复合材料固化传感器

ｑ弓￡３）　１９９３年第３期（Ｎｏ．３．１９９３）　传感器技术（Ｊ．Ｓｅｎｓｏｒ＆Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏ．）　

＼一　复合材料固化传感器　余宏发　ｒ＿—————一　（航空航天工业部四十四研究所）　

摘要对复合材料现有固化监测传感器的工作原理、结构特点进行了具体分析．展望了　固化传感器的发展　关键词复合材料固化监测传感器　

Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｃｕｒｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　Ｙｕ　Ｈｏｎｇｆａ　ｈｅ　４４ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏ—Ｓｐａｃｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ）　

２ｌ　２，　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｆｅａｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｃｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ｏｆ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ¨ｅ　ａｎａｌｙｓｅｄ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｕｕｒｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｃｕｒｅ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｅｎｓ０ｒ　

１　引言　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，应用范围　越来越广。但由于复合材料是一种非均匀介　质，其材料性能与固化过程有很大关系，固化　时的温度、压力以及配料不当都将引起空洞　或裂纹，从而大大降低材料的性能，增加材料　制造成本。因此材料的固化监测已引起各国　科技工作者的高度关注，多年来已研制开发　出多种固化传感器，用以监测复合材料的固　化过程，从而大提高了材料的性能。　收猫日期：１９９２　０６—０　

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。随材料科学及相关学科的发展，已形成　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　本文对以上各种固化　传感器的工作原理、结构特点进行了具体分　析，同时展望了固化传感器的发展方向　

２　复台材料固化监测传感器　；　

维普资讯 http://www.cqvip.com ２　传感器技术　１９９３钷　２　１电客田化传感器”一　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，通过测量此电容值的变　化，实现复合材料固化度的监测。　此传感器灵敏度高、适应性强、结构简　单，应用较为成熟，特别适合于复合材料纤维　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：（１）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；（２）难于实现形状复杂的复合材　料构件的固化监测　２　２起声固化传感嚣　发射器发射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，从而实现复合材料固化度的　监测。　此传感器的敏感机理较为成熟，同时具　有非接触测试特点，易于实现复合材料构件　固化过程的监测，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　信号与复台材料固化度间的关系曲线。　２，３荧光固化传感嚣　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　确定关系，通过测量荧光光强的变化，从而　实现复合材料固化度的监测。图ｌ　为荧光固　化传感系统结构示意图。　由于受激发射产生的荧光信号较弱，因　而必须采用太强度的激发光源和信号放大　器，同时为了减少干扰影响，对发射的荧光必　须通过发射单色器，以取出某一波长的荧　光，从而提高测试精度。　雹１　蔓光固化传矗器　试磊缝结揭示毫田　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　又可插人材料内部，从而实现复合材料表面　和内部的固化监测。但此传感器也难于实现　大型复合材料和复合材料构件的固化监测。　２．４　涡流田化传感嚣　涡流固化传感器的工作原理是基于电涡　流效应，其测试系统结构示意图如图２，主要　由激磁线圈，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，并与线圈保持适当炬离，固化过程中，当　对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，　进而实现复合材料固化度的测量　

圈２　ｊ高流固化传蓐器　试幕蜿结柄幂意围　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　余宏发：复台材料同化传感器　３　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，因而难于实现大型复合材料和复合　构件的固化监测。　２．５机械阻抗固化传感器［２１［８１　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。　对于复合材料，当施加机械激励，则产生　相应的激励响应。当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（Ｓｔｏｒａｇｅ　ｍｏｄｕｌｕｓ）、损失角正切（Ｌｏｓｓ　ｔａｎｇｅｎｔ）的频率　变化，从而实现固化状态监测。图３是该传　感器测试系统结构示意图，图４是利用该系　统测试所得的碳纤维／环氧树脂复合材料的　固化一动力学特性曲线图。　

萱Ｉ痂信号　曛　

目　＝Ｌ　复合材料　一　

阻抗头　电碰激振器　

量銎Ｈ　羔　——＿１变换仪ｌ　Ｉ显示　打叫　围３　机槭阻抗固化传巷器　试系统示意围　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：（１）对材料固化状态有高　的灵敏响应；（２）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；（３）适　用于复合构件制造过程的在线、无损固化　监测；（４）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。　

圊化时同／ｍｉｔｔ　周４磺纤堆，环氲树脂复合材料固化　动力学特性曲线围　

２．６光纤固化传感嚣［６１［ｅｌ　２．６１工作机理　光纤固化传感器是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，将此敏感光纤埋人其　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，固化程度的加深，其基底材料的折射　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控制而　成，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，当复合材料完全固化时，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　损耗就越大，那么敏感光纤输出光强信号　

维普资讯 http://www.cqvip.com ４　侍·感器技术　１９９３年　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，从而实现复合材料固化监测。　２．６．２结构特点　图５是光纤固化传感器测试系统示意　图。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　

图５　光纤固化传蔼矗　试系统示意闰　由图５可以看出，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　２．６．３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　式扫描量热计蚺量输出示值同时发生变化　两者间一一对应，用热效应原理，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。图６是对埃庞环氧树脂复　合材料固化测试结果　２．６．４测试特点　懈　求　苦　奢　髓　增　啦　Ｓ　匝　ｌ５】化时间ｆｍＩｎ　围６　埃庞环曩榭膳复音材料固化舞试曲墟朋　光纤固化传感器，结构简单，测试方便，　与电容式、超声式　荧光式、涡流式等固化传　感器相比，突出的优点是：（１）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，不同固化温度无蒋进行繁琐　的校验；（２）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，同时埋人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。　３　复合材科固化传感器的发展方向　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　随材料科学和光纤传感技术的发展，光　纤与复台材料表现出良好的相客性　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