加熱過程中，復合材料和標準試樣塊同時膨脹，由于兩者變化程度不同，將對光纖光柵傳感器產(chǎn)生拉力作用，弓丨起光柵中心波長發(fā)生變化，利用相對測量方式實現(xiàn)對熱膨脹系數(shù)的測量。
以下結(jié)合附圖對實用新型進一步描述應變增敏光柵封裝光纖光柵在研究時等 同于各向同性圓柱體，將它嵌入彈性模量較小的基體材料中，由彈性力學和材料力學知，其復合體的平均彈性模量遠小于裸光柵的彈性模量。將光纖光柵嵌入彈性基體中，此復合體的彈性模量比裸光纖的彈性模量小3到4個數(shù)量級，相同應力作用下，產(chǎn)生的應變將增大3到4個數(shù)量積，應變的增大將會引起中心波長的相對變化量增加3 4倍，這樣，則實現(xiàn)對應力的增敏。將編號為FBGl的光柵完
成封裝之后標定其應變靈敏度I。在光纖光柵傳感器的實際應用中，應變和溫度往往同時存在，此時，傳感器對溫度和應變都是敏感的。一般來講，由于應變和溫度均能引起光纖光柵的中心波長偏移，即存在溫度和應變的交叉敏感問題，通過測量一根光纖光柵的布拉格中心波長的偏移量來實現(xiàn)溫度和應變的雙參量測量是不可能的，這是因為一個方程是無法解出兩個未知量的。為了消除溫度和應變的交叉敏感，可以串聯(lián)同樣封裝相同規(guī)格的光纖光柵，編號FBG2，兩支光柵封裝在同一塊彈性基體上，如圖1，F(xiàn)BG2外面加一根毛細鋼管，使其避免受到應變的影響，僅受溫度的影響；鋼管內(nèi)部不填充膠質(zhì)，而且其尾纖的一端要處于自由狀態(tài)，保證可以在溫度影響下自由變形。由耦合模理論可知，光纖光柵的Bragg中心波長為As=r A(I)式中 為有效折射率；A為光棚周期。布拉格光柵波長As隨《談和&的變化而變化，而f和Λ的改變與應變和溫度有
關(guān)，應變和溫度分別通過彈光效應與熱光效應影響·，通過長度改變和熱膨脹效應影響Λ
，進而使·4發(fā)生移動。研究結(jié)果顯示，布拉格光柵波長變化Δ I與應變-和溫度變化關(guān)系如下= (I - Pe) S+ + )ΑΤ(2)
4式中A是光纖有效彈光系數(shù)(常數(shù))；《和 分別是光纖的熱膨脹線性系數(shù)和熱光系數(shù)；因此在測量時，溫度和應變共同造成的兩支光纖光柵波長變化可以用下面的等式表不 Δ為FBGl^KnAT(3)
AFBG2 (4)
/ [0035]從上式可以看出，當兩支光棚結(jié)構(gòu)和參數(shù)性能完全相冋時，即= ，為=馬
時，可將兩支布拉格光柵中心波長變化量做減法處理，就可以很容易消除溫度變化對應變測量的影響，應變測量精度可以得到提高。這種方法成本低，可實現(xiàn)性好。復合材料和標準試樣塊之間距離為a，F(xiàn)BGl兩端分別固定在復合材料和標準試樣
塊上，光柵尾纖在復合材料上固定點距離夾具4 ,光柵尾纖在標準試樣塊上固定點距離夾具4，光柵長度4，則根據(jù)線性熱膨脹公式可知復合材料和標準試樣塊的變形計算如下
權(quán)利要求1.一種基于光纖光柵的復合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置，其特征在于 由夾具(5)、標準試樣塊(7)、待測復合材料塊(6)和光纖光柵傳感器(8)組成； 其中標準試樣塊(7)和待測復合材料塊(6)相互平行，它們的一端為固定端，另一端為自由端；標準試樣塊(7)和待測復合材料塊(6)的固定端被夾具(5)夾持；光纖光柵傳感器(8)的一端與標準試樣塊(7)的自由端固定，另一端與待測復合材料塊(6)的自由端固定；其中標準試樣塊(7)的自由端長度大于待測復合材料塊(6)自由端長度； 上述光纖光柵傳感器(8)包括彈性基體(I)和封裝于彈性基體中的光纖；光纖的一端在彈性基體內(nèi)稱作第一端，光纖的另一端伸出彈性基體外稱作第二端；光纖上刻有兩段相同的柵區(qū)，其中一段柵區(qū)鄰近光纖第一端，該段柵區(qū)做毛細鋼管(4)封裝，該段柵區(qū)的尾纖與毛細鋼管底部留有應變空隙。
專利摘要本實用新型涉及的是一種基于光纖光柵復合材料熱膨脹系數(shù)測量裝置和測量方法，屬于測量技術(shù)領(lǐng)域。該裝置由夾具(5)、標準試樣塊(7)、待測復合材料塊(6)和光纖光柵傳感器(8)組成；其中光纖光柵傳感器(8)的一端與標準試樣塊(7)的自由端固定，另一端與待測復合材料塊(6)的自由端固定。光纖光柵傳感器、待測復合材料塊、標準試樣塊放入溫控箱中，受熱發(fā)生膨脹，由于兩者變化程度不同，將對光纖光柵傳感器產(chǎn)生拉力作用，引起光柵中心波長發(fā)生變化。結(jié)合光纖光柵應變靈敏特性和相對測量方法，可以實現(xiàn)復合材料不同長度區(qū)間熱膨脹系數(shù)的精確測量。
文檔編號G01N25/16GK202794077SQ20122034433
公開日2013年3月13日 申請日期2012年7月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月17日
發(fā)明者周雅斌, 曾捷, 張倩昀, 孫曉明, 穆昊 申請人:南京航空航天大學