基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统及监测方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测方法及传感系统，属于复合材料结构健康监测领域。该方法将SiC类复合材料服役过程中的SiC氧化状态监测分为两个方面，即针对SiC物质氧化中碳氧反应进程的监测以及针对SiC物质氧化中硅氧反应进程的监测，分别从C、Si两个方面对SiC物质的氧化进程进行监测，提高了SiC类复合材料氧化损伤监测传感系统的有效检测精度。该传感系统包括计算机、光谱分析仪、宽带光源、LPFG碳化硅物质氧化传感探头、光纤耦合器、光纤连接器、光开关和传感光纤。本发明实现了对SiC类复合材料中SiC物质氧化状态的实时在线监测。
【专利说明】
基于LPFG传感特性的S i C物质氧化状态监测传感系统及监测方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统及监测方法。
【背景技术】
[0002]C/SiC复合材料是以碳纤维作为增强材料，以SiC等作为基体材料，使用各种先进加工成型方法制备而成的性能优异的复合材料，解决了单一材料无法解决的技术难关，是目前最受重视的高性能材料之一，具有密度低、比强度高、比模量高、可设计性好、易于成型等优点，广泛应用于航空航天、船舶、风力发电、建筑、化工等众多领域。然而，该类材料在制造和长期的服役过程中，可能产生内部断点、裂纹、脱层等形式的结构损伤，若不及时发现和采取相应维护措施，将会导致整个结构的迅速破坏，造成重大事故隐患。氧化损伤是复合材料主要损伤形式之一，对氧化损伤的监测研究具有积极意义。
[0003]目前无损探测碳纤维复合材料结构断裂状态的方法包括射线探测法、超声波探测法、声发射探测法等。射线探测法的优点是图像比较直观、对缺陷尺寸和性质的判断比较容易，但其对微小裂纹的探测灵敏度低，探测费用较高。超声波探测法具有可探测厚度大、检测灵敏度高、成本低等特点，但其探测时有一定的近场盲区，且探测试件易被污染。与上述探测方法相比，声发射探测具有灵敏度高，检查覆盖面积大，漏检率低及可在被测试件运行中进行探测的优点，因此，该方法被广泛应用于碳纤维复合材料结构的损伤监测，是复合材料健康监测领域现阶段乃至将来一段时期内的主流技术。
[0004]由于光纤传感系统具有质量轻、体积小、耐腐蚀、易于远程遥测和实现分布式测量等优点，使得基于光纤传感的复合材料结构健康监测技术成为当前国内外航空领域研究者们重点关注的新热点。20世纪70年代，美国弗吉尼亚理工学院州立大学的Claus等首次把光纤埋入了增强复合材料碳纤维，使得材料具有传感和探测断裂损伤的功能。随后，格鲁门公司采用光纤光栅传感器监控F-18机翼的损伤和应变，马丁公司把光纤光栅传感网络应用在X-33航天飞机的应力及温度监控上，DALTA Π火箭的复合材料发动机箱上应用了基于光纤光栅传感器网络的健康监测系统。但上述应用均未实现对碳纤维复合材料腐蚀状态的监测。
【发明内容】
[0005]为了解决上述问题，本发明提供一种基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统及监测方法。
[0006]为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，包括宽带光源，I XN型光纤耦合器，光纤连接器，传感光纤，LPFG碳化硅物质氧化传感探头，N X I型光开关，光谱仪和计算机;所述I X N型光纤耦合器包括一个I X N型光纤耦合器输入端和N个I X N型光纤耦合器输出端，其中I XN型光纤耦合器输入端与宽带光源相连，N个I XN型光纤耦合器输出端通过光纤连接器和传感光纤分别与不同探测位置的LPFG碳化硅物质氧化传感探头的输入端相连;N个LPFG碳化娃物质氧化传感探头的输出端分别与NX I型光开关的输入端相连，NX I型光开关的输出端与光谱仪相连，所述计算机和光谱仪相连，通过计算机实现数据采集与N XI型光开关的光路切换。
[0007]所述LPFG碳化硅物质氧化传感探头包括设在传感光纤内部的纤芯、设在纤芯内部的传感栅区以及设在LPFG碳化硅物质氧化传感探头表层的SiC物质敏感膜，利用传感栅区对光的透射作用，将传输过来的特定波长光耗散掉，通过SiC物质敏感膜的消耗反应实现对SiC物质氧化状态的监测。
[0008]为了进一步提高检测的准确性，所述LPFG碳化硅物质氧化传感探头通过与IXN型光纤耦合器和NX I型光开关的组合结合为多个探头分布的并联网络排布。
[0009]上述传感系统，包括LPFG碳化硅物质氧化传感装置，上述装置内部均有配套的传感方案，进而实现对SiC物质氧化状态的监测;LPFG碳化硅物质氧化传感探头与被测SiC类复合材料试件之间采用局部胶接耦合，以保证LPFG传感探头与SiC类复合材料处于相同的服役环境下；在监测过程中LPFG碳化硅物质氧化传感探头始终为并联式网络排布，有效控制传感器网络冗余问题。分布式SiC物质氧化状态监测传感系统的组成是:在不同根光纤上制备的LPFG碳化硅物质氧化传感探头可通过I XN型光纤耦合器和NX I型光开关的组合结合为多个探头分布的并联网络排布，有效控制传感器网络冗余问题。
[0010]一种监测SiC物质氧化状态的方法，使用上述的基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，以碳氧反应、硅氧反应进程作为SiC类复合材料SiC物质氧化状态监测的指标参数，即通过监测SiC物质内部C、Si元素的氧化反应情况来评估SiC物质的氧化状态，进而推出SiC类复合材料的氧化腐蚀状态情况，包括以下四个方面:
A、碳氧反应监测:结合LPFG光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将SiC物质敏感膜(12)镀于施加一定预应力的长周期光纤光栅栅区表面，利用物质转换过程中敏感膜刚度参量变化，构建预应力镀膜LPFG碳氧反应监测传感探头，S卩LPFG表面SiC膜质量消耗引起LPFG栅区所受预应力减小，使得LPFG透射光谱谐振峰波长发生偏移；
B、硅氧反应监测:结合LPFG光纤光栅表面镀膜传感方法，将SiC物质敏感膜(12)镀于长周期光纤光栅栅区表面，利用物质转换过程中敏感膜折射率变化，构建基于镀膜LPFG硅物质氧化监测传感探头，即LPFG表面SiC膜中Si元素的氧化腐蚀引起LPFG栅区周围SiC敏感膜折射率发生变化；
C、SiC物质氧化监测:结合碳氧反应和硅氧反应的进程监测，通过监测SiC物质内部C、Si元素的氧化反应情况来评估SiC物质的氧化状态，进而获得SiC类复合材料的氧化腐蚀状态情况；
D、由于用于监测碳氧反应和硅氧反应进程的LPFG传感探头制作方法相同，且传感检测的LPFG特征参量不同，因此，用一个LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)实现对碳氧反应和硅氧反应的同时监测，即LPFG透射光谱的谐振峰波长对应于碳氧反应进程，LPFG透射光谱的谐振峰幅值对应于硅氧反应进程。
[0011]以SiC物质中的C元素氧化作为第一监测指标，对SiC物质自身C元素的变化情况进行监测；以SiC物质中的Si元素氧化作为第二监测指标，对SiC物质内部Si元素变化情况进行监测。
[0012]所述LPFG碳化硅物质氧化传感探头与待测SiC类复合材料之间均采用局部胶接耦合，保证其与SiC类复合材料处于相同服役环境下。
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
将SiC物质氧化状态传感监测分为两个方面，S卩:以碳氧反应、硅氧反应的进程作为待测参量，对氧化过程中C元素的消耗情况和Si元素的反应情况进行监测，拓展了 SiC物质氧化状态传感监测的全面性;利用LPFG对轴向应变变化和表面折射率变化分辨率高、响应快、高通量、敏感、特异、简便、对样品本身无损伤等优点，实现SiC物质氧化状态的监测，确定SiC类复合材料件的内部氧化损伤状态，可应用于航空、舰船等领域的SiC类复合材料氧化损伤状态监测；同时由于采用了光纤作为传感基体，又具有抗电磁干扰能力强、耐高压、耐腐蚀、可实现分布式测量以及远程遥测监控等优点；通过简化传感系统结构且采用光谱检测技术，可提高测量精度，克服光强测量易受光源不稳定影响的缺点;通过采用相应的封装及保护方式，可避免由于温度、湿度等外界因素对LPFG传感系统所带来的影响，保证氧化状态监测的可靠性和耐久性。
【附图说明】
[0014]图1是SiC物质氧化状态传感监测系统示意图。
[0015]图2是IXN型光纤耦合器示意图。
[0016]图3是LPFG碳化硅物质氧化传感探头示意图。
[0017]图4是NX I型光开关示意图。
[0018]图5是一种基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测系统示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。
[0020]如图1-5所示，一种基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，包括宽带光源I，I X N型光纤耦合器2，光纤连接器3，传感光纤4，LPFG碳化硅物质氧化传感探头5，NX I型光开关6，光谱仪7和计算机8;所述I XN型光纤耦合器2包括一个I XN型光纤耦合器输入端9和N个I XN型光纤耦合器输出端10，其中I XN型光纤耦合器输入端9与宽带光源I相连，N个I XN型光纤耦合器输出端10通过光纤连接器3和传感光纤4分别与不同探测位置的LPFG碳化硅物质氧化传感探头5的输入端相连;N个LPFG碳化硅物质氧化传感探头5的输出端分别与N X I型光开关6的输入端14相连，N X I型光开关6的输出端15与光谱仪7相连，所述计算机8和光谱仪7相连，通过计算机8实现数据采集与N X I型光开关6的光路切换。
[0021]如图2所示，宽带光源I发出宽带光，进入IXN型光纤耦合器输入端9，其中光强被平均分成N等分，分别传播到N个I X N型光纤耦合器输出端10，再通过光纤连接器3，经过传感光纤4传播到LPFG碳化硅物质氧化传感探头5，与待测传感探头表面敏感膜的氧化状态相互作用产生耦合效应，在经过LPFG碳化硅物质氧化传感探头5中，栅区作用后的透射光谱通过NX I型光开关输出端15进入光谱分析仪7，再经过计算机8处理输出透射光谱谐振峰波长、谐振峰幅值与变化参量之间的关系曲线，从而实现了整个测量光路部分的全光纤化。
[0022]根据LPFG光谱输出特性，通过引入I XN型光纤耦合器2、NX I型光开关6构建LPFG碳化硅物质氧化传感探头5并联网络，可对SiC类复合材料试件实现多位点探测的基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测系统。当多个LPFG碳化硅物质氧化传感探头5处于不同测试位置时，不同的待测位置的物质氧化分布情况与传感器相互作用，从而引起各个LPFG传感器透射光谱谐振峰波长及幅值的变化。通过对传感器输出LPFG光谱的不同透射光谱谐振峰波长及幅值的检测，可得到分布式检测的信号。
[0023]图3是LPFG碳化硅物质氧化传感探头5示意图，所述LPFG碳化硅物质氧化传感探头5包括设在传感光纤4内部的纤芯、设在传感光纤4纤芯内部的传感栅区11以及设在LPFG碳化硅物质氧化传感探头5表层的SiC物质敏感膜12，利用LPFG敏感栅区对光的透射作用，将传输过来的特定波长光耗散掉，通过SiC物质敏感膜12的消耗反应实现对SiC物质氧化状态的监测。
[0024]结合光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将SiC敏感膜镀于施加一定预应力的长周期光纤光栅(LPFG)栅区表面，构建预应力镀膜LPFG碳化硅物质氧化状态监测传感探头，即LPFG表面SiC膜氧化引起LPFG栅区所受轴向预应力减小和LPFG栅区周围折射率改变，轴向预应力的减小引起LPFG透射光谱谐振峰波长发生蓝移，表面折射率的变化会引起LPFG透射光谱谐振峰幅值发生偏移。
[0025]图5是分布式SiC物质氧化状态监测传感系统示意图。它的具体组成是通过IXN型光纤耦合器2和NX I型光开关6，将多个LPFG碳化硅物质氧化传感探头5并联。
[0026]一种监测SiC物质氧化状态的方法，利用上述的基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，以碳氧反应、硅氧反应进程作为SiC类复合材料SiC物质氧化状态监测的指标参数，即通过监测SiC物质内部C、Si元素的氧化反应情况来评估SiC物质的氧化状态，进而推出SiC类复合材料的氧化腐蚀状态情况，包括以下四个方面:
A、碳氧反应监测:结合LPFG光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将SiC物质敏感膜镀于施加一定预应力的长周期光纤光栅栅区表面，利用物质转换过程中敏感膜刚度参量变化，构建预应力镀膜LPFG碳氧反应监测传感探头，S卩LPFG表面SiC膜质量消耗引起LPFG栅区所受预应力减小，使得LPFG透射光谱谐振峰波长发生偏移；
B、硅氧反应监测:结合LPFG光纤光栅表面镀膜传感方法，将SiC物质敏感膜镀于长周期光纤光栅栅区表面，利用物质转换过程中敏感膜折射率变化，构建基于镀膜LPFG硅物质氧化监测传感探头，即LPFG表面SiC膜中Si元素的氧化腐蚀引起LPFG栅区周围SiC敏感膜折射率发生变化；
C、SiC物质氧化监测:结合碳氧反应和硅氧反应的进程监测，通过监测SiC物质内部C、Si元素的氧化反应情况来评估SiC物质的氧化状态，进而对SiC类复合材料的氧化腐蚀状态情况；
D、由于用于监测碳氧反应和硅氧反应进程的LPFG传感探头制作方法相同，且传感检测的LPFG特征参量不同，因此，用一个LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)实现对碳氧反应和硅氧反应的同时监测，即LPFG透射光谱的谐振峰波长对应于碳氧反应进程，LPFG透射光谱的谐振峰幅值对应于硅氧反应进程。
[0027]上述监测方法利用LPFG透射光谱法进行监测；在待监测的SiC类复合材料结构件和LPFG(长周期光纤光栅的缩写)碳化硅物质氧化传感探头之间采用局部耦合;在监测过程中，LPFG传感探头通过N X I型光开关实现分布式网络排布。
[0028]上述步骤A中，利用LPFG传感栅区对SiC膜表面应变变化的敏感性质，通过测量碳氧反应过程中由于LPFG预应力的释放引起的LPFG透射光谱谐振峰波长变化，检测出SiC物质敏感膜的物质氧化情况。
[0029]上述步骤B中，利用LPFG传感栅区对SiC膜表面折射率变化的敏感性质，通过测量硅氧反应过程中由于LPFG栅区表面折射率的变化引起的LPFG透射光谱谐振峰幅值改变，检测出S i C物质敏感膜的物质氧化情况。
[0030]利用LPFG传感栅区对敏感膜腐蚀后LPFG预应力释放的敏感性质，通过测量物质腐蚀过程中由于SiC物质内部碳氧反应引起LPFG透射光谱谐振峰波长的变化情况，进而得到SiC物质氧化状态。
[0031]上述监测方法，第一方面的监测参量为表征SiC物质氧化的碳氧反应。利用碳氧反应作为表征参数，将LPFG光谱特性与表面预应力镀膜传感方法相结合，实现对SiC物质内部碳氧反应的实时、在线监测。
[0032]上述监测方法，第二方面的监测参量为表征SiC物质氧化的硅氧反应。利用硅氧反应作为表征参数，将LPFG光谱特性与表面镀膜传感方法相结合，通过对S12生成物的检测，实现对SiC物质内部硅氧反应的实时、在线监测。
[0033]上述监测方法，为了监测的准确性及方便性，以SiC类复合材料中SiC物质消耗量作为参考点，对氧化损伤过程中C、Si元素的反应情况进行监测。
[0034]SiC物质内部碳氧反应发生时，由于LPFG碳化硅物质氧化传感探头表面的SiC敏感薄膜与O2反应生成C0、C02，出现SiC敏感薄膜消耗出现坑蚀，使得SiC敏感薄膜的刚度减小，进而导致LPFG轴向预应力的释放，LPFG透射光谱谐振峰波长减小。
[0035]SiC物质内部硅氧反应发生时，由于LPFG碳化硅物质氧化传感探头表面的SiC敏感薄膜与O2反应生成S12,使得SiC敏感薄膜的折射率发生变化，进而影响LPFG透射光谱谐振峰幅值发生变化。
[0036]上述监测方法，为了提高监测的准确性，氧化过程中分别从碳氧反应和硅氧反应对LPFG碳化硅物质氧化传感探头进行分析，且探头与待测的SiC类复合材料之间采用支架式局部胶结耦合。
【主权项】
1.一种基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，其特征在于:包括宽带光源(I)，1 XN型光纤耦合器(2)，光纤连接器(3)，传感光纤(4)，LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)，NX I型光开关(6)，光谱仪(7)和计算机(8);所述I XN型光纤耦合器(2)包括一个I XN型光纤耦合器输入端(9)和N个I XN型光纤耦合器输出端(10)，其中I XN型光纤耦合器输入端(9)与宽带光源(I)相连，N个I XN型光纤耦合器输出端(10)通过光纤连接器(3)和传感光纤(4)分别与不同探测位置的LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)的输入端相连;N个LPFG碳化娃物质氧化传感探头(5 )的输出端分别与N X I型光开关(6 )的输入端(14)相连，NXl型光开关(6 )的输出端(15 )与光谱仪(7 )相连，所述计算机(8 )和光谱仪(7 )相连，通过计算机(8)实现数据采集与NX I型光开关(6)的光路切换。2.根据权利要求1所述的基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，其特征在于:所述LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)包括设在传感光纤(4)内部的纤芯(13)、设在纤芯(13 )内部的传感栅区(11)以及设在LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5 )表层的SiC物质敏感膜(12)，利用传感栅区(11)对光的透射作用，将传输过来的特定波长光耗散掉，通过S i C物质敏感膜(12 )的消耗反应实现对S i C物质氧化状态的监测。3.根据权利要求1所述的基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，其特征在于:所述LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)通过与I XN型光纤耦合器(2)和NX I型光开关(6)的组合结合为多个探头分布的并联网络排布。4.一种监测SiC物质氧化状态的方法，利用如权利要求1所述的基于LPFG传感特性的SiC物质氧化状态监测传感系统，以碳氧反应、硅氧反应进程作为SiC类复合材料SiC物质氧化状态监测的指标参数，即通过监测SiC物质内部C、Si元素的氧化反应情况来评估SiC物质的氧化状态，进而推出SiC类复合材料的氧化腐蚀状态情况，其特征在于:包括以下四个方面: A、碳氧反应监测:结合LPFG光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将SiC物质敏感膜(12)镀于施加一定预应力的长周期光纤光栅栅区表面，利用物质转换过程中敏感膜刚度参量变化，构建预应力镀膜LPFG碳氧反应监测传感探头，S卩LPFG表面SiC膜质量消耗引起LPFG栅区所受预应力减小，使得LPFG透射光谱谐振峰波长发生偏移； B、硅氧反应监测:结合LPFG光纤光栅表面镀膜传感方法，将SiC物质敏感膜(12)镀于长周期光纤光栅栅区表面，利用物质转换过程中敏感膜折射率变化，构建基于镀膜LPFG硅物质氧化监测传感探头，即LPFG表面SiC膜中Si元素的氧化腐蚀引起LPFG栅区周围SiC敏感膜折射率发生变化； C、SiC物质氧化监测:结合碳氧反应和硅氧反应的进程监测，通过监测SiC物质内部C、Si元素的氧化反应情况来评估SiC物质的氧化状态，进而对SiC类复合材料的氧化腐蚀状态情况； D、由于用于监测碳氧反应和硅氧反应进程的LPFG传感探头制作方法相同，且传感检测的LPFG特征参量不同，因此，用一个LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)实现对碳氧反应和硅氧反应的同时监测，即LPFG透射光谱的谐振峰波长对应于碳氧反应进程，LPFG透射光谱的谐振峰幅值对应于硅氧反应进程。5.根据权利要求4所述的监测SiC物质氧化状态的方法，其特征在于:以SiC物质中的C元素氧化作为第一监测指标，对SiC物质自身C元素的变化情况进行监测；以SiC物质中的Si元素氧化作为第二监测指标，对SiC物质内部Si元素变化情况进行监测。6.根据权利要求4所述的监测SiC物质氧化状态的方法，其特征在于:所述LPFG碳化硅物质氧化传感探头(5)与待测SiC类复合材料之间均采用局部胶接耦合，保证其与SiC类复合材料处于相同服役环境下。
【文档编号】G01N21/25GK105866041SQ201610202297
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月2日
【发明人】刘宏月, 于瀛洁
【申请人】上海大学