专利名称：聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同步监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及工业生产过程中工艺参数的实时监控以及分析技术领域，具体 涉及材料成型监测装置。
背景技术：
聚合物基复合材料成型工艺过程复杂，宏观上由液态变成固态，微观上线 形高分子经聚合反应而成三维网状结构，传热过程与聚合反应互为影响的耦 合。固化度直接影响复合材料的理化性能，故可作为复合材料性能的表征指标。 成型过程中，如果加热温度过高过快，聚合反应剧烈，制品内应力大，易产生 微裂纹，强度降低。而加热温度过低，固化度不够，制品强度刚度都达不到使 用要求。可以通过调节温度来控制固化反应速率，进而控制产品固化度。因此， 需对温度和固化度进行双参量实时同步测量才能有效控制复合材料生产过程。
现有对于聚合物基复合材料生产工艺过程中的温度和固化度的检测，主要 是对温度和固化度进行单一测量。固化度的监测方法较少，其中包括动态弹簧
法、动态差示扫描量热法(DSC)、红外频谱法以及介电法等，这些方法大部分 方法都只适用于小型试件或是进行离线固化度监测，也就是只能根据基于"试 凑性实验"得到的固化规程进行生产，固化度多为对产品进行"事后"检测。 以及由于测量精度低、成本高等原因，在实际生产中并没有得到广泛应用。目 前聚合物基复合材料制造过程尚无法实时得到材料内部状态的信息，而且对于 成型过程中的固化度进行实时监测资料甚少。固化度作为衡量热固性复合材料 性能的重要指标之一，需要一种有效可靠的手段来对聚合物基复合材料生产过 程中的固化度进行监测。
随着对光纤传感技术研究的深入及其技术的日益成熟，20世纪80年代末 期，国外开始了光纤传感器监测复合材料成型工艺过程的研究，研究内容涉及 光纤对复合材料力学性能的影响、光纤埋入技术、光纤固化监测传感器、固化 信息提取与评价等各个方面。
现今，中国专利，申请号为00123120.0，公开号为CN1350174，
公开日
为2002.05.22，名称为复合材料光纤固化监测方法及专用光纤的专利中提到了 采用一根埋入的特制多模光纤首先完成复合材料工艺过程在线实时检测，然后 同一根光纤应用于材料服役期的震动检测的测量，真实实现从材料制造到使用 过程的终身多功能测量，达到固化与震动检测一体化。
已有许多学者使用光栅光纤对复合材料成型过程中的温度进行实时测量， 根据复合材料内部的温度变化情况调节生产过程中的工艺参数。但单一对温度 进行监测，只能根据已定的固化过程来对工艺参数进行调节，不能根据实际生 产过程中的产品性能指标来调节工艺参数。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的只能够对小型试件进行离线测量的缺 点和测量精度低、成本高等原因，在实际生产中没有得到广泛应用的问题，以 及不能同时对生产过程中的温度和固化度进行实时同步监测，从而不能根据固 化度来调节加热温度和加热时间的弊端，而提出了一种聚合物基复合材料成型 过程温度固化度实时同步监测装置。
本发明由激光器l、光传输线路组件2、光接收器3、传感模块6和信号 处理系统7组成；所述的光传输线路组件由隔离器2-l、第一耦合器2-2和第 二耦合器2-3组成，激光器1的输出端连接隔离器2-1输入端，隔离器2-1输 出端连接第一耦合器2-2的第一端口 2-2-1，第一耦合器2-2的第二端口 2-2-2 连接传感模块6的端口 ，第一耦合器2-2的第三端口 2-2-3连接第二耦合器2-3 的第一端口 2-3-1，第二耦合器2-3的第二端口 2-3-2和第三端口 2-3-3分别连 接光接收器3的两个输入端，光接收器3的两个输出端分别连接信号处理系统 7的两个数据输入端；所述的传感模块6由光纤折射率传感器6-1和布拉格光 栅6-2组成；光纤折射率传感器6-1和布拉格光栅6-2串联连接，光纤折射率 传感器6-1的一端连接第一耦合器2-2的第二端口 2-2-2，光纤折射率传感器 6-1的另一端连接布拉格光栅6-2的一端，传感模块6埋于待测成型材料8中。
本发明的核心是实现对聚合物基复合材料成型过程(动静态)温度与固化 度的实时同步监测。其基本工作原理是利用光调制技术，将被检测的信号通过 不同的方式叠加到通过光纤纤芯传输的载波光波上，调制过程结束后，载有被 测参数信息的信号光，经接收光纤耦合到光探测器，使光信号变为电信号，最
后经信号分析系统处理得到被测量。具体的是在一根光纤上串联连接布拉格光
栅6-2和光纤折射率传感器6-1，通过布拉格光栅6-2测量复合材料生产过程 中的温度变化，光纤折射率传感器6-l测量聚合物的固化度变化。可作复合材 料成型工艺控制优化的重要实验手段与根据。以实现提高产品性能、縮短生产 周期提高生产率、节能降低工艺成本具有重要意义。通过对复合材料生产过程 中的温度和固化度进行实时同步监测，就能知道任意时刻复合材料内部的温度 和固化度，从而根据固化度来调节加热温度和加热时间。目前所取得的研究成 果显示，光纤传感器具有良好的固化过程监测能力，与复合材料基体结合良好， 几乎不影响材料力学性能，与传统固化监测传感器相比，具有明显的优势，它 为树脂基复合材料工艺过程的监测提供了崭新的方法和手段。光纤传感器监测 复合材料固化工艺过程，多是利用它体积小、敏感度高的特点，预先埋于预浸 料铺层中来测量工艺过程参数。对于产品市场竞争的日益激烈，生产厂商都在 想方设法寻找最佳的生产工艺参数，其目的在保证产品性能的情况下尽可能的 降低产品的生产成本，从而提高产品的市场竞争能力。而采用温度和固化度的 实时同步监测方法就能在保证产品的性能达到一定要求的情况下，尽可能的降 低能耗和减少固化时间，对于聚合物基复合材料生产过程工艺参数的控制具有 十分重要的意义。
图1是本发明的结构示意图；图2是光纤折射率传感器6-l的结构示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图l、图2说明本实施方式，本实施方式由激光器 1、光传输线路组件2、光接收器3、传感模块6和信号处理系统7组成；
所述的光传输线路组件由隔离器2-1、第一耦合器2-2和第二耦合器2-3 组成，激光器l的输出端连接隔离器2-l输入端，隔离器2-l输出端连接第一 耦合器2-2的第一端口 2-2-1，第一耦合器2-2的第二端口 2-2-2连接传感模块 6的端口，第一耦合器2-2的第三端口 2-2-3连接第二耦合器2-3的第一端口 2-3-1，第二耦合器2-3的第二端口 2-3-2和第三端口 2-3-3分别连接光接收器3 的两个输入端，光接收器3的两个输出端分别连接信号处理系统7的两个数据 输入端；所述的传感模块6由光纤折射率传感器6-1和布拉格光栅6-2组成；
光纤折射率传感器6-1和布拉格光栅6-2串联连接，光纤折射率传感器6-1的 一端连接第一耦合器2-2的第二端口 2-2-2，光纤折射率传感器6-1的另一端连 接布拉格光栅6-2的一端，传感模块6埋于待测成型材料8中。光纤折射率传 感器6-1通过树脂折射率的变化改变激光功率，布拉格光栅6-2通过温度的变 化改变布拉格光栅的反射波长。
具体实施方式
二结合图1说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点在于所述的光接收器3由光栅解调仪4和激光功率仪5组成，光栅解 调仪4的输入端和激光功率仪5的输入端分别连接第二耦合器2-3的第二端口 2-3-2和第三端口 2-3-3，光栅解调仪4的输出端和激光功率仪5的输出端分别 连接信号处理系统7的两个数据输入端。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图l、图2说明本实施方式，本实施方式与具体实 施方式一不同点在于光纤折射率传感器6-1和布拉格光栅6-2串联连接的间距 为l 2cm，其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
一不同点在于光纤折射率传感器6-1是采用波长为1550nm的光纤剥离长度L 的光纤涂敷层和包层的传感器件，将剥离的传感段埋于待测成型材料8中，利 用光反射特性做成固化度传感段。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相 同。其中的光纤的波长应该与布拉格光栅的中心波长相匹配，处理包括两道工 序，第一道工序是去光纤的涂敷层，采用分析醇的浓硫酸来去除涂敷层，将一 段光纤浸入浓硫酸中约3分钟，取出之后用蒸馏水冲洗，即可把涂敷层完全去 掉；第二道工序是去光纤的包层，将一段去掉涂敷层的光纤浸入浓度为40% 的氢氟酸中，直到浸泡段光纤的直径接近纤芯直径，可以认为已把包层完全去 掉，取出之后用蒸馏水冲洗。
具体实施方式
五结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式
四不同点在于光纤折射率传感器6-l的光纤剥离长度L为10 20mm。其它组 成和连接方式与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六本实施方式与具体实施方式
一不同点在于布拉格光栅 6-2采用毛细管封装的布拉格光栅，毛细管封装起到了保护布拉格光栅的作用，
同时也提高了光栅的温度灵敏度。由于布拉格光栅波长漂移与温度变化为线性
关系，只要求得布拉格光栅的温度灵敏系数K，就能通过中心波长漂移来换算 得到温度变化。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七结合图1说明本实施方式，本实施方式与
具体实施例方式
二不同点在于激光器l、隔离器2-l、光栅解调仪4、激光功率仪5、信号处理 系统7和传感模块6之间均有接口，'为FC光纤接头，第一耦合器2-2和第二 耦合器2-3的两端接口为FC-FC光纤接头。其它组成和连接方式与具体实施方 式二相同。
具体实施方式
八本实施方式与具体实施方式
一不同点在于激光器1发射 的波长为1550nm、功率为20 30mw的激光；其它组成和连接方式与具体实 施方式一相同。激光的波长要与布拉格光栅的波长相匹配，布拉格光栅的波长 一般为1550nm，因此采用1550nm的光源。功率范围是保证光纤折射率传感 器有足够的动态监测范围(由功率仪读出的固化前与固化后的光功率之差)，只 要这个动态范围能在功率仪上明显的表示出来就可以，激光功率太大会导致浪 费或难于保证输出激光功率的稳定性，因此采用20 30mw的激光源。
具体实施方式
九本实施方式与具体实施方式
一不同点在于信号处理系统 7采用计算机数据处理系统。其它组成和连接方式与具体实施方式
一相同。
本发明基本工作原理是利用光调制技术，将被检测的信号通过光纤纤芯传 输的载波光波上，调制过程结束后，载有被测参数信息的信号光，经接收光纤 耦合到光探测器，使光信号变为电信号，最后经信号分析系统处理得到被测量。 工作时，激光器1发射一定波长的光线，经过隔离器2-l进入第一耦合器 2-2，进入第一耦合器2-2的光被分为两路， 一路进入材料成型区的传感段， 另一路空闲。激光首先进入光纤折射率传感器6-l，使激光携带了固化度信息， 然后激光再经过布拉格光栅6-2，使激光携带温度信息，携带了固化度和温度 信息的激光被布拉格光栅6-2反射回来，再进入第一耦合器2-2分成两路，其 中一路由于装有隔离器2-l，激光被拦截，另一路光再经过第二耦合器2-3分 为两路，分出来的两路分别连接光栅解调仪4和激光功率仪5，通过光栅解调 仪4读出激光波长的偏移，通过激光功率仪5读出激光的功率。最后通过波长 与温度的换算关系和功率与固化度的换算关系，就能得到任意时刻的固化度与
温度。其中，隔离器2-l起到一个保护激光器的作用，防止原路反射回来的激 光回到激光器；耦合器起到分光的作用；光栅解调仪4读出激光的波长，激光 功率仪5读出激光的功率。光纤折射率传感器6-1与布拉格光栅6-2采用了不 同的调制方法，光纤折射率传感器6-l采用的是光强调制，而布拉格光栅6-2 采用的是波长调制，两者互不影响，因此可以采用同一光源监测。
1、 布拉格光栅光纤测定固化温度原理
布拉格光纤光栅反射中心波长满足布拉格条件，艮P:
;i = 2"e#A (i)
由式(1)可知反射中心波长义随折射率"^和栅格常数A的变化而变化。而 外界温度和应变直接影响光纤光栅折射率和栅格常数，因而光纤光栅对温度和 应变的变化有响应。应变对光纤光栅的影响是由光栅周期的变化和弹光效应造 成的，温度的影响是由热膨胀效应和热光效应引起的。
式(l)的微分式，表征外界物理量作用于光纤光栅时，光纤光栅中心波长 的变化。
/1 # ;V
光纤光栅传感的基本原理是当光栅周围的温度、应变或其它待测物理量 发生变化时，将导致光栅周期八或纤芯折射率 #的变化，从而使光纤光栅的
中心波长产生位移A;^ ，通过检测光栅波长的位移情况，即可获得待测物理
量的变化情况。把(2)式写成如下形式
丁 = V + 、 Ar (3)
式中Ks为光栅的应变传感灵敏系数，Kr为光栅的温度传感灵敏系数。 可以看出光栅同时对温度和应变具有响应，即具有温度和应变交敏性。而许多 测试中我们仅需要光栅对其中一种变量有响应，因此采用封装的布拉格光栅排 除光栅本身具有的温度应变交敏性，仅对温度进行测量。
2、 光纤测定聚合物基复合材料成型工艺过程固化度原理
复合材料的固化工艺过程中，树脂发生一系列复杂的化学反应，从微观上 看都是小分子通过交联反应聚合成体形网状结构的大分子的过程。聚合物中的
每一种共价键都有一定的键折射系数，在复合材料基体固化期间，分子键发生 重组，导致材料的折射率产生变化。对固化过程中树脂折射率变化规律研究发 现，树脂的折射率是交联密度的函数，它随着固化交联反应的深化而增加。另 外，材料密度的变化也会影响折射率。而密度的变化可以反映聚合物固化过程 中从流动形态向结晶形态的转化，即分子键之间自由空间的减少，也就是粘度 的变化，因此也可以反映固化状态。所以，可以通过跟踪树脂折射率的变化获 得树脂固化度的信息。光纤中的传输光线在传感器与被测树脂接触的传感界面 不满足光的全反射条件，但仍有足够高的反射率，可以提供足够大的光功率变 化范围用以进行折射率测量。
权利要求
1、聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同步监测装置，它由激光器(1)、光传输线路组件(2)、光接收器(3)、传感模块(6)和信号处理系统(7)组成；所述的光传输线路组件由隔离器(2-1)、第一耦合器(2-2)和第二耦合器(2-3)组成，其特征在于激光器(1)的输出端连接隔离器(2-1)输入端，隔离器(2-1)输出端连接第一耦合器(2-2)的第一端口(2-2-1)，第一耦合器(2-2)的第二端口(2-2-2)连接传感模块(6)的端口，第一耦合器(2-2)的第三端口(2-2-3)连接第二耦合器(2-3)的第一端口(2-3-1)，第二耦合器(2-3)的第二端口(2-3-2)和第三端口(2-3-3)分别连接光接收器(3)的两个输入端，光接收器(3)的两个输出端分别连接信号处理系统(7)的两个数据输入端；所述的传感模块(6)由光纤折射率传感器(6-1)和布拉格光栅(6-2)组成；光纤折射率传感器(6-1)和布拉格光栅(6-2)串联连接，光纤折射率传感器(6-1)的一端连接第一耦合器(2-2)的第二端口(2-2-2)，光纤折射率传感器(6-1)的另一端连接布拉格光栅(6-2)的一端，传感模块(6)埋于待测成型材料(8)中。
2、 根据权利要求1所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同 步监测装置，其特征在于所述的光接收器(3)由光栅解调仪(4)和激光功率仪(5) 组成，光栅解调仪(4)的输入端和激光功率仪(5)的输入端分别连接第二耦合器 (2-3)的第二端口(2-3-2)和第三端口(2-3-3)，光栅解调仪(4)的输出端和激光功率 仪(5)的输出端分别连接信号处理系统(7)的两个数据输入端。
3、 根据权利要求1所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同 步监测装置，其特征在于光纤折射率传感器(6-l)和布拉格光栅(6-2)串联连接的 间距为1 2cm。
4、 根据权利要求1所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同 步监测装置，其特征在于光纤折射率传感器(6-l)是采用波长为1550nm的光纤 剥离L长度的光纤涂敷层和包层的传感器件。
5、 根据权利要求4所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同 步监测装置，其特征在于光纤折射率传感器(6-l)的光纤剥离长度L为10 20mm。
6、 根据权利要求1所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同步监测装置，其特征在于布拉格光栅(6-2)采用尽速毛细管封装的布拉格光栅。
7、 根据权利要求2所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同 步监测装置，其特征在于激光器(l)、隔离器(2-l)、光栅解调仪(4)、激光功率 仪(5)、信号处理系统(7)和传感模块(6)之间均有接口，接口为FC光纤接头， 第一耦合器(2-2)和第二耦合器(2-3)的两端接口为FC-FC光纤接头。
8、 根据权利要求1所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同 步监测装置，其特征在于激光器(l)发射的波长为1550rnn、功率为20 30mw 的激光。
9、 根据权利要求1所述的聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同 步监测装置，其特征在于信号处理系统(7)采用计算机数据处理系统。
全文摘要
聚合物基复合材料成型过程温度固化度实时同步监测装置，本发明涉及材料成型监测装置，它为了解决现有技术中只对小试件离线测量的缺点和精度低、成本高的问题，以及不能实时同步监测的弊端。它的激光器输出端通过隔离器连第一耦合器第一端口，第一耦合器第二端口连传感模块端口，第一耦合器第三端口连第二耦合器第一端口，第二耦合器第二端口和第三端口分别连光接收器两个输入端，光接收器两个输出端分别连信号处理系统两个数据输入端；传感模块中的光纤折射率传感器一端连第一耦合器第二端口，其另一端连布拉格光栅，传感模块埋材料中。它使用在线检测，根据固化度调节加热温度和时间，从而提高产品性能、生产率、缩短生产周期、节能降低成本。
文档编号G01K11/00GK101105452SQ20071007261
公开日2008年1月16日 申请日期2007年8月6日 优先权日2007年8月6日
发明者淼 刘, 谢怀勤, 陈幸开 申请人:哈尔滨工业大学