| 单词 | 复合材料固化传感器 |
| 释义 | 【复合材料固化传感器】 复合材料特别是纤维增强复合材料已成为一种理想的航空航天结构材料，其应用范围越来越广。复合材料固化传感器是一种监测复合材料不同固化状态(固化压力、固化时间、固化温度)固化程度(或称固化度)的新型传感器，随着材料科学及相关学科的发展，已产生多种新型固化监测技术，其中包括电容、超声、荧光、涡流、机械阻抗和光纤等技术，并研制开发出数种固化传感器，至今已有电容式、超声式、荧光式、涡流式、机械阻抗式和光纤式等固化传感器。 电容固化传感器以复合材料作电容器的电介质，极板电容作为传感器的输出。测试过程中，当对复合材料加热固化时，不同的固化状态，产生不同的离子电导率值，从而得到不同的极板电容值，通过测量此电容值，复合材料监测的固化度。此传感器灵敏度高、适应性强、结构简单，应用较广，特别适用于复合材料纤维缠绕浸胶含量的监测(如固体火箭发动机壳体缠绕含胶量的测试)和复合材料薄片试件固化过程的监测。主要缺点是：易受外界干扰的影响，实际使用时必须采取相应防干扰措施，难于对形状复杂的复合材料构件进行固化监测。超声固化传感器的发射器发射的超声波作用于不同固化状态的复合材料，接收器上的探头探测被反射回来的声波信号，监测复合材料的固化度。此传感器的敏感机理较为成熟，同时具有非接触测试特点，适用于监测复合材料构件的固化过程，但受被测件表面形状和外界干扰影响较大，有时很难确定传感器输出信号与复合材料固化度间的关系曲线。荧光固化传感器也称荧光光纤固化传感器，以光纤荧光计为基础，其工作原理是激发光源发出的光经激发单色器产生单色激发光激发固化的复合材料，受激的复合材料发射荧光，此荧光光强与复合材料固化度存在某一确定关系，通过测量荧光光强的变化，监测复合材料的固化度。由于受激发射产生的荧光信号较弱，因而必须采用大强度的激发光源和信号放大器，同时为了减少干扰影响，发射的荧光必须通过发射单色器，取出某一波长的荧光，从而提高测试精度。由于采用光纤探头并利用光纤传送受激光和发射光，因而此探头既可位于材料表面又可插入材料内部，所以可以监测复合材料表面和内部的固化度。但此传感器也难于监测大型复合材料和复合材料构件。涡流固化传感器的工作原理是电涡流效应，主要由激磁线圈和电感测试系统组成。在固化测试前，首先在复合材料薄片试件表面上粘贴金属膜片，然后将此试件置于激励线圈底下，并与线圈保持适当距离，固化过程中，被测复合材料试件升温固化时，其试件厚度发生变化，从而引起激励线圈的等效电气参数(通常指电感)发生变化，则通过测试等效电感大小即可得知材料试件厚度的变化，进而测出复合材料的固化度。此传感器结构简单，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强，同时具有非接触测量等特点，因而近年来受到广泛重视和应用。但此传感器在测试中要求在复合材料试件表面粘贴膜片，因而难以监测大型复合材料和复合构件的固化度。机械阻抗固化传感器是通过测试复合材料动力学特性而实现固化监测的，主要由电磁激振器和阻抗头组成。对复合材料施加机械激励则产生相应的激励响应。复合材料升温固化时，不同的固化状态将产生不同的激励响应，借助快速付立叶变换仪，将此激励响应由时域信号变成频域信号，得到包含复合材料动力学性能，通过测量材料储存模量、损失角正切的频率变化监测固化状态。机械阻抗固化传感系统由于能直接测试出材料不同固化状态的动力学性能，且不受被测试件结构形状和尺寸大小的限制，因而此传感系统具有：对材料固化状态有较高的灵敏响应；可进行材料固化周期的设计，为新型材料提供合理的固化状态；适用于复合构件制造过程的在线、无损固化监测；在复合构件制造过程中，能实时地提供不同固化状态下构件的动力学特性，从而保证构件的固化质量等特点，是一种较为理想的固化监测系统。光纤固化传感器机理及特点如下：(1)工作机理。利用已固化好的复合材料基底(如：环氧树脂制作敏感光纤)，在复合材料缠绕过程中，将此敏感光纤埋入其中，在固化过程中，复合材料基底折射率与敏感光纤折射率差值发生变化，以改变敏感光纤中的传输波导数，从而引起接收光强的变化。对于复合材料，在固化过程中，随着温度的升高，其固化程度加深，基底材料的折射率逐渐增大，由于敏感光纤埋在基底之中，同时敏感光纤是用已固化好的基底材料拉制成的，其折射率恒定且较未固化好的或部分固化的基底材料折射率要大，则随复合材料固化过程的进行，敏感光线与基底材料折射率差值逐渐减小，复合材料完全固化后，则两者折射率差值为零。由纤维光学理论可知，当光波在敏感光纤内传播时，由于敏感光纤与其接触的基底材料折射率值不同，则存在着菲涅耳反射，其反射损耗与两者折射率差值有关，随折射率差值的减小，敏感光纤数值孔径逐渐减小，其内传输的光波导数也逐渐减小，菲涅耳反射损耗越大，那么敏感光纤输出光强信号就越弱，当折射率差值为零时，菲涅耳反射损耗达到最大，输出光强信号为零。通过测试敏感光纤输出光强信号的大小，监测复合材料固化状态。(2)结构特点。主要由光源、发射光纤，敏感光纤、接收光纤、光电接收器等组成。其中光源可用850nm的发光二极管，发射光纤、接收光纤均为外涂聚合物的石英光纤，敏感光纤是用完全固化好的环氧树脂基底材料拉制而成，光电接收器可用PIN光电二极管，各部分间均采用对接连成一体。该光纤固化传感器结构简单、灵活、所用元器件均为常规元件，制作方便，是一种较为理想的固化监测传感器。(3)传感器的标定。为了确定传感器输出光强与复合材料固化度间的定量关系，采用了差式扫描量热计(DSC)。在固化测试前，另制作一复合材料试件2，试件2与试件1采用相同材料，其内未埋敏感光纤，将试件2置于差式扫描量热计中。然后对试件1、试件2采用相同固化条件同时升温固化，则光纤固化传感器输出光强、差式扫描量热计热量输出示值同时发生变化。两者间一一对应，根据热效应原理，经过转换，即可确定出传感器输出光强与复合材料固化度间的定量关系。(4)测试特点。与其它固化传感器相比，突出的优点是：光纤固化传感器使用过程中无需绝对测量复合材料固化温度，对不同材料、不同固化温度无需进行繁琐的校验；由于光纤固化传感器体积小、重量轻、与复合材料有良好的兼容性，使得光纤传感器能埋在复合材料内，能对复合材料和大型复合结构的固化过程实现高灵敏度的在线监测，同时埋入的光纤传感器对复合结构的使用过程还能进行在线监测，因此，是一种较理想的固化传感器。制作复合材料的过程就是制作复合材料构件的过程，复合材料的固化监测也就是复合材料构件的固化监测。目前的固化传感器只是停留在对复合材料试件和复合材料薄片的固化监测研究上，而复合材料由于各向异性的特点，对试件或薄片进行的固化监测往往难于保证其复合构件的固化质量，因而必须对复合材料构件的固化过程进行监测。随着材料科学和光纤传感技术的发展，光纤与复合材料表现出良好的相容性。内埋光纤的灵巧结构、灵巧蒙皮正逐渐形成，光纤固化传感器和采用OTDR(光时域反射计)技术的分布式光纤固化传感器已成为复合材料和复合构件固化监测的发展目标。利用此传感器不仅能实现复合材料薄片和复合材料构件的单点、多点固化监测，同时还可以实现连续、实时在线固化监测；不仅能实现大型复合材料构件(如：航天飞机、航天飞行器等)的固化监测，同时还可以实现其使用过程的监测，因而开展光纤固化传感器的研究具有重大意义。(航空航天工业部四十四研究所余宏发撰) |
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