基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法技术

本发明专利技术提出了一种基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法，属于结构健康监测领域。它包括如下：步骤一、待测复合材料板面坐标系定义及光纤传感网络布置；步骤二、光栅所受热应变与中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤三、复合材料板结构热应变与光纤光栅中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤四、在温度变化条件下光纤光栅传感器响应信号采集；步骤五、待测复合材料板结构i、j方向热应变计算方法；步骤六、待测复合材料板结构热膨胀系数确定。本发明专利技术计算方法构建了一种复合材料板结构热膨胀系数计算模型，可以确定待测方向的复合材料板结构热膨胀系数。本发明专利技术方法简单方便、精度高、可靠性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于结构健康监测的领域，具体提出了一种基于光纤应变转换矩阵的复合材料板结构热膨胀系数测量方法。
技术介绍
复合材料是一种新型的先进结构材料，在特殊环境中具有很好的尺寸稳定性和使用耐久性，在工程上得到了广泛应用。热膨胀系数是材料的重要物理性质之一，用于直接表征物质由于温度改变所导致的体积变化，对于结构健康监测、使用寿命评估具有重要影响。当在温度载荷作用下，结构沿径向发生热量辐射和传导，材料内部由于温度梯度存在，会不可避免产生热应变，导致结构在宏观尺寸发生变化，这对于工作结构的可靠性和安全性影响巨大。因此，研究一种新颖有效的热膨胀系数计算方法对于复合材料结构健康状况监测与寿命评估显得尤为重要。目前测量热膨胀系数的常用方法包括机械法和云纹干涉法等。机械法通常采用夹具固定试件，但夹具本身易受热产生形变而影响测量精度。云纹干涉法需要在样品上刻出精确的衍射光栅，并通过复杂的外光路系统来观察试件的衍射条纹，但其外光路系统易受外界环境的影响而降低测量精度。由于传统FBG模型在用于测量材料的热膨胀系数时，只考虑光纤光栅传感器测量的纵向应变，但是在复合材料热膨胀系数测量中，横向应变往往会导致显著偏差。基于上述分析，本专利技术提出一种基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法，相较于传统光纤光栅测量热膨胀系数的方式，考虑了复合材料板横向应变的影响，有助于消除大横向应变对测量结果的影响，利于提高测量精度和可靠性；利用光纤光栅传感器构成的串联网络，可以确定多方向的复合材料板结构热膨胀系数，提供一种快速有效的复合材料板结构热膨胀系数计算方法。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种能够考虑横向应变对光纤光栅结构的影响，用于复合材料板结构热膨胀系数测量的方法。该方法通过构建复合材料板结构热应变和光纤光栅中心波长偏移量的转换矩阵，推导出复合材料板结构热膨胀计算的数学模型，实现对复合材料板结构热膨胀系数的求解。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法，包括以下步骤：步骤一、复合材料板面坐标系定义及光纤光栅传感网络布置并建立光纤FBG坐标系；所述光纤光栅传感网络包括两个相互垂直的光纤光栅传感器FBG1、FBG2和自由放置的温度补偿光栅传感器FBG3；步骤二、光栅所受热应变与中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤三、复合材料板结构热应变与光纤光栅中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤四、在温度变化条件下光纤光栅传感器响应信号采集；步骤五、待测复合材料板结构i、j方向热应变计算；步骤六、待测复合材料板热膨胀系数的确定。进一步的，所述步骤一的具体方法为：两个相互垂直的光纤光栅传感器FBG1、FBG2分别粘贴于待测复合材料板结构表面，分别建立两个三维直角坐标系，分别为光纤FBG坐标系和复合材料板面坐标系；其中，所述光纤FBG坐标系以FBG1为基准，由FBG1的轴向、径向和法线方向构成；所述复合材料板面坐标系选取待测热膨胀系数方向为i方向、j方向，所述i方向与j方向相互垂直，垂直板面法线方向为k方向；其中，所述FBG1的轴向与i方向之间的夹角为θ，FBG1的径向与i方向之间的夹角为90°+θ；在所述待测复合材料板面结构表面自由放置一个仅感温而不受力的温度补偿光栅传感器FBG3，三个光纤光栅传感器串行连接构成分布式传感器网络。进一步的，所述步骤二的具体方法为：光纤布拉格光栅传感器的中心反射波长可表示为：λB＝2·neff·Λ式中，neff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光纤光栅的周期；温度与应变变化引起的光纤光栅中心波长变化为： Δλ B λ B = Δn e f f ( ϵ → , Δ T ) n e f f + Δ Λ ( ϵ → , Δ T ) Λ ]]>其中， Δ Λ ( ϵ → , Δ T ) = Λ · ϵ 1 , ]]> Δn e f f ( ϵ → , Δ T ) = - n e f f 3 2 [ p 12 ϵ 1 + ( p 11 + p 12 2 ) ϵ 2 + ( p 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、复合材料板面坐标系定义及光纤光栅传感网络布置并建立光纤FBG坐标系；所述光纤光栅传感网络包括两个相互垂直的光纤光栅传感器FBG1、FBG2和自由放置的温度补偿光栅传感器FBG3；步骤二、光栅所受热应变与中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤三、复合材料板结构热应变与光纤光栅中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤四、在温度变化条件下光纤光栅传感器响应信号采集；步骤五、待测复合材料板结构i、j方向热应变计算；步骤六、待测复合材料板热膨胀系数的确定。

【技术特征摘要】
1.一种基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、复合材料板面坐标系定义及光纤光栅传感网络布置并建立光纤FBG坐标系；所述光纤光栅传感网络包括两个相互垂直的光纤光栅传感器FBG1、FBG2和自由放置的温度补偿光栅传感器FBG3；步骤二、光栅所受热应变与中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤三、复合材料板结构热应变与光纤光栅中心波长偏移量之间转换矩阵构建；步骤四、在温度变化条件下光纤光栅传感器响应信号采集；步骤五、待测复合材料板结构i、j方向热应变计算；步骤六、待测复合材料板热膨胀系数的确定。2.根据权利要求1所述的基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法，其特征在于：所述步骤一的具体方法为：两个相互垂直的光纤光栅传感器FBG1、FBG2分别粘贴于待测复合材料板结构表面，分别建立两个三维直角坐标系，分别为光纤FBG坐标系和复合材料板面坐标系；其中，所述光纤FBG坐标系以FBG1为基准，由FBG1的轴向、径向和法线方向构成；所述复合材料板面坐标系选取待测热膨胀系数方向为i方向、j方向，所述i方向与j方向相互垂直，垂直板面法线方向为k方向；其中，所述FBG1的轴向与i方向之间的夹角为θ，FBG1的径向与i方向之间的夹角为90°+θ；在所述待测复合材料板面结构表面自由放置一个仅感温而不受力的温度补偿光栅传感器FBG3，三个光纤光栅传感器串行连接构成分布式传感器网络。3.根据权利要求1所述的基于光纤应变转换矩阵的复合材料板热膨胀系数计算方法，其特征在于：所述步骤二的具体方法为：光纤布拉格光栅传感器的中心反射波长可表示为：λB＝2·neff·Λ式中，neff为光纤光栅的有效折射率，Λ为光纤光栅的周期；温度与应变变化引起的光纤光栅中心波长变化为： Δλ B λ B = Δn e f f ( ϵ → , Δ T ) n e f f + Δ Λ ( ϵ → , Δ T ) Λ ]]>其中， Δn e f f ( ϵ → , Δ T ) = - n e f f 3 2 [ p 12 ϵ 1 + ( p 11 + p 12 2 ) ϵ 2 + ( p 11 + p 12 2 ) ϵ 3 ] + ( ξ f + α f ) Δ T ]]>式中，表示光纤光栅有效折射率变化量，表示光纤光栅周期变化量，ΔλB为光纤光栅的中心波长偏移量；λB为光纤光栅的中心波长；p11、p12为弹光系数；ε1、ε2、ε3为光纤光栅结构各个方向的应变；ξf表示光纤材料的热光系数；αf表示光纤材料的线膨胀系数；ΔT表示光纤光栅所处环境的温度改变量。光纤光栅传感器中心波长偏移量需要通过温度补偿光栅传感器FBG3来补偿，则由材料结构热胀冷缩引起的热应变表达式为： Δλ B λ B - Δλ t e m p λ t e m p = ϵ 1 - n e f f 3 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾捷，马驰，张景川，张旭苹，王珂，冯翔宇，周林，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32