基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置及测量方法

文档序号:5900296阅读:578来源:国知局
专利名称:基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置及测量方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域,特别是涉及复合材料热膨胀系数的测量。
背景技术
自然界中的材料都会因为温度变化而发生膨胀或者收缩,常用热膨胀系数(CTE)来描述变化的程度。通常认为CTE是随单位温度变化物体长度发生的变化与基准温度下物体原长的比值。 复合材料以其独特的优势,广泛应用在各个工程领域;热膨胀系数是用以表明材料本身受热变形的固有属性,在工程设计、精密仪器制造、材料焊接和加工中具有重要参考价值;作为复合材料的基本参数之一,其测量结果是建立复合材料模型的重要参数;由于复合材料由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的,其性能不是组分材料性能的简单加和,其热膨胀系数具有不可预测性,因此研究测量复合材料热膨胀系数具有重要的意义。现有的研究手段是理论分析结合实验方法,如光杠杆法、云纹法、劈尖法,激光扫描微测法、电子散斑法、光纤光栅法等等。每种测量手段都具有不同的特点,适用的场合不具有普适性。对复合材料来说,在纤维方向具有负的热膨胀系数,并且其热膨胀系数值非常小。光杠杆法因为分辨率低不能满足要求;云纹法对材料产生了一定的破坏性,对材料的性能造成影响;激光扫描测微法和电子散斑法对测量提出较高的环境和设备要求,容易受到干扰产生误差;光纤光栅法是把光栅固定在材料的表面或者埋入材料内部,和材料一起加热,直接测量其热膨胀性,再通过理论的计算得到测量结果,但在测量后,光纤光栅不能重复利用,再次测量时候要重新标定;采用绝对测量的方法,只是基本保证了测量的精度,不能满足更高精度要求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种可重复性好,无需重复标定、精度高、可靠性好的基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置及测量方法。本发明的技术方案
一种基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置,其特征在于
由夹具、标准试样块、待测复合材料块和光纤光栅传感器组成;其中标准试样块和待测复合材料块相互平行,它们的一端为固定端,另一端为自由端;标准试样块和待测复合材料块的固定端被夹具夹持;光纤光栅传感器的一端与标准试样块的自由端固定,另一端与待测复合材料块的自由端固定;其中标准试样块的自由端长度大于待测复合材料块自由端长度;
上述光纤光栅传感器包括弹性基体和封装于弹性基体中的光纤;光纤的一端在弹性基体内称作第一端,光纤的另一端伸出弹性基体外称作第二端;光纤上刻有两段相同的栅区,其中一段栅区邻近光纤第一端,该段栅区通过毛细钢管封装,该段栅区的尾纤与毛细钢管底部留有应变空隙。根据权利要求I所述基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置的测量方法,其特征在于包括以下过程
步骤I :将测量装置放置于温控箱中加热;
步骤2 :将光纤光栅传感器的光纤跳线连接在光纤光栅解调仪上;
步骤3 :加热过程中,复合材料和标准试样块同时膨胀,由于两者变化程度不同,将对光纤光栅产生拉力作用,引起光栅中心波长发生变化,利用相对测量方式实现对热膨胀系数的测量,具体计算公式如下
权利要求
1.一种基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置,其特征在于 由夹具(5)、标准试样块(7)、待测复合材料块(6)和光纤光栅传感器(8)组成; 其中标准试样块(7)和待测复合材料块(6)相互平行,它们的一端为固定端,另一端为自由端;标准试样块(7)和待测复合材料块(6)的固定端被夹具(5)夹持;光纤光栅传感器(8)的一端与标准试样块(7)的自由端固定,另一端与待测复合材料块(6)的自由端固定;其中标准试样块(7)的自由端长度大于待测复合材料块(6)自由端长度; 上述光纤光栅传感器(8)包括弹性基体(I)和封装于弹性基体中的光纤;光纤的一端在弹性基体内称作第一端,光纤的另一端伸出弹性基体外称作第二端;光纤上刻有两段相同的栅区(2、3),其中一段栅区邻近光纤第一端,该段栅区做毛细钢管(4)封装,该段栅区的尾纤与毛细钢管底部留有应变空隙。
2.根据权利要求I所述基于光纤光栅的复合材料热膨胀系数测量装置的测量方法,其特征在于包括以下过程 将测量装置放置于温控箱中加热; 将光纤光栅传感器(8)的光纤跳线连接在光纤光栅解调仪上; 加热过程中,复合材料和标准试样块同时膨胀,由于两者变化程度不同,将对光纤光栅产生拉力作用,引起光栅中心波长发生变化,利用相对测量方式实现对热膨胀系数的测量,具体计算公式如下—4 …,^4- 2 ^L2认 1 + (Mi - M2) )2 - a2Ckf,-- — + ________.............................一 ..........—......................................—........................■...........................■................................................... L0 L0ATL0AT 其中λ力待测复合材料块热膨胀系数,为标准试样块热膨胀系数,Ls为光纤光栅传感器d在标准试样块上的固定位置与夹具的距离,L0为光纤光栅传感器在待测复合材料块上的固定位置与夹具的距离,4为光纤光栅传感器长度,力待测复合材料块和标准试样块之间距离,为温度变化量,由热电偶测得,为栅区C2)引起的中心波长漂移量,AA2为栅区(3)引起的中心波长漂移量,为光纤光栅传感器的应变灵敏度,由实验标定得到,Λ为光纤光栅传感器中心波长,由解调仪测得。
全文摘要
本发明涉及的是一种基于光纤光栅复合材料热膨胀系数测量装置和测量方法,属于测量技术领域。该装置由夹具(5)、标准试样块(7)、待测复合材料块(6)和光纤光栅传感器(8)组成;其中光纤光栅传感器(8)的一端与标准试样块(7)的自由端固定,另一端与待测复合材料块(6)的自由端固定。光纤光栅传感器、待测复合材料块、标准试样块放入温控箱中,受热发生膨胀,由于两者变化程度不同,将对光纤光栅传感器产生拉力作用,引起光栅中心波长发生变化。结合光纤光栅应变灵敏特性和相对测量方法,可以实现复合材料不同长度区间热膨胀系数的精确测量。
文档编号G01N25/16GK102788810SQ201210246088
公开日2012年11月21日 申请日期2012年7月17日 优先权日2012年7月17日
发明者周雅斌, 孙晓明, 张倩昀, 曾捷, 穆昊 申请人:南京航空航天大学
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