一种全光纤型热塑性复合材料成型监测设备及实现长周期光纤光栅信号解调的方法

技术领域

本发明涉及复合材料成型和复合材料结构制备领域，特别是涉及一种全光纤型热塑性复合材料结构成型监测系统，包括全光纤型热塑性复合材料结构成型监测设备及实现长周期光纤光栅信号解调的方法。

背景技术

热塑性复合材料在熔融状态下可成为一定形状的制品，并可再加热熔融而制成另一种形状的制品，还可重复多次再生使用而其物理机械性能不发生显著变化，生产周期仅需数分钟。由于热塑性材料料经过增强后，性能大为提高，因此其使用范围和领域会越来越大，可以代替金属等其他种类的材料。然而由于热塑性复合材料成型中的高温和高粘度，为提高热塑性复合材料成型后制品的性能，成型过程中温度和应变的监控至关重要。

自动铺丝技术是一种新型复合材料低成本自动化制造技术，已被成功用于波音787和空客A350项目的复合材料机身制造。自动铺丝热塑性复合材料原位成型过程中的温度和应变快速变化，传统的热电偶、应变片等机电式传感器由于存在响应慢、传感头尺寸大、对被测基体影响大等因素而无法满足测量需要。

基于光纤优良的物理、化学、机械及传输性能，光纤传感具有与基体融合性好、抗电磁干扰、防腐蚀、灵敏度高、响应快、重复性好等优势，特别适用于热塑性复合材料自动纤维铺放原位固结技术中的温度和应变监测。光纤光栅传感是光纤传感中的新秀，其具有信号波长编码、测量结果不受光功率波动影响、可复用等更独特的优势，在复合材料成型过程监测及复合材料结构件服役过程中健康状态监测领域具有广阔的应用前景，是当前复合材料领域的一个研究和应用热点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及实现长周期光纤光栅信号解调的方法，能够实现在线、实时、大动态范围的热塑性复合材料成型过程中温度和应变的监测。特别是在热塑性复合材料的自动铺丝原位成型监测领域具有独一无二的优势。

一种全光纤型热塑性复合材料成型监测设备，其特征在于，包括宽带光源、温度补偿封装长周期光纤光栅、半导体温度控制器、光纤隔离器、光纤耦合器、两路光纤环形器、聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅、聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅、两个光电探测器、数据采集卡和用于数据处理和显示的计算机；

其特征在于，所述的半导体温度控制器用于控制所述的温度补偿封装的长周期光纤光栅的温度，以使得温度补偿封装长周期光纤光栅的透射光谱稳定；

所述聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅由耐高温材料聚酰亚胺作涂覆层的特种光纤制成，其对温度和应变同时敏感，具有大带宽反射光谱，光谱带宽为普通布喇格光纤光栅的100倍以上；

所述的聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅为应变补偿封装的，被封装为对应变不敏感的温度参量专用传感元件。

所述的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测设备，其特征在于，所述长周期光纤光栅是全光纤型器件，单个光栅具有4个以上光谱功率密度线性上升区和光谱功率密度线性下降区，单个全光纤型器件实现多个线性滤波器的功能，可实现多点多参量同时监测。

所述的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测设备，其特征在于，所述温度补偿封装长周期光纤光栅的主透射峰两侧边带分别为光功率线性上升光谱区和光功率线性下降光谱区。

一种长周期光纤光栅信号解调方法，通过前述的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测设备实现，其特征在于，所述宽带光源的输出光经过温度补偿封装长周期光纤光栅调制为具有两个线性光谱区域的调制光；所述温度补偿封装长周期光纤光栅输出的调制光进入光纤隔离器后，经光纤耦合器分为两路光，第一路光经第一光纤环形器进入聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅，第二路光经第二光纤环形器进入聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅；聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅的反射光经第一光纤环形器进入第一光电探测器；聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅的反射光经第二光纤环形器进入第二光电探测器；第一光电探测器和第二光电探测器的出射信号均进入数据采集卡，并由计算机进行数据处理和显示，并在被测参量达到或超过设定阈值时发出实时报警信号。

所述的一种长周期光纤光栅信号解调方法，其特征在于，所述长周期光纤光栅信号解调方法是基于其所具有的两个线性光谱区具有光纤线性滤波器的同等作用，经光电转换和计算机运算后，能够解调出待测温度和应变。

所述的一种长周期光纤光栅信号解调的方法，其特征在于，所述聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅的中心波长与温度补偿封装长周期光纤光栅的光功率线性上升光谱区匹配，其中心波长处于线性区的中部区域，应变补偿封装的聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅的中心波长与温度补偿封装长周期光纤光栅的光功率线性下降光谱区匹配，其中心波长处于线性区的中部区域。

所述聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅为由耐高温材料聚酰亚胺作涂覆层的特种光纤制成，其对温度和应变同时敏感，具有大带宽的反射光谱，光谱带宽为普通布喇格光纤光栅的100倍以上，其被设计为20nm以上的3dB带宽。

所述的应变补偿封装的聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅被封装为对应变不敏感的温度参量专用传感元件。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，由于使用了被精确温度控制的一个温度补偿封装的长周期光纤光栅作为在线滤波器，可有效滤除由于温漂效应而带来的测量误差，且以光纤元件作为解调元件，在降低系统成本的同时提高了测量精度。

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，基于聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅作为温度和应变的敏感元件，能够同时被温度和应变调制。啁啾光纤光栅所处复合材料温度的变化引起光栅的波长改变，而啁啾光纤光栅所处复合材料应变的改变既引起光栅的波长改变又引起光栅的带宽改变。因此仅利用一个光栅(啁啾光纤光栅)即可在线实时测量两个参量，是一种性价比高的多功能传感系统设计。

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅是经过应变补偿封装的，该光栅的波长仅受温度调制，因此可以作为对温度和应变双参量敏感的啁啾光纤光栅的温度参考元件，使得系统能够精准分离温度和应变，并提高啁啾光纤光栅的应变及温度的测量精度，是一种精度高的多参量传感系统设计。

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅的中心波长位于长周期光纤光栅光谱线性上升区的中部，而应变补偿封装的聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅的中心波长位于长周期光纤光栅光谱线性下降区的中部。当两者受温度和/或应变调制而波长漂移时，两者反射的光功率线性变化并形成互补，且光谱不重叠，根据光功率变化引起的模拟和数字电信号的变化，能够被计算机得出待测参量值。这提高了解调的效率和速度，形成了一种快速精准的光栅波长解调系统。

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，使用聚酰亚胺涂覆层光纤光栅，提高了温度的测量范围，最高可测量600℃的温度，而一般石英光纤光栅耐受温度最高为150℃左右。使得该系统非常适合于温度较高的热塑性复合材料结构件成型过程的监测。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是在热塑性复合材料自动铺丝原位成型过程中实时在线监测的温度测量结果

图3是在热塑性复合材料自动铺丝原位成型过程中实时在线监测的应变测量结果

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，所述宽带光源1的输出光经过温度补偿封装的长周期光纤光栅2调制为具有两个线性光谱区域的调制光；所述温度补偿封装长周期光纤光栅2输出的调制光进入光纤隔离器3后，经光纤耦合器4分为两路光，第一路经第一光纤环形器5进入聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅6，第二路经第二光纤环形器7进入应变补偿封装的聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅8；聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅6的反射光经第一光纤环形器5进入第一光电探测器9；聚酰亚胺耐高温布喇格光纤光栅8的反射光经第二光纤环形器7进入第二光电探测器10。第一光电探测器9和第二光电探测器10的出射信号均进入数据采集卡11，并由计算机12进行数据处理和显示，并在被测参量达到或超过设定阈值时发出实时报警信号。

其中，所述的聚酰亚胺耐高温啁啾光纤光栅6，其为用聚酰亚胺做光纤涂覆层并经高温退火做成的耐高温光纤光栅，能够耐受500℃以上的温度，波长-温度的灵敏度经测试为12pm/℃。

所述温度补偿封装长周期光纤光栅2设有半导体温度控制器13，所述半导体温度控制器13用于控制温度补偿封装长周期光纤光栅2的温度，以使得温度补偿封装长周期光纤光栅2的透射峰的波长稳定。其中，半导体温度控制器13的温度精度为0.01℃，这使得温度补偿封装长周期光纤光栅2的波长稳定性的精度为0.012pm，这是本系统的优势，比一般系统高出约3个数量级的波长稳定性，一般系统约为12pm。

将数据采集卡采集到的来自两个光电探测器的电信号进行计算，即可解调出待测的温度和应变，具体实施方法为：第一个光电探测器9的信号是温度和应变的共同调制结果，第二个光电探测器10的信号，仅仅是温度调制的结果。根据第二个探测器的信号并经过预设程序的运算，可从第一个探测器的信号中解调出应变和温度。利用本发明的参考光栅和信号解调算法，适合对温度和应变双参量同时进行在线实时监测，且能够实现温度和应变的大动态范围监测，尤其可实现普通系统无法实现的高温测量，温度可测范围为-100℃～+500℃。普通光纤光栅传感仅能实现约-50℃～150℃的温度测量。

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，由于采用了长周期光纤光栅作为双参量的互参考解调元件，使得信号解调速度快，系统能够实时解调和还原出出变化率约为100℃/s的快速温度变化过程，并能够实时解调和还原出变化率约为250με/s的快速应变变化过程。这些性能大大提升了系统监测的实时性。

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，由于采用了带宽为20nm以上的啁啾光纤光栅，使得反射信号的光功率比普通布喇格光纤光栅提高了约100倍，根据系统中光电探测器、数据采集卡进行功率和信号采集后进行计算，大大提升了系统测量的信噪比。

本发明实现的一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，进行了自动铺丝热塑性复合材料原位成型过程中的温度和应变的同时在线监测，其中图2和图3为监测结果。需要说明的是，传感光栅被铺埋在第一铺层和第二铺层之间，图2和图3中的三个峰值分别是铺放复合材料平板型结构的第二层、第三层、第四层时，伴随自动铺丝激光加热铺层瞬间的监测结果。由于激光加热带来的快速温度和应变变化，实际过程中铺设光纤光栅的第一和第二铺层间的温度，在铺放第二层时，其温度一般为2s-4s时间内从室温升高到200℃～300℃(不同材料类别和不同成型方案间有差异)，在铺放第三层、第四层时，由于有激光加热的余热效应，光栅区的温度一般不能及时降到室温，因此光栅测得温度为从100℃左右的温度经历3s-5s时间升高到200℃以上温度。由于自动铺丝装置中温度和应变的快速变化，一般的机电式传感器无法实时监测到温度和应变的变化规律，更无法捕捉到峰值。测试结果体现了本监测系统和信号解调方法对于热塑性复合材料自动铺丝原位成型过程中温度和应变监测的有效性。

显然，运用本发明一种全光纤型热塑性复合材料成型监测系统及其长周期光纤光栅信号解调技术，实现了热塑性复合材料自动铺丝原位成型过程中温度和应变的实时监测和解调，为热塑性复合材料的成型过程监测提供实用。