專利名稱：老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)后水分入侵的光纖光柵監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，具體涉及老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù) 后水分入侵的光纖光柵監(jiān)測方法。
背景技術(shù)：
目前對飛機服務(wù)需求的增加，迫切需要延長其使用壽命和增加對 環(huán)境的適用性。復(fù)合材料層板修復(fù)方法在老化飛機維修領(lǐng)域得到了廣 泛應(yīng)用，但限制復(fù)合材料修復(fù)技術(shù)應(yīng)用的主要原因是目前還沒有一種 合適的無損檢測技術(shù)定期監(jiān)測修復(fù)后結(jié)構(gòu)的完整性。
老化飛機結(jié)構(gòu)性能退化的主要損傷形式之一就是腐蝕破壞，其修 復(fù)過程復(fù)雜，造價昂貴，同時會影響飛機結(jié)構(gòu)的適用性與服役壽命， 導(dǎo)致災(zāi)害事故的發(fā)生。所以研究飛才幾結(jié)構(gòu)腐蝕后的^奮復(fù)，不如在其腐 蝕發(fā)生的早期階段就對其進行有效的監(jiān)測，實現(xiàn)其早發(fā)現(xiàn)、早修復(fù)。 結(jié)構(gòu)腐蝕通常與水分入4曼有^f艮大關(guān)系，水分可以作為腐蝕性離子，如 氯離子、硫酸鹽、碳酸鹽和氨基的運輸媒介，水分的存在會加速腐蝕 的逸艮，監(jiān)測水分的入侵對監(jiān)測腐蝕擴展十分必要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是彌補上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，而在老化飛機結(jié)構(gòu)和 復(fù)合材料修復(fù)層間埋入長周期光柵濕度傳感器，通過監(jiān)測光纖光柵波
長和光i普能量變化，實現(xiàn)對水分 侵監(jiān)測的目的，開創(chuàng)了老化飛機復(fù) 合材料修復(fù)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，特別是水分入侵監(jiān)測的一種新方法、新技術(shù)。
光纖光柵傳感器不受電》茲干擾、體積小、柔韌性好，能夠抵抗多 數(shù)化學(xué)物質(zhì)的腐蝕作用，同時適用于很寬的溫度范圍，所以被廣泛應(yīng) 用于各種苛刻環(huán)境下的物理或化學(xué)參數(shù)檢測，也可以作為飛機結(jié)構(gòu)不 可見部位及不便接觸部位的腐蝕檢測。
本發(fā)明通過在長周期光柵包層外部修飾具有吸水性的水溶膠涂 層，當(dāng)該涂層遇到入侵的水分時，會發(fā)生體積膨脹4吏包層折射率發(fā)生 變化，從而導(dǎo)致光柵中心波長與光鐠能力發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對入侵 水分的監(jiān)測。將該傳感器埋入老化飛機結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料修復(fù)層間，可 以對水分的入侵進行實時監(jiān)測。
本發(fā)明是通過下述步驟實現(xiàn)的
(1)配制聚乙烯醇膠液將聚乙烯醇粒子(干態(tài))和等離子水混 合配成濃度15% (重量比)的溶液，方h 9(TC烘箱保溫3小時，直到 聚乙烯粒子全部溶解。
(2) 取市售長周期光纖光柵，表面用丙酮清洗油污，用蘸涂層 法在表面涂覆聚乙烯醇涂層，涂層厚度為800nm-1. 5jum，光纖光柵 在聚乙烯醇溶液中的牽引速度為33腿/min,每涂層一次將光纖光柵 放入80。C烘箱保溫5min，重復(fù)多次。最后一次，將光纖光柵放入80 i:烘箱，保溫1小時。
(3) 長周期光纖光柵濕度傳感器標定傳感器在不同濕度環(huán)境 時，光柵透射光語損耗峰對應(yīng)的波長發(fā)生變化，^故波長和濕度的關(guān)系 曲線，對長周期光纖光柵進行標定。
(4 )長周期光柵濕度傳感器埋入老化飛機結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的修復(fù)層間，接近于損傷位置。
(5)復(fù)合材料修復(fù)層按設(shè)計要求鋪放在結(jié)構(gòu)損傷位置，埋入長 周期光柵傳感器的復(fù)合材料修復(fù)層成型采用真空袋共固化的方法。完 成一個固化周期需要幾個步驟真空壓緊、加溫、固化和降溫。固化 周期的長短由所用膠膜與預(yù)浸料決定。此次修理采用的固化參數(shù)為 升、降溫速率1. 5 ~ 3°C/min，固化時間60 ~ 90min，固化溫度120。C， 真空壓力不#<于75kPa ( 750mb)。固化完成后，冷卻到60。C以下后再 釋放壓力，拆除真空袋和分離膜。
本發(fā)明的特點在于光纖光柵傳感器與復(fù)合材料具有很好的相容 性，不會影響其力學(xué)性能。與基于FBG光柵的濕度傳感器相比，長周 期光柵傳感器的測量精度更高，對涂層材料的厚度與均勻性要求更寬 松，通過對涂層材料的優(yōu)化設(shè)計與選擇，更適合于作為水分入侵的健 康監(jiān)測。本發(fā)明方法簡單，容易實現(xiàn)。具有纟艮好的推廣前景。


圖1為本發(fā)明的工作原理簡圖。 具伴實施方式
實施例
圖l中，1、長周期光柵濕度傳感器；2、聚乙烯醇涂層；3、 復(fù)合材料修復(fù)層；4、老化飛機結(jié)構(gòu)損傷；5、老化飛機結(jié)構(gòu)；6、 光纖；7、石英護套；8、寬帶光源；9、光柵解調(diào)儀。
如圖1所示老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)后水分入侵的光纖光柵監(jiān)測 方法，其步驟如下
(1)配制聚乙烯醇膠液將聚乙烯醇粒子(干態(tài))和等離子水混合配成濃度15% (重量比)的溶液，放入90。C烘箱保溫3小時，直 到聚乙烯粒子全部溶解。
(2)取市售長周期光纖光柵6，表面用丙酮清洗油污，用蘸涂 層法在表面涂覆聚乙烯醇涂層2，涂層厚度為800nm-1. 5jum,光纖光 柵在聚乙烯醇溶液中的牽引速度為33mm/min，每涂層一次將光纖光 柵放入80。C烘箱保溫5min，重復(fù)多次。最后一次，將光纖光柵放入 8(TC烘箱，保溫1小時。
(3 )長周期光柵濕度傳感器1的光柵長度可選擇10mm, 20mm。
(4)復(fù)合材料修復(fù)層可選用碳纖維(Kevlar纖維)/環(huán)氧(雙 馬)復(fù)合材料予浸料。
(5 )長周期光纖光柵濕度傳感器1的標定傳感器在不同濕度 環(huán)境時，光柵透射光語損耗峰對應(yīng)的波長發(fā)生變化，做波長和濕度的 關(guān)系曲線，對長周期光纖光柵進行標定。
(6 )長周期光柵濕度傳感器1埋入老化飛才幾結(jié)構(gòu)5與復(fù)合材料 修復(fù)層3間，接近于飛機損傷位置4。長周期光^H顯度傳感器1通過 光纖6引出，與復(fù)合材料修復(fù)層3的接口部分用石英護套7進行保護。
(7 )復(fù)合材料修復(fù)層3按設(shè)計要求鋪放在結(jié)構(gòu)損傷4位置，埋 入長周期光柵傳感器1的復(fù)合材料修復(fù)層3成型采用真空袋共固化的 方法。完成一個固化周期需要幾個步驟真空壓緊、加溫、固化和降 溫。固化周期的長短由所用膠膜與預(yù)浸料決定。此次修理采用的固化 參數(shù)為升、降溫速率l. 5~3°C/min，固化時間60 ~ 90min,固化溫 度120。C，真空壓力不低于75kPa ( 750mb)。固化完成后，冷卻到60 。C以下后再釋放壓力，拆除真空袋和分離膜。(,8 )長周期光柵濕度傳感器1的光柵解調(diào)儀9選用MOI公司的 Si725光柵解調(diào)儀。光譜的監(jiān)測首先通過寬帶光源8發(fā)射激光，通過 帶石英護套7的光纖6傳輸?shù)介L周期光柵濕度傳感器1，然后其透射 光譜再通過光纖6傳輸?shù)焦鈻沤庹{(diào)儀9。 發(fā)明原理
長周期光纖光柵(Long period fiber grating, LPFG )傳感器的 光柵周期一般在100jum以上，它基于光纖內(nèi)滿足相位匹配條件的同 向模式之間的諧振耦合，是向前傳輸?shù)膶?dǎo)模與其它前向?qū)；蚯跋蜉?射模之間的耦合，將光波中某種頻帶的光耦合到包層中而損耗掉，因 此無后向反射。
長周期光纖光柵的諧振波長滿足關(guān)系式
^為諧振波長，《，《分別為光纖纖芯有效折射率和包層模式 的有效折射率。本發(fā)明通過在其包層的外部修飾具有吸水性的高分子 水溶膠敏感膜，達到檢測水分的目的。該膜層遇到水溶液時，發(fā)生吸 附體積膨脹，使包層的折射率發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖光柵中心波長 與光i普能量發(fā)生變化。
權(quán)利要求
1、一種老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)后水分入侵的光纖光柵監(jiān)測方法，其特征在于在老化飛機結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料修復(fù)層間埋入長周期光柵濕度傳感器，通過監(jiān)測光纖光柵波長和光譜能量變化，實現(xiàn)對水分入侵的監(jiān)測。
2、 如權(quán)利要求1所述的老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)后水分入侵的光 纖光柵監(jiān)測方法，其特征在于它是通過下述步驟實現(xiàn)的(a)配制聚乙烯醇膠液將聚乙烯醇粒子(干態(tài))和等離子水混 合配成濃度15% (重量比)的溶液，放入90。C烘箱保溫3小時，直到 聚乙烯粒子全部溶解；(b) 取市售長周期光纖光柵，表面用丙酮清洗油污，用蘸涂層 法在表面涂覆聚乙烯醇涂層，涂層厚度為800nm-l. 5 iam，光纖光柵 在聚乙烯醇溶液中的牽引速度為33mm/min,每涂層一次將光纖光柵 放入80。C烘箱保溫5min,重復(fù)多次，最后一次，將光纖光柵放入80 。C烘箱，保溫l小時；(c) 長周期光纖光柵濕度傳感器標定傳感器在不同濕度環(huán)境 時，光柵透射光鐠損耗峰對應(yīng)的波長發(fā)生變化，做波長和濕度的關(guān)系 曲線，對長周期光纖光柵進行標定；(d) 長周期光柵濕度傳感器埋入老化飛機結(jié)構(gòu)與復(fù)合材料的修 復(fù)層間，接近于損傷位置；(e) 復(fù)合材料修復(fù)層按設(shè)計要求鋪放在結(jié)構(gòu)損傷位置，埋入長周期光柵傳感器的復(fù)合材料修復(fù)層成型采用真空袋共固化的方法，完成一個固化周期需要幾個步驟真空壓緊、加溫、固化和降溫，固化 周期的長短由所用膠膜與預(yù)浸料決定，此次修理采用的固化參數(shù)為 升、降溫速率l. 5~3°C/min，固化時間60 ~ 90min，固化溫度120。C, 真空壓力不低于75kPa ( 750mb)，固化完成后，冷卻到6(TC以下后再 釋放壓力，拆除真空袋和分離膜。
3、 如權(quán)利要求1所述的老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)后水分入侵的光 纖光柵監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟(c)長周期光柵濕度傳感 器的光柵長度可選擇10mm或20mm 。
4、 如權(quán)利要求1所述的老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)后水分入侵的光 纖光柵監(jiān)測方法，其特征在于所述步驟(d)復(fù)合材料修復(fù)層可選 用碳纖維(Kevlar纖維)/環(huán)氧(雙馬)復(fù)合材料予浸料。
全文摘要
老化飛機結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)后水分入侵的光纖光柵監(jiān)測方法，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。該方法是在老化飛機結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料修復(fù)層間埋入長周期光柵濕度傳感器，通過監(jiān)測光纖光柵波長和光譜能量變化，實現(xiàn)對水分入侵監(jiān)測。本發(fā)明的特點在于光纖光柵傳感器與復(fù)合材料具有很好的相容性，不會影響其力學(xué)性能。與基于FBG光柵的濕度傳感器相比，長周期光柵傳感器的測量精度更高，對涂層材料的厚度與均勻性要求更寬松，通過對涂層材料的優(yōu)化設(shè)計與選擇，更適合于作為水分入侵的健康監(jiān)測。它能夠?qū)︼w機結(jié)構(gòu)腐蝕早發(fā)現(xiàn)，早修復(fù)。
文檔編號G01N21/41GK101576487SQ20091001202
公開日2009年11月11日 申請日期2009年6月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月15日
發(fā)明者祺 于, 盧少微, 偉 李, 武保林, 王柏臣, 馬克明, 禹 高 申請人:沈陽航空工業(yè)學(xué)院