《外文翻译副本DOC》由会员分享，可在线阅读，更多相关《外文翻译副本DOC（18页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、评估弯曲应变测量在复合帆船船首斜桅与嵌入式光纤布喇格光栅Raffaella Di Sante*, Lorenzo Donati, Enrico Troiani, Paolo Proli 母校Studiorum-博洛尼亚大学工业工程部门-DIN,MaSTeRLab， 通过囟门40、Forli FC 47121年，意大利。文献信息文章历史：2013年10月22日收到2014年4月9日收到修订版2014年4月18日审核通过了2014年4月30日传到网上关键词：FBG光纤光栅嵌入式传感器应变测量海洋复合结构高压蒸汽养护文献综述Acrylate-coated光纤布喇格光栅（fbg）嵌入在船首斜桅帆船制造
2、管状部分使用高压 真空装袋过程和现实的加载条件下测量的目的菌株。为了建立一个有效的过程传感器集成、平面拉伸标本与嵌入式传感器首先产生在不同处理条件下，使用先进的复合材料用于海洋工业。信息以这种方式被用来制造一艘帆船船首斜桅与数组 之间的光栅嵌入式内弯。为了评估嵌入式传感器的灵敏度和准确性，船首斜桅受到弯曲测试，结果比较分析值和数据粘贴应变片电。结果是非常令人鼓舞的，但显示,必须十分注重一体化进程和嵌入式的原位校准传感器。?2014爱思唯尔有限公司保留所有权利1、引言复合材料,尤其是碳纤维增强塑料复合材料，目前广泛正在很多领域用来建设 轻，耐用和结实的结构。然而由于建模的复杂性，以及需要用来来预
3、测一些力学行 为，人们急需有效可靠的监测系统来改善结构设计，维护，性能和安全问题1、2o近年来，光纤传感器凭借他们的亮度、重量，耐用性和对电磁干扰的不敏感性 为不同力学参数的实时监控显示出了巨大的潜力。此外 ，由于尺寸小，他们还很 适合嵌入纤维复合材料。至于检测表面或内部压力的复合材料而言，光纤布拉格光栅（fbg）是最常用的 光纤传感器，但是他们的性能很可能会受到嵌入过程和周围物质的存在的影响。 因此，对它必须要准确地估计。实际上，当将光纤布拉格光栅传感器集成到以纤维 为基础的复合体内，由于机械和热气压力，制造过程实际上引入了许多问题，可 能损坏传感器或改变他们的性能【3、4】。例如，因为随着
4、嵌入纤维产生的局部 集中的和分散的压力导致的光学损失 可能会降低信噪比值，而这在测量长距 离时可能是至关重要的，比如在大型结构的情况下。另外，剩余压力可能会产生双折射影响，并使得嵌入式传感器的布拉格谱峰裂开4。此外，还会在结构中形成压力度,从而随光栅长度影响频率宽度和决定波长的偏移。比如承受弯曲荷载 的结构，就是这样的。本文打算通过制造复合可拉伸试样的嵌入式光纤光栅和一个典型的航海结 构,即嵌入光纤光栅阵列的船首斜桅来研究这些关键问题。特别是，基于先前对利用在高压蒸汽的真空包装技术来产生拉伸先进复合材料的生产过程的调查研究， 以及对于在制成的样本和嵌入式光纤的介绍，扩充,和对引入的光学损失例如
5、微弯 8以及可能存在的残余横向压力导致变形的布拉格光谱的探讨3,9 o不同于往常采用光学频谱分析仪（OSA）（见8例如）,光学损失评估使用了 OTDR（光时域反射 计）和OLCR（光学低相干反射计）技术等强大的方法来确定损失与高分辨率的返 回损失空间分布。此外，对调查样本进行了拉伸和三点弯曲测试来评价嵌入后的 压力传递，这实际上（3、6）至关重要。基于拉伸样本的结果，特别是对于影响制造工艺参数的因素，最后被用来生 产嵌入式光纤光栅阵列的船首斜桅。OTDR技术再次被用来评估光学损失和可能 的光谱变形。最后要进行弯曲测试，通过分析和测验来自压力粘贴片的参考数据 来评估压力传递，从而校正与嵌入式光纤
6、光栅在弯曲荷载条件有关的需要进行精 确测量的因子的值。这项工作是与瑞芭复合材料公司一一意大利舰队制造业的一家公司紧密合 作的，他具备了先进的复合结构，汽车和航空航天工业应用和Sestosensor srl,从 属于意大利中小企业与相关专业知识在光纤传感器发展民用部门，其目的是验证中利用光纤来可靠监控工业环境产生的复合材料的有效性。2、材料和方法2.1拉伸试样为了研究工业生产过程的效果和对光纤布喇格光栅的嵌入的相关参，首先进行拉伸试样生产和测试（参见图1）。通过不同温度（90 and120摄氏度）和3 bar 下的真空包装技术下的高压蒸汽制造出不同碳纤维增强塑料层压制品。在固化之前，检测有光纤布
7、喇格光栅两个不同的涂料的标本 （丙烯酸酯和聚酰亚胺）涂在样 品表面或嵌入样本。传统的电压力粘贴片是贴装在标本的表面，并用用作参考比 较。更多的标本细节在制造业报告书里7。在120摄氏度下涂有丙烯酸酯的传感器失败了C,而涂有聚酰亚胺的光栅能够承受的最高温度。此外，需要特殊的技术解决方案以保护材料中纤维进出点，同时也要住意纤维可能会在层压板外破损或者在特殊的英镑套筒或用于保护纤维 和纤维本身的聚四氟乙烯箔之间的接口。成品后，检测布喇格光栅的光谱，在这里， 通过使用光学频谱分析仪和纤维内部的光学损失检查可能的变形，传感器通过 OLCR技术得到高空间的和光谱的测量。最后,对样本进行拉伸和三点弯曲测试。
8、2.2船首斜桅制造和测试小样本后，嵌入的过程获得的信息和传感器性能被用来产生一个 复合船首斜桅,即从船的船首伸展出来的杆,通常称为臂或gennaker提供支持。 用于高压下生产船首斜桅的复合材料是GG630T-DT120-37， pre-preg 600 g /毫米2密度和织物输入一个东丽T700类型2 ?2斜纹组织。船首斜桅有100毫 米吗?80毫米（100 mm ? 80mm ），矩形空心截面为4.6毫米宽,2米长。图1复合材料拉伸试样的例子根据 ASTM 3039标准生产,使用嵌入式光纤布拉 格光栅和surfacemounted电子应变计。在高压蒸汽固化前，带有光栅的光纤列阵被放置在船首
9、斜桅内的最后两个板 层之间,如图2所示。光纤传感器是根据不同的配置来安置的，即两个系列的光纤 光栅传感器（10毫米长的）彼此之间是间隔0.5米，并且一个从100mm宽的一边 嵌入而另一个从宽80mm的那边嵌入，最后两个单光纤光栅传感器被放置在剩下 的那边。单一传感器和两个系列的中央传感器在光纤光栅的都精确地安置在在船 首斜桅的中心。在图2中展示的传感器配置。所有的八个传感器都是涂有丙烯酸 酯的。为了获得参考测量值用来和拉伸样本作比较，同等数量的电压力粘贴片附着在光栅之上，其位置如图2所示。基于传感器、电子计量器和 FBG有着相同 的检测长度（10毫米）、且在大多数传感器的材料里都既没有明显的横
10、向和纵向压 力或者压力梯度的事实，上面所说的比较成为可能。事实上，压力计量器具有减小横向变形的内在的能力，并且如果有纵向梯度，提供计量器的传感长度的一个平 均值，则可以与准确度较低但可以提供关于偏差偏差的重要的信息的光传感器进 行直接的比较。图2光纤埋入，粘贴应变片传感器配置,表面贴装电气和光学纤维从船首斜 桅出口2&i.= 1551.1H13A1=-31-36EmftittihM FBG-4.L015491550155115521S531554Wsvelengthi nm(a)-501534153915441549Wavelength nm1554155905-0505 -1-2-Z-3-3
11、-4-4mp】莖芯0_t(e(b)图3布喇格光纤光栅光谱嵌入在船首斜桅的拉伸试样(a)和(b)0-SO&00-林-W-HH冒SCO5R*jFMwNeflliT IITiFAphallideieior(adistance from 0L0R source EnnintStrtisptlerlibrr wwrlnl、mablr c|#*cal 女吗 lahi ffirfMb.)TOO000900All!&0O700300DiitAhee frewn pLCR furte mm1A4D甸图4光学的基本检测方案Low-Coherenee反射计用于这项工作（a）和色散 （b（左）/反射率（b,右）的纤维
12、和传感器嵌入到拉伸试样。另外，对于船首斜桅，制造过程也是在95 C的高压蒸汽的下的真空包装技 术和3 bar的气压下进行,非常类似于因为丙烯酸酯的纤维和传感器而产生了很 好结果的小样本。所有纤维材料的进出点都用了合适的金属加强护套保护。就像 在图2中可以看到的一样，这些点被放置的离船首斜桅尾部有一定的距离，目的是为了能够完成随后的边缘表面，这也是最终产成品通常需要的。004oo3000Strain gm/m(a)DoEUJUJa*=0,74910.017 卜 A -I o Q o o- o o 00-062-e 41000 2000Strain jim/m3000(h)图5拉伸试验的表面贴装式
13、光纤布拉格光栅（a）和嵌入式光纤光栅（b）3. 结果与讨论3.1布拉格光谱和光学损耗测量集成材料中的光学纤维的可以生产光学损失，因为在制造过程中会产生电压。事实上，聚合那些基质所要求的高温高压可以引起纤维变形，从而产生由微小形变损 失而引起的光衰减。尽管对光栅波长的估计是在当涉及到长结构如船桅杆（可以达到40米）时，压力信息就会被编码的频域内，但评估信噪比是否仍足够高到可 以进行高质量的测量依旧很重要，即要求信噪比高。此外，由于频谱不对称的残余 压力，嵌入过程可能引入布拉格光栅的变形9。在这种情况下，涂层在避免由于双折射而产生峰顶断裂的现象起着根本性的作用。不过，当残余压力剖面特别不规则时，因
14、为光栅发生不均匀的形变会导致频谱带宽被放大放大，因此反射回来的波长也一样。因此，检查嵌入光栅的光谱，以确保他们嵌入后没被扭曲是很重要 的。图6对拉伸试验装置的弯曲测试标本10W* SB1D01&02 DOLoad (a)25002丽kQ期15M -*01DD 150 iQQ 250 30035DLoad PIEUAUaA; 0.610.002濒 WOO 1W0 2000 2500 3000Strain pm/irn图7弯曲试验的嵌入式光纤光栅(a)和表面贴装式光纤布拉格光栅(b)与表面贴装电相比应变计(SG)和表面贴装式光纤布拉格光栅计算计的因素图8试验装置的弯曲测试船首斜桅和加载配置首先，使
15、用光学光谱分析器测量光谱，结果如图3所示。图3(a)显示了嵌入在一个可拉伸的样本的具有丙烯酸酯涂层的光纤布喇格光栅在嵌入之前和之后 的光谱。在另一个样本中没有显示出有扭曲，这就证明在那种温度和压力的高压 锅炉的加工过程为光栅的性能提供了良好的保护。此外，在这个案例中，通过布拉格顶峰的所呈现的波长位移的公称值可以假设成用通过高压锅炉程序后的样 本进行实验所产生的纵向残余压力。在这种情况下，比如像案图3(a)所示,213海里的移动大约对应176。而图3(b)则显示了嵌在船首斜桅全部序列的光谱。同样，可以看出，在相同 压力和温度的高压锅炉下，涂有丙烯酸酯的光栅的光谱既没有断裂也没有扩大。 在这种情况下残余压力是起反作用的，这是由于制作过程中采用了不同的模具。 事实上,用于加工船首斜桅的模具四周都是密封的，这使得的树脂在融化
