硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置及其制作、应用方法与流程

本发明涉及复合材料钻孔过程中的温度监测技术领域，具体涉及一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置及其制作、应用方法。本发明可适用于航空航天、交通运输领域相关的新材料、新产品、新工艺的科学研究和研发的过程监控与测量。

背景技术

碳纤维增强复合材料(carbonfiberreinforcedpolymers)，简称cfrp，是目前最先进的复合材料之一。它可以兼顾碳纤维和基体的性能而成为综合性能更为优异的工程结构材料和具有特殊性能的功能材料。它以其轻质高强、耐高温、抗腐蚀、热力学性能优良等特点广泛用作结构材料及耐高温抗烧蚀材料,碳纤维复合材料因其较高的比强度、比模量被广泛应用于航空航天领域，可大幅减轻结构件重量，提高结构可靠性，同时也被认为是衡量一个国家的科技水平的重要因素。

在航空工业中，飞机结构使用的主要材料是碳纤维复合材料，其在结构加工过程中要与钛合金及铝合金等金属材料进行连接，从而构成两层或多层碳纤维复合材料叠层结构。在加工紧固件孔时，通常采用一次性钻削碳纤维复合材料叠层材料的方法来提高叠层结构装配孔的位置精度，但碳纤维复合材料因其各向异性及导热性差，使其在钻削时易出现毛刺、分层和纤维撕裂等加工缺陷，严重影响了加工后连接结构的质量和强度，是典型的难加工材料；并且分层缺陷是发生在纤维增强复合材料的内部层间，比金属缺陷更复杂难处理，当分层较小或发生在更深的内部时，更难观察和识别。这是当前飞机、火箭等制造领域面临和亟待解决的一大难题。

在切削过程中，切削热通常是使切削区温度超过玻璃化转变温度的主要热源，它会导致孔壁不良并且会因此产生零件加工缺陷。因为数控机床、加工中心的推广与应用，对零件的精度和加工质量要求度越来越高,所以切削热对加工质量的影响引起了广泛的关注，人们开始尝试探索切削时的温度分布，从而能够优化切削参数来对制孔质量进行控制。

目前在机械加工过程中使用的常规温度检测方法有接触式测量和非接触式测量两种。接触式温度测量方式包括电阻式和热电偶式，它操作方便、结构简单、精度较高，但是在测量过程中会反应较慢，影响被测物体温度场分布，一些测量方式工艺比较复杂，会导致应用不便。非接触式测温包括红外线测温、高强度照相机法、光导纤维测温法等,其中红外测温法反应速度快、测温范围宽、远近距离均可测量并获得温度场分布，在电力、钢铁、化工以及国防等领域有着广泛应用。但是在测量切削温度中应用红外测温仪时,需要操作人员手持测温仪记录切削温度，在环境温度、操作者操作稳定性、距离以及机床防护罩干扰等这些因素影响下,造成测量误差。另一方面,在高精度的质量要求、特种加工、高速切削等加工工艺方面的要求下,需实时获得切削温度,所以尤其需要检测数据的在线处理及实时反馈。

中国专利申请公开号为cn106965039a的《基于红外成像的切削温度检测装置》公开了一种基于红外成像的切削温度检测装置，包括底座、机械手及红外测温仪，采用红外成像的方式采集切削加工过程中的图像数据，并便于定位在数控机床上，以达到有效检测数控机床加工时的切削温度，提高零件加工质量的目的。但该种方法在钻孔过程中难以直观地监测到碳纤维叠层板的温度分布情况。

中国专利申请公开号为cn108007604的《阵列光纤测金属/复合材料层间温度与应变的方法及装置》公开的一种阵列光纤测金属复合材料层间温度与应变的方法及装置,其在钻孔实验中,可分别通过光纤的测温段和测应变段对金属复合材料层间温度和应变进行测量其中,测温段受毛细管的保护不会被挤压,可保持自由状态,因此能够准确测量出钻孔实验中的温度变化。但该方法会将光纤粘贴至被测物表面，使用较不方便且难以将该套测温装置重复利用。

技术实现要素：

本发明的第一个目的是公开一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置，其可以准确监测复合材料钻孔过程中的温度变化，并且能够重复利用。

为实现以上目的，本发明公开的一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置，其主要包括底座、测温探头、光纤、光纤套管、保护盖以及光纤法兰；所述测温探头的下部固定在所述底座上，测温探头的上部周边具有凸台围合，测温探头的上部在凸台围合内部的端面上具有螺旋形刻槽；所述光纤具有测温段和外接段，所述测温段套装在所述光纤套管中并绕装在所述螺旋形刻槽上；所述凸台围合的内部、所述光纤套管上面覆盖有硅胶层；

所述螺旋形刻槽的中心贯穿所述硅胶层开设有第一预留孔，所述凸台的侧面具有第二预留孔；所述光纤的外接段沿所述第二预留孔伸出并与所述光纤法兰的输入接头连接；所述保护盖盖设在所述光纤的外接段及光纤法兰的输入接头上面，保护盖的底部安装在底座上，其具有安装接口以安装所述光纤法兰。

进一步的，所述光纤法兰的输出接头与解调仪连接。

进一步的，所述光纤套管为铁氟龙管、石英细管或毛细管。

本发明的第二个目的是公开一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置的制作方法。

为实现以上目的，本发明公开的一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置的制作方法，主要包括以下步骤：

a1、加工出具有测温探头的底座；

所述测温探头的下部固定在所述底座上，测温探头的上部周边具有凸台围合，测温探头的上部在凸台围合内部的端面上具有螺旋形刻槽；所述螺旋形刻槽的中心贯穿所述硅胶层开设有第一预留孔，所述凸台的侧面具有第二预留孔；

a2、将光纤的测温段套装在光纤套管中并绕装在所述螺旋形刻槽上，光纤的外接段沿所述第二预留孔伸出用于与光纤法兰的输入接头连接；

a3、用塞子封住第一预留孔，将预先调配好的液态硅胶缓缓倒入所述凸台围合的内部、所述光纤套管上面，待硅胶分散均匀后，使得硅胶表面与所述凸台表面平齐，静置2h让硅胶固化；

a4、将所述光纤的外接段与光纤法兰的输入接头连接，在所述光纤的外接段及光纤法兰的输入接头上面盖设底部安装在所述底座上的保护盖。

进一步的，步骤a3中的液态硅胶按照模具硅胶：固化剂＝100：2的比例调配而成。

进一步的，步骤a3中的塞子为橡皮塞。

本发明的第三个目的是公开一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置的应用方法。

为了实现以上目的，本发明公开的一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置的应用方法，包括以下步骤：

b1、通过测温探头采集钻孔板在钻孔时的温度信号，并通过光纤法兰的输出接头输入解调仪进行解调；

b2、基于解调仪解调出的温度信号及光纤上产生该温度信号的点的位置，重构出光纤的温度场图像；

b3、选择所述温度场图像并用阈值分割，初步提取出与螺旋形刻槽区域对应的图像区域；

b4、对初步提取出的图像区域进行边缘提取，获得与螺旋形刻槽对应的螺旋形轮廓线图像；

b5、在所述的螺旋形轮廓线图像上建立直角坐标系，并通过标定板进行像素标定，得到各个坐标点上的像素点对应的长度；

b6、根据像素间隔计算像素点之间的长度。

本发明至少具备以下优点：

(1)测温探头上表面具有第一预留孔，在钻孔过程中，将测温探头上表面与钻孔板接触，钻头钻过钻孔板之后能够从该第一预留孔中穿过，因此既能贴合钻孔过程中的测温所需的结构设计，又实现了整个测温装置的便捷实用性以及可重复利用的性能。

(2)测温探头上部具有螺旋形分布的测温光纤，能够监测到钻孔板接触面上的一系列温度点，实现了温度测量的全面性、精准性、可靠性。

(3)测温探头的硅胶层表面具有柔软、导热性好、粘固性强的特点，既能有效地减少光纤所受钻削力或者钻削振动的影响，又能大大减少钻孔温度测量的衰减，非常适合作为切削温度测量的过渡材料。

(4)保护盖起到保护光纤裸露部分即外接段的作用，大大增加了光纤的使用寿命；同时，保护盖又起到安装光纤法兰的作用，光纤法兰给整套测温装置提供一个便捷的输出接头以便连接解调仪。

附图说明

图1是实施例一公开的一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置的整体结构示意图。

图2是图1中底座的结构示意图。

图3是图1中测温探头的结构示意图。

图4是图1中光纤法兰的结构示意图。

图5是图1中保护盖的底面结构示意图。

图6是实施例二公开的硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置的制作方法流程示意图。

图7是实施例三公开的硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置的应用方法流程示意图。

图8是光纤测温段分布示意图(左)及重构出的温度场示意图(右)的对比图，与图7的步骤l201对应。

图9是初步提取出的与螺旋形刻槽区域对应的图像区域示意图，与图7的步骤l301对应。

图10是与螺旋形刻槽区域对应的螺旋形轮廓线图像示意图，与图7的步骤l401-l601对应。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图以及实施例对本发明进行进一步描述。

实施例一

如图1至图5所示，本实施例公开的一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置，其主要包括底座10、测温探头20、光纤30、光纤套管(套装于光纤30测温段外面)、保护盖50以及光纤法兰60；测温探头20的下部固定在底座10上，测温探头20的上部周边具有凸台21围合，测温探头20的上部在凸台21围合内部的端面上具有螺旋形刻槽22；光纤30具有测温段和外接段，测温段套装在光纤套管中并绕装在螺旋形刻槽22上；凸台21围合的内部、光纤套管上面覆盖有硅胶层23。

螺旋形刻槽22的中心贯穿硅胶层23开设有第一预留孔24，凸台21的侧面具有第二预留孔25；光纤30的外接段沿第二预留孔25伸出并与光纤法兰60的输入接头连接；保护盖50盖设在光纤30的外接段及光纤法兰60的输入接头上面，保护盖50的底部安装在底座10上，其具有安装接口以安装光纤法兰60。

本实施例中，光纤法兰60的输出接头与解调仪连接，以输出光纤30监测到的温度信号供解调仪进行解调。

作为参考，本实施例中测温探头20的表面可以是80mm×80mm的正方形；螺旋形刻槽22的径长是0.6mm，与光纤30及光纤套管适配即可；凸台21相对于其围合内部的端面高出1.0mm，以防止硅胶的涂抹时渗出；第一预留孔的直径应满足方便钻头穿过；第二留孔的直径可以是1.0mm，以便穿入光纤套管并起到固定作用。另外，底座10上还具有两个u型槽，通过两个u型槽可以固定在机床上。

本实施例中，光纤套管具体可以为铁氟龙管、石英细管或毛细管中的任一种。

从而，本实施例至少具备以下优点：

(1)测温探头上表面具有第一预留孔，在钻孔过程中，将测温探头上表面与钻孔板接触，钻头钻过钻孔板之后能够从该第一预留孔中穿过，因此既能贴合钻孔过程中的测温所需的结构设计，又实现了整个测温装置的便捷实用性以及可重复利用的性能。

(2)测温探头上部具有螺旋形分布的测温光纤，能够监测到钻孔板接触面上的一系列温度点，实现了温度测量的全面性、精准性、可靠性。

(3)测温探头的硅胶层表面具有柔软、导热性好、粘固性强的特点，既能有效地减少光纤所受钻削力或者钻削振动的影响，又能大大减少钻孔温度测量的衰减，非常适合作为切削温度测量的过渡材料。

(4)保护盖起到保护光纤裸露部分即外接段的作用，大大增加了光纤的使用寿命；同时，保护盖又起到安装光纤法兰的作用，光纤法兰给整套测温装置提供一个便捷的输出接头以便连接解调仪。

实施例二

请参阅图6，本实施例二公开了一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置(参考实施例一)的制作方法。其主要包括以下步骤：

s101、加工出具有测温探头的底座。

测温探头的下部固定在所述底座上，测温探头的上部周边具有凸台围合，测温探头的上部在凸台围合内部的端面上具有螺旋形刻槽；螺旋形刻槽的中心贯穿所述硅胶层开设有第一预留孔，所述凸台的侧面具有第二预留孔。

s201、将光纤的测温段套装在光纤套管中并绕装在所述螺旋形刻槽上，光纤的外接段沿第二预留孔伸出用于与光纤法兰的输入接头连接。

s301、用塞子封住第一预留孔，将预先调配好的液态硅胶缓缓倒入所述凸台围合的内部、所述光纤套管上面，待硅胶分散均匀后，使得硅胶表面与所述凸台表面平齐，静置2h让硅胶固化。

步骤s301中的液态硅胶可以按照模具硅胶：固化剂＝100：2的比例调配而成，用于封住第一预留孔的塞子可以是橡皮塞。

s401、将所述光纤的外接段与光纤法兰的输入接头连接，在所述光纤的外接段及光纤法兰的输入接头上面盖设底部安装在所述底座上的保护盖。

实施例三

请参阅图7，本实施例公开的一种硅胶覆盖螺旋光纤探头测温装置(参考实施例一)的应用方法，包括以下步骤：

l101、通过测温探头采集钻孔板在钻孔时的温度信号，并通过光纤法兰的输出接头输入解调仪进行解调。

l201、基于解调仪解调出的温度信号及光纤上产生该温度信号的点的位置，重构出光纤的温度场图像。

如图8所示，图8是光纤测温段分布示意图(左)及重构出的温度场示意图(右)的对比图。

步骤l101至l210为一般测温应用。

l301、选择所述温度场图像并用阈值分割，初步提取出与螺旋形刻槽区域对应的图像区域。

初步提取出的与螺旋形刻槽区域对应的图像区域如图9所示。

l401、对初步提取出的图像区域进行边缘提取，获得与螺旋形刻槽对应的螺旋形轮廓线图像。

与螺旋形刻槽对应的螺旋形轮廓线图像如图10所示。

l501、在所述的螺旋形轮廓线图像上建立直角坐标系，并通过标定板进行像素标定，得到各个坐标点上的像素点对应的长度。

例如，步骤l501中标定每个像素点代表为0.0001098866m。

l601、根据像素间隔计算像素点之间的长度。

如图10所示，步骤l601中假设a点距离b点1000个像素点，则a到b的距离为，

1000x0.0001098866＝0.1098866m，因此可用于测出两个像素点之间的距离。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。