摘 要

本次毕业设计将光纤光栅的特性以及复合材料的制作流程两方面进行结合，主要完成了以下成果：

1.复合材料层合板试件的制作以及光纤光栅埋入工艺的探索与改进。

2.对光纤光栅埋入复合材料层合板不会对试件的机械性能产生影响（光纤光栅与复合材料层合板直间的相容性）进行实验验证，同时对光纤光栅测量复合材料层合板变形的可靠性进行实验验证。为复合材料疲劳性能的研究提供更加便捷可靠的实验方法。

3.基于光纤光栅对应变敏感的且光纤光栅中心波长的偏移量与轴向应变成线性关系的特性，对复合材料层合板的变形提出了埋入式的测量方案。

关键词：光纤光栅；埋入式；相容性；变形测量

Abstract

This graduation project combines the characteristics of fiber grating and the production process of composite materials, and mainly achieves the following results:

1. Preparation of composite laminated plates and exploration and improvement of fiber grating embedding technology.

2. The fiber Bragg grating embedded composite laminated plate will not affect the mechanical properties of the specimen (fiber Bragg grating and the compatibility between composite laminated plate straight) experiment validation, as well as the fiber Bragg grating measurement of the reliability of the deformation of composite laminated plate for experimental verification. It provides a more convenient and reliable experimental method for the study of fatigue properties of composite materials.

3.based on fiber Bragg grating and fiber Bragg grating is sensitive to strain the center wavelength of the offset and axial strain are the characteristics of linear relationship, the deformation of composite laminated plate embedded measurement scheme was proposed.

Key Words：Fiber Bragg grating；Embedded type；compatibility；deformation measurement

目录

第1章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2光纤光栅传感技术研究现状 2

第2章 光纤Bragg光栅测量原理 4

2.1光纤Bragg光栅传感特性 4

2.1.1光纤Bragg光栅特性 4

2.1.2光纤Bragg光栅轴向应变特性 4

2.2光纤Bragg光栅解调技术 6

2.2.1参考光栅法 6

2.2.2M-Z干涉解调法 6

第3章 复合材料层合板试件的制备 8

3.1传统手糊法 8

3.2真空导入工艺 9

3.3真空导入工艺具体过程 10

第4章 光纤光栅与复合材料相容性实验 19

4.1静态载荷相容性实验的意义 19

4.2实验方案及内容 19

4.3实验结果分析 21

4.4结论 22

第5章 复合材料拉伸变形实验 23

5.1实验器材 23

5.2实验方案 23

5.3实验数据分析 25

5.4结论 27

第6章 总结与展望 28

参考文献 29

致谢 31

第1章 绪论

1.1研究目的及意义

光纤传感技术伴随着光纤通信技术同步发展，各式各样的光纤传感器不断跟新换代，信息光纤传感器也在愈加成熟的制造技术之下大放异彩。作为光纤传感器的一个新的品种，光纤光栅传感器以其抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、绝缘性强、广阔的测量范围、可搭建复合网络、可微型化等优点，博得全球各界学者的广泛关注，在各大领域内被广泛应用。

目前，复合材料也已经崛起成为一种新型材料。复合材料指两种或两种以上材料经过物理或化学等手段组成具有优秀特性的材料，兼具各种材料特性取长补短。

传统方法对复合材料应力、应变的测量普遍采用的是粘贴应变片的技术。

但是应变片具有以下的缺点：

1）电阻应变片无法耐受恶劣环境。如果环境潮湿、温度不稳定,其可靠性,长期稳定性极差。

2）使用电阻应变片必须有大量的电线，这会将电讯号引入现场，如高电压、易燃易爆场所，最忌讳的就是将电讯号引入现场。

3）粘贴电阻应变片的时候，必须要考虑粘贴介质的应变传递效率，否则将严重影响测量的结果。[1]

然而，新型传感器——光纤光栅就可以克服上面的一系列问题。同传统的机械、电子类传感器相比，光纤光栅传感器具有以下优点：

1）抗电磁干扰。一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传输的光信号不受电磁干扰的影响。

2）电绝缘性能好，安全可靠。光纤本身是由电介质构成的，而且无需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。

3）耐腐蚀，化学性能稳定。由于制作光纤的材料—石英具有极高的化学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。

4）传感头结构简单、体积小、重量轻，几何形状可塑，适于各种应用场合，尤其适合于埋入材料内部构成所谓的智能材料或结构。

5）传输损耗小，可实现远距离遥控监测。

6）传输容量大，可实现多点分布式测量。

7）测量范围广，可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、电压、液位、液体浓度、成分等。[2]

正是由于这些优秀的特性，在复合材料变形的测量中，光纤光栅传感器可以克服诸多不良的因素，成功埋入复合材料中，不像传统的电阻应变片使用表面粘贴的形式，这样可以在更加恶劣的环境中使用。

本次毕业设计我设计并制作复合材料环氧树脂玻纤板试件，将光纤光栅传感器埋入其中，验证光纤光栅的埋入不会对其机械性能产生影响，根据拉伸实验，给出利用光纤光栅测量复合材料层合板应变、变形的方法。

1.2光纤光栅传感技术研究现状

从20世纪70年代世界上第一根光纤被制造出来，光纤领域的研究和应用便得到了飞速的发展，光纤技术在巨大的市场前景推动下迅速成熟。但是光纤光栅传感技术作为新兴的传感技术，在传感领域还存在可开发的空间。

在土木工程方面，加拿大卡尔加里的Beddington Trail大桥曾在桥梁结构健康监测中使用了光纤光栅传感器。美国学者Fuhr曾在Waterbury桥上埋部了8个光纤光栅对桥的状况进行监测。国内各大高校学者也进行了不同程度的监测测试。如：武汉理工大学对海口世纪大桥、哈尔滨工业大学对呼兰河大桥、大连理工大学对L形结构的框架梁柱等等。

在航空航天方面，美国曾利用光纤光栅传感器网络对航天飞机X-38进行了实时健康监测；德国学者监测飞机飞行中机翼的应变和温度变化时，将光纤光栅传感器粘贴在飞机的机翼上。

2004年, 基于对碳纤维复合材料中裂缝的检测，Yoji Okabe等人提出了一种利用惆啾光纤光栅检测的方法。这标志着光纤光栅传感技术在材料的健康监测中又有了新的用法。

在电力工业方面，光纤光栅传感器抗强电场强磁场的干扰的特性无疑让它成为电力设备参数测量的最好的传感器之一。在发电机定子温度测量领域，德国的西门子公司早就利用特殊改良的光纤光栅传感器对其进行了测量。

在船舶工业方面，美国海军研究所，将光纤光栅传感器埋入复合材料船体之中，一艘船上埋入100根以上光纤光栅，使之复合成网络，再利用解调技术对船体各个结构进行静态和动态的应力监测。

早在70年代末，我国的各大高校研究所就开始了光纤传感器的研究，我们起步时间刚好是光纤技术问世不久之后，因此在国际研究的成果中也占有一席之地。他们在光纤传感器等领域进行了大量的研究，取得了上百项科研成果。

同西方发达国家相比，我国的研究成果虽多,但是光纤光栅传感技术在商品化和产业化应用方面做得还不够，多数成果停留在理论实验阶段，还没有投入到实际的工业生产和商业应用之中。这是我们亟待解决的问题。

第2章 光纤Bragg光栅测量原理

2.1光纤Bragg光栅传感特性

2.1.1光纤Bragg光栅特性

光纤光栅实际上是由于光纤芯区折射率周期性变化造成光纤波导条件发生改变，而导致一定波长发生相应的模式耦合，使得其透射光谱和反射光谱对该波长出现特定的变化。

理论上，光纤Bragg光栅的中心波长随温度及应变的变化而变化，这是光纤Bragg光栅在光纤通信方面应用中令人头痛的问题。但反过来想，在传感领域，这些特性又成为它的优势之一。因为光纤Bragg光栅中心波长对温度、应力的敏感特性，一种新型的光纤传感器就这样诞生了。

2.1.2光纤Bragg光栅轴向应变特性

光纤光栅的中心波长取决于光纤光栅周期和有效折射率，这两个量有一个变化就会引起光纤光栅中心波长的变化。

因此光纤光栅中心波长变化可由下面公式表示：

（2-1）

其中：——弹性形变；

——折射率变化。

当光纤光栅所受的力是均匀的力时，光栅会产生轴向均匀应变。设此时各向应力为，由于只受到轴向应力不受切应力的影响，所以，（p为外加压强）。

根据材料力学，

（2-2）

式中：E——石英光纤的弹性模量；

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