本發(fā)明涉及一種分布式光纖智能CFRP層合板的制作方法及其裝置。

背景技術(shù)：

碳纖維復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)質(zhì)輕高強(qiáng)，但由于增強(qiáng)體和基體多采用層狀熱壓成型，在受到外界的沖擊荷載或機(jī)加工時(shí)極易產(chǎn)生分層、撕裂等缺陷，屬典型的脆硬材料。隨著CFRP在飛機(jī)、風(fēng)能葉片和汽車零部件的應(yīng)用日益廣泛，對CFRP構(gòu)件和加工工藝優(yōu)化研究中，應(yīng)變的原位實(shí)時(shí)監(jiān)測尤為重要和迫切。光纖傳感器具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，適合嵌入CFRP內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)測目的。目前，較多地采用碳纖維復(fù)合材料對光纖布拉格光柵(Fiber Bragg Grating,FBG)傳感器進(jìn)行封裝，如申請公告號為CN104476831A的發(fā)明專利申請公開的一種智能碳纖維復(fù)合板，光纖光柵與CFRP絲方向平行并采用樹脂充填在各束CFRP絲與光纖光柵之間，用于鋼結(jié)構(gòu)加固修復(fù)中對載荷的監(jiān)測。其解調(diào)方式不同于分布式光纖傳感器，由于分布式光纖傳感多采用受激布里淵反射，對整段光纖進(jìn)行一定頻率范圍的掃描。當(dāng)所鋪設(shè)的光纖冗余應(yīng)力不均勻時(shí)，則易造成測試時(shí)的掃描帶寬過大，耗時(shí)，且在應(yīng)變?yōu)閯?dòng)態(tài)時(shí)檢測的難度大大增加。而FBG盡管可以做到多點(diǎn)多通道測試，但仍為點(diǎn)式測量，對大面積和密集測點(diǎn)的情形，成本和信號的解讀將更為困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件在使用中和在機(jī)加工時(shí)出現(xiàn)的缺陷和安全隱患問題，本發(fā)明提出一種嵌入分布式光纖傳感器智能CFRP板制作方法和裝置，具體采用如下技術(shù)方案：

一種分布式光纖智能CFRP層合板的制作方法：

通過對光纖傳感器的傳感部位施加一定的荷載，為光纖傳感器的傳感部位提供預(yù)緊力；

將光纖傳感器按預(yù)設(shè)路徑預(yù)緊放置在碳纖維預(yù)浸料表面，并保持至熱壓結(jié)束，實(shí)現(xiàn)光纖傳感器的均勻應(yīng)力埋入封裝。

優(yōu)選的，所述的分布式光纖智能CFRP層合板的制作方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：將熱壓機(jī)上壓機(jī)板提升到一定的高度，在熱壓機(jī)下壓板表面噴涂脫模劑，并在熱壓機(jī)下壓板上面放置具有一定纖維方向的碳纖維預(yù)浸料，并擺正；

步驟2：利用安裝在繞柱固定板上的光纖繞柱，通過繞線的方式將光纖傳感器鋪設(shè)成預(yù)設(shè)路徑，并將光纖傳感器的兩端放置在斜支架滑輪上，通過懸掛砝碼的方式拽拉光纖傳感器，為光纖傳感器的傳感部位提供一定的預(yù)緊力；

步驟3：拽拉設(shè)置完成后，在碳纖維預(yù)浸料上方鋪設(shè)另外一層具有一定角度纖維方向的碳纖維預(yù)浸料；

步驟4：重復(fù)步驟2和3，直到鋪設(shè)成預(yù)想的鋪設(shè)層數(shù)。

步驟5：在熱壓機(jī)上壓板噴涂脫模劑，并控制熱壓機(jī)上壓板下壓，設(shè)置熱壓機(jī)的下壓氣壓和溫度，保持一定的時(shí)間；

步驟6：熱壓完成后，控制熱壓機(jī)上壓板提升到一定的高度，解開光纖繞柱上的光纖傳感器，取出目標(biāo)；

步驟7：整理層合板未經(jīng)熱壓的自由光纖段，在兩層碳纖維預(yù)浸料之間涂抹樹脂使其固化其間，用于溫度傳感，同時(shí)在光纖出口處插上保護(hù)套管，保證保護(hù)套管的一端位于層合板內(nèi)，另一端延伸裸露在外部。

優(yōu)選的，所述步驟6中，光纖繞柱安裝在可合攏收縮的繞柱固定板上，熱壓完成后，通過調(diào)節(jié)相對兩排光纖繞柱之間的距離解開貼緊在光纖繞柱上的光纖傳感器。

一種分布式光纖智能CFRP層合板的制作裝置，包括熱壓機(jī)、光纖傳感器、光纖繞柱、繞柱固定板以及砝碼；

所述光纖繞柱通過所述繞柱固定板以一定間距分布在所述熱壓機(jī)下壓板周邊；通過所述光纖繞柱將所述光纖傳感器在所述熱壓機(jī)下壓板上方鋪設(shè)成預(yù)設(shè)路徑，且所述光纖傳感器的的傳感部位通過所述砝碼預(yù)緊；所述熱壓機(jī)下壓板用于放置碳纖維預(yù)浸料。

優(yōu)選的，還包括支撐架，所述支撐架包括上支撐板、下支撐板，所述上支撐板的中間空缺部分與所述熱壓機(jī)下壓板形狀匹配，并通過支撐柱設(shè)于所述下支撐板上；

所述繞柱固定板數(shù)量為兩塊，并分別通過第一滑槽及鎖緊螺絲與所述上支撐板連接，以實(shí)現(xiàn)兩塊所述繞柱固定板之間的間距調(diào)整，進(jìn)而解開貼緊在所述光纖繞柱上的光纖傳感器。

優(yōu)選的，所述繞柱固定板包括水平面板和垂直面板，所述水平面板通過第一滑槽及鎖緊螺絲與所述上支撐板連接，且所述水平面板上設(shè)有通槽，復(fù)數(shù)個(gè)所述光纖繞柱安裝于所述通槽中，以實(shí)現(xiàn)所述光纖繞柱之間的間距調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的，所述垂直面板設(shè)有第二滑槽，并通過所述第二滑槽安裝有滑輪固定架以實(shí)現(xiàn)所述滑輪固定架的水平位置調(diào)節(jié)，所述滑輪固定架設(shè)有滑輪，所述光纖傳感器的端部掛接在所述滑輪上。

優(yōu)選的，所述光纖繞柱外觀表征為具有一定高度的臺階螺絲，通過下方螺帽夾緊在繞柱固定板上方，作為光纖拐彎拉緊的支點(diǎn)，并利用其高度以同時(shí)繞不同高度的光纖傳感器，以獲得多層光纖傳感器同次鋪設(shè)后熱壓。

本發(fā)明提供的分布式光纖智能CFRP層合板的制作方法及其裝置具有如下有益效果：

①采用不同的繞線的方式能夠有效規(guī)劃出不同的光纖傳感器的鋪設(shè)路徑，具有很大的靈活性，可滿足各種不同的路徑鋪設(shè)要求。

②在光纖兩端安裝斜架滑輪，并通過懸掛砝碼的方式能為光纖傳感器提供一定的預(yù)緊力，保證光纖拉直，使其能按預(yù)設(shè)間距鋪設(shè)。

③光纖繞柱安裝在可移動(dòng)的固定板上，熱壓完成后，通過調(diào)節(jié)相對兩排光纖繞柱之間的距離能輕松解開貼緊在繞柱上的光纖。

④能夠鋪設(shè)具有不同纖維方向的預(yù)浸料，并保證光纖傳感器按纖維方向鋪設(shè)。

⑤光纖繞柱具有一定的高度，能滿足不同鋪層布設(shè)光纖傳感器的要求。

⑥熱壓完成后，未經(jīng)熱壓的繞彎光纖自由伸展，通過在兩層碳纖維預(yù)浸料之間涂抹樹脂自然固化其間，用于溫度傳感。

⑦光纖保護(hù)套管在光纖傳感部分熱壓完成后插入，一端位于層合板內(nèi)，另一端裸露在外，用于對裸光纖的保護(hù)，適合工程應(yīng)用。

附圖說明

此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中：

圖1為光纖傳感器鋪設(shè)及埋入裝置總體結(jié)構(gòu)；

圖2為支撐架結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為繞柱固定板安裝示意圖；

圖4為繞柱固定板合攏示意圖；

圖5為繞柱固定零件示意圖；

圖6為光纖繞柱結(jié)構(gòu)剖視圖；

圖7光纖豎直繞線軌跡演示(掩藏光纖繞柱頂部)；

圖8光纖角度繞線軌跡演示；

圖9預(yù)浸料擺放示意圖；

圖10預(yù)浸料鋪層角度演示；

圖11定滑輪懸掛砝碼拉緊光纖示意圖；

圖12封裝后的傳感器示意圖；

圖13所得分布式傳感器上的應(yīng)變分布，顯示為均勻分布。

圖中：光纖繞柱(2)熱壓機(jī)立柱上支撐板(4)熱壓機(jī)下壓板(5)熱壓機(jī)底座(6)支架下支撐板(7)斜支架滑輪砝碼(9)光纖傳感器繞柱固定板(11)熱壓機(jī)升降按鈕滑輪固定架支撐柱(14)繞柱固定板鎖緊螺絲方形碳纖維預(yù)浸料熱壓機(jī)上壓板(19)外露光纖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對本發(fā)明的限定。

實(shí)施例：

如圖1所示，一種分布式光纖智能CFRP層合板的制作裝置，包括熱壓機(jī)、光纖傳感器9、光纖繞柱1、繞柱固定板10以及砝碼8，其中熱壓機(jī)包括由立柱連接的熱壓機(jī)下壓板4及熱壓機(jī)上壓板；所述光纖繞柱1通過所述繞柱固定板10以一定間距分布在所述熱壓機(jī)下壓板4周邊；通過所述光纖繞柱1將所述光纖傳感器9在所述熱壓機(jī)下壓板4上方鋪設(shè)成預(yù)設(shè)路徑，且所述光纖傳感器9的的傳感部位通過所述砝碼8預(yù)緊；所述熱壓機(jī)下壓板4用于放置碳纖維預(yù)浸料。

如圖2所示，本實(shí)施例方案中，還包括支撐架，所述支撐架包括上支撐板3、下支撐板6，支架下支撐板66通過自攻螺釘固定的方式安裝在熱壓機(jī)底座5兩側(cè)，所述上支撐板3的中間空缺部分與所述熱壓機(jī)下壓板4形狀匹配，并通過支撐柱13設(shè)于所述下支撐板6上，其他地方預(yù)留一定的空槽空間，保證繞柱固定板1010移動(dòng)時(shí)不發(fā)生干涉；如圖3所示，所述繞柱固定板10數(shù)量為兩塊，并分別通過第一滑槽及鎖緊螺絲與所述上支撐板3連接，如圖4所示，以加熱完成后，松開鎖緊螺絲實(shí)現(xiàn)兩塊所述繞柱固定板10之間的間距調(diào)整，進(jìn)而解開貼緊在所述光纖繞柱1上的光纖傳感器9。

如圖5所示，作為上述實(shí)施例方案的改進(jìn)，所述繞柱固定板10包括水平面板和垂直面板，所述水平面板通過第一滑槽及鎖緊螺絲與所述上支撐板3連接，且所述水平面板上設(shè)有通槽，復(fù)數(shù)個(gè)所述光纖繞柱1安裝于所述通槽中，可以根據(jù)不同的需要將光纖繞柱11移動(dòng)到通槽中的任意位置，以實(shí)現(xiàn)所述光纖繞柱1之間的間距調(diào)節(jié)，滿足鋪設(shè)路徑的光纖繞柱1位置要求。

作為上述實(shí)施例方案的改進(jìn)，所述垂直面板設(shè)有第二滑槽，并通過所述第二滑槽安裝有滑輪固定架12以實(shí)現(xiàn)所述滑輪固定架12的水平位置調(diào)節(jié)，所述滑輪固定架12設(shè)有滑輪，所述光纖傳感器9的端部掛接在所述滑輪上。

如圖6所示，本實(shí)施例中，所述光纖繞柱11外觀表征為具有一定高度的臺階螺絲，通過下方螺帽夾緊在繞柱固定板1010上方，作為光纖拐彎拉緊的支點(diǎn)，并利用其高度以同時(shí)繞不同高度的光纖傳感器9，以獲得多層光纖傳感器9同次鋪設(shè)后熱壓。

圖7為光纖豎直繞線軌跡演示掩藏光纖繞柱1頭部，并排光纖繞柱11之間的距離為2倍繞柱直徑，對面為錯(cuò)開一個(gè)繞柱直徑距離，繞柱之間距離同樣為2倍繞柱直徑的并排繞柱，通過圖中的繞線方式即可完成豎直方向的光纖布置?？筛鶕?jù)實(shí)際需求，合理布置光纖繞柱11的位置，完成光纖軌跡的預(yù)設(shè)布置。

圖8為光纖角度繞線軌跡演示，光纖繞柱1的位置同圖7一致。對于一些特別的繞法，如需用到側(cè)面的繞柱，則側(cè)面的光纖不能隨著合攏收縮繞柱固定板1010而松開，拆開光纖時(shí)需要將光纖繞柱11拆下才能取出。

圖9為預(yù)浸料擺放示意圖示意圖，預(yù)浸料15鋪放在熱壓機(jī)下壓板4的上，其中預(yù)浸料15的寬度大于下壓板4的寬度。在熱壓的過程中，預(yù)浸料15和光纖傳感器9只有在下熱壓板的部分被熱壓，如圖中，光纖傳感器9的虛線部分。熱壓完成后，將光纖傳感器9未熱壓的部分放進(jìn)兩端預(yù)浸料未被熱壓區(qū)域內(nèi)，并通過膠水封裝保護(hù)外露的光纖。

圖10為預(yù)浸料鋪層角度演示，預(yù)浸料裁剪成具有不同纖維方向的方形形狀，如圖所示可以鋪設(shè)成每層具有一定纖維方向的預(yù)浸料，并可在預(yù)浸料的層間鋪設(shè)具有不同軌跡的光纖傳感器9。

圖11為定滑輪懸掛砝碼8拉緊光纖示意圖，滑輪固定架12通過螺絲鎖緊的方式固定在繞柱固定板1010側(cè)面的滑槽上，斜支架滑輪7安裝在滑輪固定架12上，可根據(jù)需求適當(dāng)移動(dòng)滑輪固定架12的位置。鋪設(shè)完成后的光纖傳感器9的兩端則通過粘膠布等方式與砝碼88固定在一起，然后砝碼8豎直放置，拉緊光纖兩端。

圖12封裝后的傳感器示意圖；未被熱壓的外露光纖19被封裝在未被熱壓的預(yù)浸料內(nèi)部。

圖13為所得分布式傳感器上的應(yīng)變分布，顯示為均勻分布。

上述實(shí)施例方案中提供的一種分布式光纖智能CFRP層合板的制作方法，通過對光纖傳感器9的傳感部位施加一定的荷載，為光纖傳感器9的傳感部位提供預(yù)緊力，將光纖傳感器9按預(yù)設(shè)路徑預(yù)緊放置在碳纖維預(yù)浸料表面，并保持至熱壓結(jié)束，實(shí)現(xiàn)光纖傳感器9的均勻應(yīng)力埋入封裝。

具體而言，本發(fā)明分布式光纖智能CFRP層合板的制作方法，包括以下步驟：

步驟1：將熱壓機(jī)上壓機(jī)板16提升到一定的高度，在熱壓機(jī)下壓板44表面噴涂脫模劑，并在熱壓機(jī)下壓板44上面放置具有一定纖維方向的碳纖維預(yù)浸料15，并擺正；

步驟2：利用安裝在繞柱固定板1010上的光纖繞柱11，通過繞線的方式將光纖傳感器9鋪設(shè)成預(yù)設(shè)路徑，并將光纖傳感器9的兩端放置在斜支架滑輪7上，通過懸掛砝碼88的方式拽拉光纖傳感器9，為光纖傳感器9的傳感部位提供一定的預(yù)緊力；

步驟3：拽拉設(shè)置完成后，在碳纖維預(yù)浸料上方鋪設(shè)另外一層具有一定角度纖維方向的碳纖維預(yù)浸料；

步驟4：重復(fù)步驟2和3，直到鋪設(shè)成預(yù)想的鋪設(shè)層數(shù)。

步驟5：在熱壓機(jī)上壓板24噴涂脫模劑，并控制熱壓機(jī)上壓板16下壓，設(shè)置熱壓機(jī)的下壓氣壓和溫度，保持一定的時(shí)間；

步驟6：熱壓完成后，控制熱壓機(jī)上壓板16提升到一定的高度，解開光纖繞柱11上的光纖傳感器9，取出目標(biāo)。

步驟7：整理層合板未經(jīng)熱壓的自由光纖段，在兩層碳纖維預(yù)浸料之間涂抹樹脂使其固化其間，用于溫度傳感，同時(shí)在光纖出口處插上保護(hù)套管，保證保護(hù)套管的一端位于層合板內(nèi)，另一端延伸裸露在外部。

上述實(shí)施例方案的所述步驟6中，光纖繞柱11安裝在可合攏收縮的繞柱固定板1010上，熱壓完成后，通過調(diào)節(jié)相對兩排光纖繞柱11之間的距離解開貼緊在光纖繞柱11上的光纖傳感器9。

以上對本發(fā)明實(shí)施例所提供的技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)介紹，本文中應(yīng)用了具體個(gè)例對本發(fā)明實(shí)施例的原理以及實(shí)施方式進(jìn)行了闡述，以上實(shí)施例的說明只適用于幫助理解本發(fā)明實(shí)施例的原理；同時(shí)，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，在具體實(shí)施方式以及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處，綜上所述，本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。