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1、,一种碳纤维复合材料封装的分布式光纤传感器,01,03,02,传感器原理及设计方案,设计背景,传感器制作工艺,04,传感器样品测试,05,总结,设计背景,建筑工业中,复合材料的广泛应用,交通运输方面,1,2,3,造船工业,复合材料的广泛应用,碳纤维材料具有高强度、耐高温、比重小等特点，是一种先进的复合材料，广泛应用在航空、航天。,碳纤维机翼,碳纤维螺旋桨,复合材料的广泛应用,一种碳纤维复合材料封装的分布式光纤传感器,起因,特点,创新,传感器,耐腐蚀 抗电磁干扰 重量轻、体积小、能实现无损埋设 灵敏度高 可靠性好 监测信息量大 性价比高,传感器原理及设计方案,分布式光纤监测就是在整个连续光纤的长
2、度上以距离为连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方向的变化。,02,YOUR TEXT,Click here to add your text. Click here to add your text. Click here to add your text.,03,传感器设计原理,受激布里渊散射,利昂布里渊(1889-1969): 法国物理学家，第一个描述热激发声波在固体和液体的性质及其与光的相互作用，导致光的散射。,激光光源, lo,布里渊频移： nB = 2nVA /lo nB(T,e) 取决于 温度和应变。,光纤,1、光纤是由外径125um的包层和直径9um的 纤芯组成的圆柱形细丝。
3、,2、纤芯由石英制成，光在纤芯内传输。,3、250um涂敷层保护光纤并增强光纤的机 械性能。,精确定位发生物理量改变的位置,-应变或温度对布里渊散射的影响,精确定位发生物理量改变的位置,应变对布里渊散射分量的影响 形变 e = DL/L 应变系数 =500 MHz/e,Frequency Difference, GHz,Deformation, %,应变系数 500 MHz/e,分布式光纤传感技术分辨率概念,e,T1,解调系统,分布式传感器,0m,1m,100m,1000m,30km,e,T2,传统的光纤传感器,1、采用波分复用技术，实现一根光纤上串联1个或多个传感器； 2、通过对不同波长光栅
4、进行特定封装，在一根光纤上可实现温度、应变等多参数测量；,Sensor1,Sensor2,Sensor3,Sensor n,1,2,3,n,接头1,接头2,透射光谱,入射光谱,反射光谱,1,2,n,3,设计的光纤传感器,接头1,接头2,反射光谱,1、采用分布式铺设方法，嵌入或黏贴于物体，实现一根光纤就是一个传感器； 2、通过热压封装，在一根光纤上可实现温度、应变等多参数实时测量；,设计方案-碳纤维预浸料封装“S”型分布式光纤,采用碳纤维预浸料封装“S”型分布式光纤，可嵌入复合材料内部或黏贴在物体表面。通过检测光纤传感器的中心波长实现压力、温度、加速度等多种物理量的测量，具有灵敏度高、耐高温等特
5、点。,分布式光纤传感器应用概念,嵌入复合材料内部进行结构健康监测,黏贴于复合材料表面进行应变监测,Brillouin 解调原理程,温度/应变,光增益 （光损失）,Brillouin 频率扫描,数据采集 及信号 处理,标定(温 度/应变),光电 转换,Brillouin 传感监测程,传感器制 作工艺,三,传感器的制作工艺流程前期准备,铺设光纤,裁剪预浸料,铺设光纤,预拉光纤,传感器的制作工艺流程热压封装,预热预压阶段,热压阶段,冷却阶段,传感器的制作工艺流程后期处理,胶封未热压光纤,熔接光纤接头,三,传感器制作过程,传感器制作细节,施加均匀预应力,传感器制作细节,传感光线热压,传感器制作细节,传
6、感光纤热压完成,传感器样品 测试,传感器样本加载应变测量三维模型,四,传感器样本测试,传感器样本加载应变测量实验,分布式光纤传感解调装置,分布式光纤传感器,8.8 kN,光纤承压实验,四,样品测试结果-应变分布,m=0.55kg =7.5715MHZ,m=1.508kg =7.97MHZ,预应力均匀性测试,应变计算与测量值比较,B0=157mm; L0=225mm; b0=7mm; L1=210mm; h=2mm; a=165mm P=B0h2/6L0=13215722/(6225)=61N 45# steel E=200GPa,通过,m=1.508kg =7.97MHZ,计算值与测量值几乎吻
7、合,四,样品测试结果-应变分布,测试结果分析：所制作的样本用于等强度梁的加载实验，表明光纤传感器传感段预应力均匀，有利于通过更窄频段的频率扫描，缩短测量时间。,对比实验,预应力不均匀,目前的光纤传感器的优缺点分析,Your text,传感器行业的不断进步，光纤传感器已经逐渐被应用于工业生产当中。下面我们 就光纤传感器的具 体分类及优缺点加以分析。,作用型传感器,优点：结构紧凑、灵敏度高 缺点：须用特殊光纤，成本高。,非作用型传感器,优点：无需特殊光纤及其他 特殊技术，比较容易实现，成本 低。 缺点：灵敏度较低。,本传感器的特点,采用碳纤维预浸料封装光纤，可根据要求设计成不 同大小或形状，实时监
8、测应变和温度等物理量。,1,2,3,4,采用一根光纤就是一个传感器的设计方式，做到全点监测，监测信息量大、精确度高、稳定性好。,制作工艺简单，性价比高，重量轻、体积小、能实现无损埋设，可应用于航天、汽车和造船工业等领域。,可嵌入物体内部或黏贴于物体表面进行结构健康 监测。,申请的专利,总结,创新性（1）,1.采用碳纤维预浸料进行封装，首先解决了传感器与被测对象的相容性问题，其次，可设计成形状和大小不同的外形，灵活地黏贴在结构表面或嵌入到复合材料内部如风能叶片、飞机机翼以及其他复合材料结构件，用于结构健康监测。,嵌入,黏贴,布置方式多样性,创新性（2）,2.光纤布设多样性，可以通过改变模板上绕柱相互垂直的两个方向上的间距，得到不同长度和间距的平行光纤，同时，未热压的自由光纤还作为温度监测参考，使其具备同时测量温度和应变的能力。,光纤布设多样性,五,创新性（3）,3.确保分布式光纤传感器预应力均匀，通过制作过程中恒预紧力加载，得到的光纤传感器传感段预应力均匀，有利于通过更窄频段的频率扫描，从而缩短测量时间。,欢迎各位老师指导!,智能制造与维护工作室,
