C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统及监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统和方法，系统包括计算机、光纤光栅解调仪、光纤耦合器、碳物质消耗传感探头、碳化硅物质消耗传感探头、第一光纤连接器、第一传感光纤、第二光纤连接器和第二传感光纤，计算机和光纤光栅解调仪相连，光纤耦合器包括光纤耦合器输入端和多个光纤耦合器输出端，光纤耦合器输入端与光纤光栅解调仪相连；一个光纤耦合器输出端与第一光纤连接器、第一传感光纤、碳物质消耗传感探头相连，另一个光纤耦合器输出端与第二光纤连接器、第二传感光纤、碳化硅物质消耗传感探头相连。本发明专利技术实现了对C/SiC复合材料腐蚀状态的实时在线监测，可应用于航空、舰船领域的C/SiC复合材料腐蚀状态监测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种碳纤维复合材料的结构的损伤监测装置和监测方法，特别是涉及一种碳纤维复合材料的腐蚀损伤监测装置和监测方法，应用于服役期内的材料物理化学性能检测、寿命评估和材料维护

技术介绍
碳纤维复合材料是以碳纤维作为增强材料，以环氧树脂、金属、陶瓷等作为基体材料，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。腐蚀损伤是复合材料主要损伤形式之一，对腐蚀损伤的监测研究具有积极意义。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。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 II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。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种，基于物质消耗原理，实现了对C/SiC复合材料腐蚀状态的实时在线监测。为达到上述专利技术创造目的，采用下述技术方案:一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统，由干路信息传输系统和一系列支路探测器组成树杈形信息监测系统，各支路探测器皆与干路信息传输系统进行通信连接，干路信息传输系统采用主路光纤，支路探测器包括碳物质消耗传感单元和碳化硅物质消耗传感器单元，碳物质消耗传感单元依次由第一光纤连接器、第一传感光纤和碳物质消耗传感探头组成，碳物质消耗传感探头主要由第一纤芯、第一传感栅区和第一表面敏感膜组成，第一传感栅区设置于第一纤芯内部，第一表面敏感膜设置于第一纤芯的外部，第一表面敏感膜对碳物质腐蚀消耗变化敏感，将碳物质消耗传感探头设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，使第一表面敏感膜与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当第一表面敏感膜与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，第一传感栅区采集第一表面敏感膜的腐蚀状态的信号，并沿着与进入第一纤芯的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，碳化硅物质消耗传感器单元依次由第二光纤连接器、第二传感光纤和碳化硅物质消耗传感探头组成，碳化硅物质消耗传感探头主要由第二纤芯、第二传感栅区和第二表面敏感膜组成，第二传感栅区设置于第二纤芯内部，第二表面敏感膜设置于第二纤芯的外部，第二表面敏感膜对碳化硅物质腐蚀消耗变化敏感，将碳化硅物质消耗传感探头设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，也使第二表面敏感膜与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当第二表面敏感膜与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，第二传感栅区采集第二表面敏感膜的腐蚀状态的信号，并沿着与进入第二纤芯的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，主路光纤的一端依次信号连接光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪和计算机信号连接，主路光纤的另一端连接光纤耦合器的合路信号端，光纤耦合器的分路信号端分别与碳物质消耗传感单元的信号端和碳化硅物质消耗传感器单元的信号端连接，碳物质消耗传感单元的信号端与第一光纤连接器信号连接，碳化硅物质消耗传感器单元的信号端与第二光纤连接器信号连接，在光纤光栅解调仪中内置光源，将入射光沿着主路光纤进行传输，入射光分别进入碳物质消耗传感探头和碳化硅物质消耗传感探头后，分别与第一表面敏感膜和第二表面敏感膜的腐蚀状态相互作用产生耦合效应，并至少使入射光的波长发生变化，再分别通过第一传感栅区和第二传感栅区将发生变化的入射光的状态信号作为检测信号，向主路光纤反射回去，最后被计算机回收后，以碳和碳化硅物质消耗状态作为C/SiC复合材料的腐蚀状态监测的指标参数，通过计算分析，得到对应测试位置的待测C/SiC复合材料的腐蚀损伤信息。作为一种本专利技术优选的技术方案，第一传感栅区米用光纤布拉格光栅，第一表面敏感膜固定于对应施加一定预应力的第一传感栅区位置处的碳物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第一表面敏感膜因腐蚀发生质量消耗时，引起第一传感栅区所受预应力减小，进而使入射到第一传感栅区上的入射光经过反射后发生变化。作为另一种本专利技术优选的技术方案，第二传感栅区米用光纤布拉格光栅，第二表面敏感膜固定于对应第二传感栅区位置处的碳化硅物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第二表面敏感膜因腐蚀发生物质转变时，引起第二传感栅区周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使入射到第二传感栅区上的入射光经过反射后发生变化。作为还有一种本专利技术优选的技术方案，同时具有上述的技术方案的优点，第一传感栅区采用光纤布拉格光栅，第一表面敏感膜固定于对应施加一定预应力的第一传感栅区位置处的碳物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第一表面敏感膜因腐蚀发生质量消耗时，引起第一传感栅区所受预应力减小，进而使入射到第一传感栅区上的入射光经过反射后发生变化；第二传感栅区采用光纤布拉格光栅，第二表面敏感膜固定于对应第二传感栅区位置处的碳化硅物质消耗传感探头的支路光纤的表面上，当第二表面敏感膜因腐蚀发生物质转变时，引起第二传感栅区周围的光纤基体内的轴向应变发生变化，进而使入射到第二传感栅区上的入射光经过反射后发生变化。作为本专利技术上述方案进一步优选的技术方案，碳物质消耗传感单元包括一系列串联的碳物质消耗传感探头，或者碳化硅物质消耗传感器单元包括一系列串联的碳化硅物质消耗传感探头。作为本专利技术上述方案进一步优选的技术方案，第一表面敏感膜和第二表面敏感膜分别紧密结合在第一纤芯和第二纤芯的外表面上。作为本专利技术上述方案进一步优选的技术方案，碳物质消耗传感探头的第一传感栅区和碳化硅物质消耗传感探头的第二传感栅区分别通过对应的栅区固定架来固定。—种监测C/SiC复合材料腐蚀状态的方法，包括如下步骤: a.碳物质消耗的监测:结合光纤光栅表面预应力镀膜传感方法，将碳物质消耗敏感材料镀于施加一定预应力的具有光纤布拉格光栅栅区的光纤外表面，形成预应力碳物质消耗敏感本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种C/SiC复合材料腐蚀状态的监测系统，由干路信息传输系统和一系列支路探测器组成树杈形信息监测系统，各所述支路探测器皆与干路信息传输系统进行通信连接，所述干路信息传输系统采用主路光纤，其特征在于：所述支路探测器包括碳物质消耗传感单元和碳化硅物质消耗传感器单元，所述碳物质消耗传感单元依次由第一光纤连接器（4‑1）、第一传感光纤（5‑1）和碳物质消耗传感探头（6）组成，所述碳物质消耗传感探头（6）主要由第一纤芯（13）、第一传感栅区（11）和第一表面敏感膜（12）组成，所述第一传感栅区（11）设置于所述第一纤芯（13）内部，所述第一表面敏感膜（12）设置于所述第一纤芯（13）的外部，所述第一表面敏感膜（12）对碳物质腐蚀消耗变化敏感，将所述碳物质消耗传感探头（6）设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，使所述第一表面敏感膜（12）与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当所述第一表面敏感膜（12）与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，所述第一传感栅区（11）采集所述第一表面敏感膜（12）的腐蚀状态的信号，并沿着与进入所述第一纤芯（13）的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，所述碳化硅物质消耗传感器单元依次由第二光纤连接器（4‑2）、第二传感光纤（5‑2）和碳化硅物质消耗传感探头（7）组成，所述碳化硅物质消耗传感探头（7）主要由第二纤芯（16）、第二传感栅区（14）和第二表面敏感膜（15）组成，所述第二传感栅区（14）设置于所述第二纤芯（16）内部，所述第二表面敏感膜（15）设置于所述第二纤芯（16）的外部，所述第二表面敏感膜（15）对碳化硅物质腐蚀消耗变化敏感，将所述碳化硅物质消耗传感探头（7）设置于待测C/SiC复合材料内部的测试位置上，也使所述第二表面敏感膜（15）与C/SiC复合材料处于相同服役环境下，当所述第二表面敏感膜（15）与所在测试位置附近的材料同步发生腐蚀时，所述第二传感栅区（14）采集所述第二表面敏感膜（15）的腐蚀状态的信号，并沿着与进入所述第二纤芯（16）的入射光信号相反的方向将采集的腐蚀状态信号反射传输，所述主路光纤的一端依次信号连接光纤光栅解调仪（2），所述光纤光栅解调仪（2）和计算机（1）信号连接，所述主路光纤的另一端连接光纤耦合器（3）的合路信号端（8），所述光纤耦合器（3）的分路信号端（4）分别与所述碳物质消耗传感单元的信号端（9）和所述碳化硅物质消耗传感器单元的信号端（10）连接，所述碳物质消耗传感单元的信号端（9）与所述第一光纤连接器（4‑1）信号连接，所述碳化硅物质消耗传感器单元的信号端（10）与所述第二光纤连接器（4‑2）信号连接，在所述光纤光栅解调仪（2）中内置光源，将入射光沿着所述主路光纤进行传输，入射光分别进入所述碳物质消耗传感探头（6）和所述碳化硅物质消耗传感探头（7）后，分别与所述第一表面敏感膜（12）和所述第二表面敏感膜（15）的腐蚀状态相互作用产生耦合效应，并至少使入射光的波长发生变化，再分别通过所述第一传感栅区（11）和所述第二传感栅区（14）将发生变化的入射光的状态信号作为检测信号，向主路光纤反射回去，最后被所述计算机（1）回收后，以碳和碳化硅物质消耗状态作为C/SiC复合材料的腐蚀状态监测的指标参数，通过计算分析，得到对应测试位置的待测C/SiC复合材料的腐蚀损伤信息。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宏月，谭静，于瀛洁，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31