一种基于FBG传感器的复合材料热应变测试系统及方法

本发明涉及复合材料应变测试，特别是涉及一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试系统及方法。

背景技术：

1、由于复合材料是由两种或两种以上材料组成，由于不同材料特性不同，复合材料集成了不同材料的优良特性，但在某些情况下呈现出各向异性。为了更好地掌握有关复合材料在热载荷下的应变特性，需要对复合材料热载荷下的应变进行测试。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中对复合材料在热载荷下应变测试的技术问题，本发明的一个目的在于提供一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试系统，所述测试系统包括：

2、粘贴在复合材料板上表面中心位置的第一fbg传感器、第二fbg传感器和第三fbg传感器，其中，第一fbg传感器与第三fbg传感器垂直分布，第二fbg传感器间于第一fbg传感器与第三fbg传感器之间45度的位置；

3、以及粘贴在所述复合材料板上表面靠近第三fbg传感器的位置的参考fbg传感器，粘贴在所述复合材料板下表面中心位置温度传感器；

4、所述第三fbg传感器通过光纤连接解调仪，所述参考fbg传感器通过光纤连接解调仪，所述解调仪连接连接数据处理单元；

5、所述温度传感器连接温控器，所述温控器连接数据处理单元。

6、优选地，所述测试系统还包括，粘贴在所述复合材料板下表面的聚酰亚胺加热片，用于施加热载荷。

7、本发明的另一个目的在于提供一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试方法，所述测试方法包括：

8、在复合材料板上表面中心位置粘贴第一fbg传感器、第二fbg传感器和第三fbg传感器，其中，第一fbg传感器与第三fbg传感器垂直分布，第二fbg传感器间于第一fbg传感器与第三fbg传感器之间45度的位置；

9、在所述复合材料板上表面靠近第三fbg传感器的位置粘贴参考fbg传感器，所述复合材料板下表面中心位置粘贴温度传感器；

10、对复合材料板施加热载荷，采集第一fbg传感器、第二fbg传感器、第三fbg传感器和参考fbg传感器的波长漂移，以及温度传感器测量的温度变化量；

11、通过温度-应变解耦计算第一fbg传感器、第二fbg传感器和第三fbg传感器测量的复合材料板不同方向上的应变。

12、优选地，复合材料板不同方向上的应变表述为：

13、

14、其中，εx为第一fbg传感器测量的复合材料板的横向应变，εy为第三fbg传感器测量的复合材料板的纵向应变，γxy为复合材料板的剪切应变。

15、优选地，对复合材料板施加热载荷的过程为：

16、以25℃为初始温度升温至30℃，从30℃开始以10℃为步进升温至100℃，重复3-5次，记录每次一fbg传感器、第二fbg传感器、第三fbg传感器和参考fbg传感器的波长漂移，以及温度传感器测量的温度变化量。

17、优选地，通过参考fbg传感器的波长漂移计算温度变化量，并与温度传感器测量的温度变化量对比，调整参考fbg传感器的波长漂移。

18、本发明提供的一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试系统及方法，利用fbg传感器布设三向应变花，分别测量复合材料不同方向的应变，同时根据光纤布拉格光栅传感原理布设一个参考fbg温度传感器用于温度补偿。同时粘贴pt100温度传感器作为温度测量的基准值用于评估参考fbg传感器测量温度的精度。与先现有技术相比，该方法操作简便快捷，适合用于航天器在轨运行结构热应变监测。

19、本发明提供的一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试系统及方法，采用光纤布拉格光栅(fiber with bragg grating,fbg)设计传感器布局，其中三个fbg传感器用来测量应变，一个fbg温度传感器不受力，用来测量温度以补偿温度所引起的应变误差。此外，粘贴pt100温度传感器用于对比fbg温度传感器的测温精度。

20、本发明提供的一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试系统及方法，采用光纤布拉格光栅串和单个光栅，fbg具有体积小、重量轻和抗电磁干扰等优点，适用于航天器复合材料应变在轨监测。fbg传感器中心波长可以根据实际需要选择可选其他长度，普适性较高。fbg传感器可实现对应变和温度的同时测量，用过粘贴参考光栅可实现温度-应变解耦，操作简单方便。

技术特征：

1.一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：

2.根据权利要求1所述的测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括，粘贴在所述复合材料板下表面的聚酰亚胺加热片，用于施加热载荷。

3.一种基于fbg传感器的复合材料热应变测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：

4.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，复合材料板不同方向上的应变表述为：

5.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，对复合材料板施加热载荷的过程为：

6.根据权利要求3所述的测试方法，其特征在于，通过参考fbg传感器的波长漂移计算温度变化量，并与温度传感器测量的温度变化量对比，调整参考fbg传感器的波长漂移。

技术总结
本发明提供了一种基于FBG传感器的复合材料热应变测试系统，包括：粘贴在复合材料板上表面中心位置的第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器，其中，第一FBG传感器与第三FBG传感器垂直分布，第二FBG传感器间于第一FBG传感器与第三FBG传感器之间45度的位置；以及粘贴在所述复合材料板上表面靠近第三FBG传感器的位置的参考FBG传感器，粘贴在所述复合材料板下表面中心位置温度传感器。本发明提采用光纤布拉格光栅串和单个光栅，FBG具有体积小、重量轻和抗电磁干扰等优点，适用于航天器复合材料应变在轨监测。

技术研发人员：孙广开,胡雪雯,祝连庆,何彦霖,辛璟焘,夏嘉斌,张旭
受保护的技术使用者：北京信息科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14