一种从复合材料轴管中引出光纤光栅传感器的装置及方法与流程

本发明涉及光纤光栅技术领域，具体涉及一种从复合材料轴管中引出光纤光栅传感器的装置及方法。

背景技术：

复合材料轴管因其独特优势而被广泛运用于直升机、风力发电机、重型机床等大型高端装备中。但由于预浸料制备形成复合材料轴管的过程中固化阶段会产生残余应力，这些残余应力导致产品在服役前就产生缺陷，极易形成潜在危害，严重影响产品在服役期间的机械性能。因此，对复合材料轴管的固化过程进行监测十分重要。

光纤布拉格光栅具有直径小、易埋入、耐高温、不受电磁干扰、电绝缘性好等特点，并且它能够实现“一纤多点”测量，非常适用于各向异性的复合材料的内部监测。

然而，目前使用较多光纤光栅传感器引出方法是将光栅沿轴向埋放在预浸料各铺层之间后，光纤从轴管端面层间引出，这种方法存在布点方向单一、光纤引出口增多、复合材料轴管在脱模时极易对光纤造成损伤、与金属法兰装配困难等问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种从复合材料轴管中引出光纤光栅传感器的装置及方法，克服了光纤只能从轴管端面引出的问题，实现了光栅在预浸料各铺层之间多方位布点监测，避免了脱模时光纤和复合材料轴管的损伤，提高了复合材料轴管的性能和制备质量。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种从复合材料轴管中引出光纤光栅传感器的装置，第一外套筒、第二外套筒和内套筒，内套筒的一端套装于第一外套筒的内侧端，内套筒与第一外套筒连接固定，内套筒的另一端套装于第二外套筒的内侧端，第一外套筒的内侧端与第二外套筒的内侧端接触拼接；

其中，第一外套筒和第二外套筒的拼接处设有通孔，通孔穿透内套筒单边一侧筒壁，内套筒的筒壁上沿长度方向设有开口槽，开口槽的一端与通孔联通，开口槽的另一端贯穿至第二外套筒所在侧的端面。

按照上述技术方案，第一外套筒通过焊接与内套筒连接固定，第二外套筒与内套筒之间为间隙配合。

按照上述技术方案，第一外套筒、第二外套筒和内套筒的材质为304不锈钢。

按照上述技术方案，第一外套筒、第二外套筒和内套筒的壁厚均一致。

按照上述技术方案，第一外套筒、第二外套筒和内套筒的长度均一致。

按照上述技术方案，第一外套筒和第二外套筒形成的芯轴保护套管总长大于复合材料轴管的长度。

按照上述技术方案，第一外套筒和第二外套筒的外壁上均套设有保护垫块；通过保护垫块撑起整个装置，满足固化过程中复合材料轴管部分悬空放置以避免与其他物体接触的要求。

采用以上所述装置制备复合材料轴管的方法，包括以下步骤：

1)将所述的引出光纤光栅传感器的装置埋入预浸料各铺层之间；

2)将光纤从第一外套筒侧穿入内套筒内，经通孔伸出，穿出预浸料外，与外部解调设备连接，光纤上的光栅沿任意方向埋放于预浸料各铺层之间；

3)用固化设备对预浸料进行加热固化，形成复合材料轴管；

4)对第一外套筒和第二外套筒分别从两侧施加拉力，使第二外套筒与内套筒脱离，从而将第一外套筒及内套筒和第二外套筒分别从复合材料轴管两侧脱出，完成复合材料轴管脱模。

按照上述技术方案，所述的步骤3)中，固化设备为热压罐。

本发明具有以下有益效果：

通过本装置及方法，克服了光纤只能从轴管端面引出的问题，光纤可从内套筒内部经通孔伸出至预浸料各铺层之间，实现光栅在预浸料各铺层之间多方位布点，实现了复合材料轴管固化过程中多方向的应变和温度监测，为基于光纤光栅传感网络的复合材料轴管的全生命周期监测提供有利的技术条件，复合材料轴管形成后，避免了脱模时光纤和复合材料轴管的损伤，不影响复合材料轴管后期与法兰的装配，使埋入的传感器能够继续用于后续复合材料轴管服役期间的机械性能健康监测，减少了用于保护光纤的毛细钢管数量，降低了成本，提高了复合材料轴管的性能和制备质量。

附图说明

图1是本发明实施例中从复合材料轴管中引出光纤光栅传感器的装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中内套筒的结构示意图；

图3是本发明实施例中固化前光纤光栅传感器从预浸料各铺层引出的示意图；

图4是本发明实施例中制备复合材料轴管过程中固化阶段的示意图；

图中，1-第一外套筒，2-第二外套筒，3-内套筒，4-光纤，5-预浸料，6-保护垫块，7-复合材料轴管，8-光纤保护套管，9-开口槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图4所示，本发明提供的一个实施例中的从复合材料轴管中引出光纤光栅传感器的装置，第一外套筒1、第二外套筒2和内套筒3，内套筒3的一端套装于第一外套筒1的内侧端，内套筒3与第一外套筒1连接固定，内套筒3的另一端套装于第二外套筒2的内侧端，第一外套筒1的内侧端与第二外套筒2的内侧端接触拼接；

其中，第一外套筒1和第二外套筒2的拼接处设有通孔，通孔穿透内套筒3单边一侧筒壁，内套筒3的筒壁上沿长度方向设有开口槽9，开口槽9的一端与通孔联通，开口槽9的另一端贯穿至第二外套筒2所在侧内套筒的端面。

进一步地，第一外套筒1通过焊接与内套筒3连接固定，第二外套筒2与内套筒3之间为间隙配合。

进一步地，第一外套筒1、第二外套筒2和内套筒3的材质为304不锈钢。

进一步地，第一外套筒1、第二外套筒2和内套筒3的壁厚均一致。

进一步地，第一外套筒1、第二外套筒2和内套筒3的长度均一致。

进一步地，第一外套筒1和第二外套筒2形成的芯轴总长大于复合材料轴管7的长度。

进一步地，第一外套筒1和第二外套筒2的外壁上均套设有保护垫块6；通过保护垫块6撑起整个装置，满足固化过程中复合材料轴管7部分悬空放置以避免与其他物体接触的要求。

进一步地，保护垫块6为v型块，v型保护垫块6能够将第一外套筒和第二外套筒限制在保护垫块内，避免滑出。

采用以上所述装置制备复合材料轴管的方法，包括以下步骤：

1)将所述的引出光纤光栅传感器的装置埋入预浸料5各铺层之间；

2)将光纤4从第一外套筒1侧穿入内套筒3内，经通孔伸出，穿出预浸料5外，与外部解调设备连接，光纤4上的光栅沿任意方向埋放于预浸料5各铺层之间；所述光纤4可为多根光纤4，实现多个光栅在多个方向分布于预浸料5各铺层之间；

3)用固化设备对预浸料5进行加热固化，形成复合材料轴管7；

4)对第一外套筒1和第二外套筒2分别从两侧施加拉力，使第二外套筒2与内套筒3脱离，从而将第一外套筒1及内套筒3和第二外套筒2分别从复合材料轴管7两侧脱出，完成复合材料轴管脱模。

进一步地，所述步骤1)之前，对预浸料5进行铺层、缠绕。

进一步地，所述的步骤3)中，固化设备为热压罐。

进一步地，光纤外套装有光纤保护套管8。

本发明的一个实施例中，本发明的工作原理：

第一外套筒1、第二外套筒2接合部位有一孔，贯穿内套筒3；光纤4从这个孔伸出至预浸料5之间，实现光栅任意方向的埋放，而光纤4信号线则从内套筒3内部沿此孔伸出至芯轴外侧，与解调仪设备连接；另一方面，内套筒3由孔处向右端面开槽直至端面。脱模时，固定外套筒1端部，在外套筒2端部施加拉力，使其与内套筒3脱离，从而使轴管脱模，由于光纤4在孔处，不同于光纤4在轴管端面易于受到外力，故此孔还可以在脱模时保护光纤4不受损伤。脱模成功后，光纤4可与轴管一并沿内套筒3的槽取出。

本发明提供一种从复合材料轴管中引出光纤光栅传感器的装置及方法，其结构如图1所示：包括第一外套筒1、第二外套筒2、内套筒3；其中第一外套筒1与内套筒3焊接，第二外套筒2与内套筒3间隙配合，构成一种从复合材料轴管中的引出光纤光栅传感器的装置。

所述第一外套筒1、第二外套筒2、内套筒3材质为304不锈钢。

所述第一外套筒1、第二外套筒2、内套筒3长度一致，壁厚一致。

所述第一外套筒1和第二外套筒2的外径和内径均一致。

所述内套筒3外径为外套筒外径减去两侧壁厚、内径为内套筒外径减去两侧壁厚。

所述第一外套筒1、第二外套筒2、内套筒3构成的芯轴总长大于复合材料轴管的长度。

所述第一外套筒1、第二外套筒2两边各预留一定的长度用于放置v型块，满足固化过程中复合材料轴管部分悬空放置以避免与其他物体接触的要求。

所述第一外套筒1、第二外套筒2接合部位有一孔，并贯穿内套筒3；光纤4从此孔伸出至预浸料5各铺层之间，实现光栅任意方向的埋放；光纤4信号线则从内套筒沿此孔伸出至芯轴外侧，与解调仪设备连接，实现了复合材料轴管固化过程中多方向的应变和温度监测。

所述内套筒3由第一外套筒1、第二外套筒2接合部位的孔处向右端面开槽直至端面，保证了在脱模时光纤4不受损伤。

综上所述，光纤4从两个外套筒接合部位的孔伸出至预浸料5各铺层之间，实现光栅任意方向的埋放；光纤4信号线则从内套筒内部沿此孔伸出至芯轴外侧，与解调仪设备连接，实现了复合材料轴管固化过程中多方向的应变和温度监测，为基于光纤光栅传感网络的复合材料轴管的全生命周期监测提供有利的技术条件；光纤引出口只有一个孔，用于保护光纤的毛细钢管数量会大量减少，大幅降低了对复合材料轴管的性能和质量的影响；由于光纤在轴管内表面位置，复合材料轴管在脱模时不会对光纤造成损伤，且不会给轴管与金属法兰的装配带来困难。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。