基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)及監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測方法及傳感系統(tǒng)，屬于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域。該方法將SiC類復(fù)合材料服役過程中的SiC氧化狀態(tài)監(jiān)測分為兩個方面，即針對SiC物質(zhì)氧化中碳氧反應(yīng)進(jìn)程的監(jiān)測以及針對SiC物質(zhì)氧化中硅氧反應(yīng)進(jìn)程的監(jiān)測，分別從C、Si兩個方面對SiC物質(zhì)的氧化進(jìn)程進(jìn)行監(jiān)測，提高了SiC類復(fù)合材料氧化損傷監(jiān)測傳感系統(tǒng)的有效檢測精度。該傳感系統(tǒng)包括計算機(jī)、光譜分析儀、寬帶光源、LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭、光纖耦合器、光纖連接器、光開關(guān)和傳感光纖。本發(fā)明實現(xiàn)了對SiC類復(fù)合材料中SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的實時在線監(jiān)測。
【專利說明】
基于LPFG傳感特性的S i C物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)及監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)及監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]C/SiC復(fù)合材料是以碳纖維作為增強(qiáng)材料，以SiC等作為基體材料，使用各種先進(jìn)加工成型方法制備而成的性能優(yōu)異的復(fù)合材料，解決了單一材料無法解決的技術(shù)難關(guān)，是目前最受重視的高性能材料之一，具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、可設(shè)計性好、易于成型等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶、風(fēng)力發(fā)電、建筑、化工等眾多領(lǐng)域。然而，該類材料在制造和長期的服役過程中，可能產(chǎn)生內(nèi)部斷點、裂紋、脫層等形式的結(jié)構(gòu)損傷，若不及時發(fā)現(xiàn)和采取相應(yīng)維護(hù)措施，將會導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的迅速破壞，造成重大事故隱患。氧化損傷是復(fù)合材料主要損傷形式之一，對氧化損傷的監(jiān)測研究具有積極意義。
[0003]目前無損探測碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)斷裂狀態(tài)的方法包括射線探測法、超聲波探測法、聲發(fā)射探測法等。射線探測法的優(yōu)點是圖像比較直觀、對缺陷尺寸和性質(zhì)的判斷比較容易，但其對微小裂紋的探測靈敏度低，探測費用較高。超聲波探測法具有可探測厚度大、檢測靈敏度高、成本低等特點，但其探測時有一定的近場盲區(qū)，且探測試件易被污染。與上述探測方法相比，聲發(fā)射探測具有靈敏度高，檢查覆蓋面積大，漏檢率低及可在被測試件運行中進(jìn)行探測的優(yōu)點，因此，該方法被廣泛應(yīng)用于碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷監(jiān)測，是復(fù)合材料健康監(jiān)測領(lǐng)域現(xiàn)階段乃至將來一段時期內(nèi)的主流技術(shù)。
[0004]由于光纖傳感系統(tǒng)具有質(zhì)量輕、體積小、耐腐蝕、易于遠(yuǎn)程遙測和實現(xiàn)分布式測量等優(yōu)點，使得基于光纖傳感的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外航空領(lǐng)域研究者們重點關(guān)注的新熱點。20世紀(jì)70年代，美國弗吉尼亞理工學(xué)院州立大學(xué)的Claus等首次把光纖埋入了增強(qiáng)復(fù)合材料碳纖維，使得材料具有傳感和探測斷裂損傷的功能。隨后，格魯門公司采用光纖光柵傳感器監(jiān)控F-18機(jī)翼的損傷和應(yīng)變，馬丁公司把光纖光柵傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在X-33航天飛機(jī)的應(yīng)力及溫度監(jiān)控上，DALTA Π火箭的復(fù)合材料發(fā)動機(jī)箱上應(yīng)用了基于光纖光柵傳感器網(wǎng)絡(luò)的健康監(jiān)測系統(tǒng)。但上述應(yīng)用均未實現(xiàn)對碳纖維復(fù)合材料腐蝕狀態(tài)的監(jiān)測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)及監(jiān)測方法。
[0006]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:
一種基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源，I XN型光纖耦合器，光纖連接器，傳感光纖，LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭，N X I型光開關(guān)，光譜儀和計算機(jī);所述I X N型光纖耦合器包括一個I X N型光纖耦合器輸入端和N個I X N型光纖耦合器輸出端，其中I XN型光纖耦合器輸入端與寬帶光源相連，N個I XN型光纖耦合器輸出端通過光纖連接器和傳感光纖分別與不同探測位置的LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭的輸入端相連;N個LPFG碳化娃物質(zhì)氧化傳感探頭的輸出端分別與NX I型光開關(guān)的輸入端相連，NX I型光開關(guān)的輸出端與光譜儀相連，所述計算機(jī)和光譜儀相連，通過計算機(jī)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與N XI型光開關(guān)的光路切換。
[0007]所述LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭包括設(shè)在傳感光纖內(nèi)部的纖芯、設(shè)在纖芯內(nèi)部的傳感柵區(qū)以及設(shè)在LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭表層的SiC物質(zhì)敏感膜，利用傳感柵區(qū)對光的透射作用，將傳輸過來的特定波長光耗散掉，通過SiC物質(zhì)敏感膜的消耗反應(yīng)實現(xiàn)對SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的監(jiān)測。
[0008]為了進(jìn)一步提高檢測的準(zhǔn)確性，所述LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭通過與IXN型光纖耦合器和NX I型光開關(guān)的組合結(jié)合為多個探頭分布的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)排布。
[0009]上述傳感系統(tǒng)，包括LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感裝置，上述裝置內(nèi)部均有配套的傳感方案，進(jìn)而實現(xiàn)對SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的監(jiān)測;LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭與被測SiC類復(fù)合材料試件之間采用局部膠接耦合，以保證LPFG傳感探頭與SiC類復(fù)合材料處于相同的服役環(huán)境下；在監(jiān)測過程中LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭始終為并聯(lián)式網(wǎng)絡(luò)排布，有效控制傳感器網(wǎng)絡(luò)冗余問題。分布式SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)的組成是:在不同根光纖上制備的LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭可通過I XN型光纖耦合器和NX I型光開關(guān)的組合結(jié)合為多個探頭分布的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)排布，有效控制傳感器網(wǎng)絡(luò)冗余問題。
[0010]一種監(jiān)測SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的方法，使用上述的基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，以碳氧反應(yīng)、硅氧反應(yīng)進(jìn)程作為SiC類復(fù)合材料SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測的指標(biāo)參數(shù)，即通過監(jiān)測SiC物質(zhì)內(nèi)部C、Si元素的氧化反應(yīng)情況來評估SiC物質(zhì)的氧化狀態(tài)，進(jìn)而推出SiC類復(fù)合材料的氧化腐蝕狀態(tài)情況，包括以下四個方面:
A、碳氧反應(yīng)監(jiān)測:結(jié)合LPFG光纖光柵表面預(yù)應(yīng)力鍍膜傳感方法，將SiC物質(zhì)敏感膜(12)鍍于施加一定預(yù)應(yīng)力的長周期光纖光柵柵區(qū)表面，利用物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中敏感膜剛度參量變化，構(gòu)建預(yù)應(yīng)力鍍膜LPFG碳氧反應(yīng)監(jiān)測傳感探頭，S卩LPFG表面SiC膜質(zhì)量消耗引起LPFG柵區(qū)所受預(yù)應(yīng)力減小，使得LPFG透射光譜諧振峰波長發(fā)生偏移；
B、硅氧反應(yīng)監(jiān)測:結(jié)合LPFG光纖光柵表面鍍膜傳感方法，將SiC物質(zhì)敏感膜(12)鍍于長周期光纖光柵柵區(qū)表面，利用物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中敏感膜折射率變化，構(gòu)建基于鍍膜LPFG硅物質(zhì)氧化監(jiān)測傳感探頭，即LPFG表面SiC膜中Si元素的氧化腐蝕引起LPFG柵區(qū)周圍SiC敏感膜折射率發(fā)生變化；
C、SiC物質(zhì)氧化監(jiān)測:結(jié)合碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)的進(jìn)程監(jiān)測，通過監(jiān)測SiC物質(zhì)內(nèi)部C、Si元素的氧化反應(yīng)情況來評估SiC物質(zhì)的氧化狀態(tài)，進(jìn)而獲得SiC類復(fù)合材料的氧化腐蝕狀態(tài)情況；
D、由于用于監(jiān)測碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)進(jìn)程的LPFG傳感探頭制作方法相同，且傳感檢測的LPFG特征參量不同，因此，用一個LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)實現(xiàn)對碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)的同時監(jiān)測，即LPFG透射光譜的諧振峰波長對應(yīng)于碳氧反應(yīng)進(jìn)程，LPFG透射光譜的諧振峰幅值對應(yīng)于硅氧反應(yīng)進(jìn)程。
[0011]以SiC物質(zhì)中的C元素氧化作為第一監(jiān)測指標(biāo)，對SiC物質(zhì)自身C元素的變化情況進(jìn)行監(jiān)測；以SiC物質(zhì)中的Si元素氧化作為第二監(jiān)測指標(biāo)，對SiC物質(zhì)內(nèi)部Si元素變化情況進(jìn)行監(jiān)測。
[0012]所述LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭與待測SiC類復(fù)合材料之間均采用局部膠接耦合，保證其與SiC類復(fù)合材料處于相同服役環(huán)境下。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
將SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)傳感監(jiān)測分為兩個方面，S卩:以碳氧反應(yīng)、硅氧反應(yīng)的進(jìn)程作為待測參量，對氧化過程中C元素的消耗情況和Si元素的反應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測，拓展了 SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)傳感監(jiān)測的全面性;利用LPFG對軸向應(yīng)變變化和表面折射率變化分辨率高、響應(yīng)快、高通量、敏感、特異、簡便、對樣品本身無損傷等優(yōu)點，實現(xiàn)SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的監(jiān)測，確定SiC類復(fù)合材料件的內(nèi)部氧化損傷狀態(tài)，可應(yīng)用于航空、艦船等領(lǐng)域的SiC類復(fù)合材料氧化損傷狀態(tài)監(jiān)測；同時由于采用了光纖作為傳感基體，又具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、耐高壓、耐腐蝕、可實現(xiàn)分布式測量以及遠(yuǎn)程遙測監(jiān)控等優(yōu)點；通過簡化傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)且采用光譜檢測技術(shù)，可提高測量精度，克服光強(qiáng)測量易受光源不穩(wěn)定影響的缺點;通過采用相應(yīng)的封裝及保護(hù)方式，可避免由于溫度、濕度等外界因素對LPFG傳感系統(tǒng)所帶來的影響，保證氧化狀態(tài)監(jiān)測的可靠性和耐久性。
【附圖說明】
[0014]圖1是SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)傳感監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。
[0015]圖2是IXN型光纖耦合器示意圖。
[0016]圖3是LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭示意圖。
[0017]圖4是NX I型光開關(guān)示意圖。
[0018]圖5是一種基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作進(jìn)一步的說明。
[0020]如圖1-5所示，一種基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，包括寬帶光源I，I X N型光纖耦合器2，光纖連接器3，傳感光纖4，LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5，NX I型光開關(guān)6，光譜儀7和計算機(jī)8;所述I XN型光纖耦合器2包括一個I XN型光纖耦合器輸入端9和N個I XN型光纖耦合器輸出端10，其中I XN型光纖耦合器輸入端9與寬帶光源I相連，N個I XN型光纖耦合器輸出端10通過光纖連接器3和傳感光纖4分別與不同探測位置的LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5的輸入端相連;N個LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5的輸出端分別與N X I型光開關(guān)6的輸入端14相連，N X I型光開關(guān)6的輸出端15與光譜儀7相連，所述計算機(jī)8和光譜儀7相連，通過計算機(jī)8實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與N X I型光開關(guān)6的光路切換。
[0021]如圖2所示，寬帶光源I發(fā)出寬帶光，進(jìn)入IXN型光纖耦合器輸入端9，其中光強(qiáng)被平均分成N等分，分別傳播到N個I X N型光纖耦合器輸出端10，再通過光纖連接器3，經(jīng)過傳感光纖4傳播到LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5，與待測傳感探頭表面敏感膜的氧化狀態(tài)相互作用產(chǎn)生耦合效應(yīng)，在經(jīng)過LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5中，柵區(qū)作用后的透射光譜通過NX I型光開關(guān)輸出端15進(jìn)入光譜分析儀7，再經(jīng)過計算機(jī)8處理輸出透射光譜諧振峰波長、諧振峰幅值與變化參量之間的關(guān)系曲線，從而實現(xiàn)了整個測量光路部分的全光纖化。
[0022]根據(jù)LPFG光譜輸出特性，通過引入I XN型光纖耦合器2、NX I型光開關(guān)6構(gòu)建LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可對SiC類復(fù)合材料試件實現(xiàn)多位點探測的基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)。當(dāng)多個LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5處于不同測試位置時，不同的待測位置的物質(zhì)氧化分布情況與傳感器相互作用，從而引起各個LPFG傳感器透射光譜諧振峰波長及幅值的變化。通過對傳感器輸出LPFG光譜的不同透射光譜諧振峰波長及幅值的檢測，可得到分布式檢測的信號。
[0023]圖3是LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5示意圖，所述LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5包括設(shè)在傳感光纖4內(nèi)部的纖芯、設(shè)在傳感光纖4纖芯內(nèi)部的傳感柵區(qū)11以及設(shè)在LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5表層的SiC物質(zhì)敏感膜12，利用LPFG敏感柵區(qū)對光的透射作用，將傳輸過來的特定波長光耗散掉，通過SiC物質(zhì)敏感膜12的消耗反應(yīng)實現(xiàn)對SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的監(jiān)測。
[0024]結(jié)合光纖光柵表面預(yù)應(yīng)力鍍膜傳感方法，將SiC敏感膜鍍于施加一定預(yù)應(yīng)力的長周期光纖光柵(LPFG)柵區(qū)表面，構(gòu)建預(yù)應(yīng)力鍍膜LPFG碳化硅物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感探頭，即LPFG表面SiC膜氧化引起LPFG柵區(qū)所受軸向預(yù)應(yīng)力減小和LPFG柵區(qū)周圍折射率改變，軸向預(yù)應(yīng)力的減小引起LPFG透射光譜諧振峰波長發(fā)生藍(lán)移，表面折射率的變化會引起LPFG透射光譜諧振峰幅值發(fā)生偏移。
[0025]圖5是分布式SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)示意圖。它的具體組成是通過IXN型光纖耦合器2和NX I型光開關(guān)6，將多個LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭5并聯(lián)。
[0026]一種監(jiān)測SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的方法，利用上述的基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，以碳氧反應(yīng)、硅氧反應(yīng)進(jìn)程作為SiC類復(fù)合材料SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測的指標(biāo)參數(shù)，即通過監(jiān)測SiC物質(zhì)內(nèi)部C、Si元素的氧化反應(yīng)情況來評估SiC物質(zhì)的氧化狀態(tài)，進(jìn)而推出SiC類復(fù)合材料的氧化腐蝕狀態(tài)情況，包括以下四個方面:
A、碳氧反應(yīng)監(jiān)測:結(jié)合LPFG光纖光柵表面預(yù)應(yīng)力鍍膜傳感方法，將SiC物質(zhì)敏感膜鍍于施加一定預(yù)應(yīng)力的長周期光纖光柵柵區(qū)表面，利用物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中敏感膜剛度參量變化，構(gòu)建預(yù)應(yīng)力鍍膜LPFG碳氧反應(yīng)監(jiān)測傳感探頭，S卩LPFG表面SiC膜質(zhì)量消耗引起LPFG柵區(qū)所受預(yù)應(yīng)力減小，使得LPFG透射光譜諧振峰波長發(fā)生偏移；
B、硅氧反應(yīng)監(jiān)測:結(jié)合LPFG光纖光柵表面鍍膜傳感方法，將SiC物質(zhì)敏感膜鍍于長周期光纖光柵柵區(qū)表面，利用物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中敏感膜折射率變化，構(gòu)建基于鍍膜LPFG硅物質(zhì)氧化監(jiān)測傳感探頭，即LPFG表面SiC膜中Si元素的氧化腐蝕引起LPFG柵區(qū)周圍SiC敏感膜折射率發(fā)生變化；
C、SiC物質(zhì)氧化監(jiān)測:結(jié)合碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)的進(jìn)程監(jiān)測，通過監(jiān)測SiC物質(zhì)內(nèi)部C、Si元素的氧化反應(yīng)情況來評估SiC物質(zhì)的氧化狀態(tài)，進(jìn)而對SiC類復(fù)合材料的氧化腐蝕狀態(tài)情況；
D、由于用于監(jiān)測碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)進(jìn)程的LPFG傳感探頭制作方法相同，且傳感檢測的LPFG特征參量不同，因此，用一個LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)實現(xiàn)對碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)的同時監(jiān)測，即LPFG透射光譜的諧振峰波長對應(yīng)于碳氧反應(yīng)進(jìn)程，LPFG透射光譜的諧振峰幅值對應(yīng)于硅氧反應(yīng)進(jìn)程。
[0027]上述監(jiān)測方法利用LPFG透射光譜法進(jìn)行監(jiān)測；在待監(jiān)測的SiC類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件和LPFG(長周期光纖光柵的縮寫)碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭之間采用局部耦合;在監(jiān)測過程中，LPFG傳感探頭通過N X I型光開關(guān)實現(xiàn)分布式網(wǎng)絡(luò)排布。
[0028]上述步驟A中，利用LPFG傳感柵區(qū)對SiC膜表面應(yīng)變變化的敏感性質(zhì)，通過測量碳氧反應(yīng)過程中由于LPFG預(yù)應(yīng)力的釋放引起的LPFG透射光譜諧振峰波長變化，檢測出SiC物質(zhì)敏感膜的物質(zhì)氧化情況。
[0029]上述步驟B中，利用LPFG傳感柵區(qū)對SiC膜表面折射率變化的敏感性質(zhì)，通過測量硅氧反應(yīng)過程中由于LPFG柵區(qū)表面折射率的變化引起的LPFG透射光譜諧振峰幅值改變，檢測出S i C物質(zhì)敏感膜的物質(zhì)氧化情況。
[0030]利用LPFG傳感柵區(qū)對敏感膜腐蝕后LPFG預(yù)應(yīng)力釋放的敏感性質(zhì)，通過測量物質(zhì)腐蝕過程中由于SiC物質(zhì)內(nèi)部碳氧反應(yīng)引起LPFG透射光譜諧振峰波長的變化情況，進(jìn)而得到SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)。
[0031]上述監(jiān)測方法，第一方面的監(jiān)測參量為表征SiC物質(zhì)氧化的碳氧反應(yīng)。利用碳氧反應(yīng)作為表征參數(shù)，將LPFG光譜特性與表面預(yù)應(yīng)力鍍膜傳感方法相結(jié)合，實現(xiàn)對SiC物質(zhì)內(nèi)部碳氧反應(yīng)的實時、在線監(jiān)測。
[0032]上述監(jiān)測方法，第二方面的監(jiān)測參量為表征SiC物質(zhì)氧化的硅氧反應(yīng)。利用硅氧反應(yīng)作為表征參數(shù)，將LPFG光譜特性與表面鍍膜傳感方法相結(jié)合，通過對S12生成物的檢測，實現(xiàn)對SiC物質(zhì)內(nèi)部硅氧反應(yīng)的實時、在線監(jiān)測。
[0033]上述監(jiān)測方法，為了監(jiān)測的準(zhǔn)確性及方便性，以SiC類復(fù)合材料中SiC物質(zhì)消耗量作為參考點，對氧化損傷過程中C、Si元素的反應(yīng)情況進(jìn)行監(jiān)測。
[0034]SiC物質(zhì)內(nèi)部碳氧反應(yīng)發(fā)生時，由于LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭表面的SiC敏感薄膜與O2反應(yīng)生成C0、C02，出現(xiàn)SiC敏感薄膜消耗出現(xiàn)坑蝕，使得SiC敏感薄膜的剛度減小，進(jìn)而導(dǎo)致LPFG軸向預(yù)應(yīng)力的釋放，LPFG透射光譜諧振峰波長減小。
[0035]SiC物質(zhì)內(nèi)部硅氧反應(yīng)發(fā)生時，由于LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭表面的SiC敏感薄膜與O2反應(yīng)生成S12,使得SiC敏感薄膜的折射率發(fā)生變化，進(jìn)而影響LPFG透射光譜諧振峰幅值發(fā)生變化。
[0036]上述監(jiān)測方法，為了提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，氧化過程中分別從碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)對LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭進(jìn)行分析，且探頭與待測的SiC類復(fù)合材料之間采用支架式局部膠結(jié)耦合。
【主權(quán)項】
1.一種基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，其特征在于:包括寬帶光源(I)，1 XN型光纖耦合器(2)，光纖連接器(3)，傳感光纖(4)，LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)，NX I型光開關(guān)(6)，光譜儀(7)和計算機(jī)(8);所述I XN型光纖耦合器(2)包括一個I XN型光纖耦合器輸入端(9)和N個I XN型光纖耦合器輸出端(10)，其中I XN型光纖耦合器輸入端(9)與寬帶光源(I)相連，N個I XN型光纖耦合器輸出端(10)通過光纖連接器(3)和傳感光纖(4)分別與不同探測位置的LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)的輸入端相連;N個LPFG碳化娃物質(zhì)氧化傳感探頭(5 )的輸出端分別與N X I型光開關(guān)(6 )的輸入端(14)相連，NXl型光開關(guān)(6 )的輸出端(15 )與光譜儀(7 )相連，所述計算機(jī)(8 )和光譜儀(7 )相連，通過計算機(jī)(8)實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與NX I型光開關(guān)(6)的光路切換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)包括設(shè)在傳感光纖(4)內(nèi)部的纖芯(13)、設(shè)在纖芯(13 )內(nèi)部的傳感柵區(qū)(11)以及設(shè)在LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5 )表層的SiC物質(zhì)敏感膜(12)，利用傳感柵區(qū)(11)對光的透射作用，將傳輸過來的特定波長光耗散掉，通過S i C物質(zhì)敏感膜(12 )的消耗反應(yīng)實現(xiàn)對S i C物質(zhì)氧化狀態(tài)的監(jiān)測。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，其特征在于:所述LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)通過與I XN型光纖耦合器(2)和NX I型光開關(guān)(6)的組合結(jié)合為多個探頭分布的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)排布。4.一種監(jiān)測SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的方法，利用如權(quán)利要求1所述的基于LPFG傳感特性的SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測傳感系統(tǒng)，以碳氧反應(yīng)、硅氧反應(yīng)進(jìn)程作為SiC類復(fù)合材料SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)監(jiān)測的指標(biāo)參數(shù)，即通過監(jiān)測SiC物質(zhì)內(nèi)部C、Si元素的氧化反應(yīng)情況來評估SiC物質(zhì)的氧化狀態(tài)，進(jìn)而推出SiC類復(fù)合材料的氧化腐蝕狀態(tài)情況，其特征在于:包括以下四個方面: A、碳氧反應(yīng)監(jiān)測:結(jié)合LPFG光纖光柵表面預(yù)應(yīng)力鍍膜傳感方法，將SiC物質(zhì)敏感膜(12)鍍于施加一定預(yù)應(yīng)力的長周期光纖光柵柵區(qū)表面，利用物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中敏感膜剛度參量變化，構(gòu)建預(yù)應(yīng)力鍍膜LPFG碳氧反應(yīng)監(jiān)測傳感探頭，S卩LPFG表面SiC膜質(zhì)量消耗引起LPFG柵區(qū)所受預(yù)應(yīng)力減小，使得LPFG透射光譜諧振峰波長發(fā)生偏移； B、硅氧反應(yīng)監(jiān)測:結(jié)合LPFG光纖光柵表面鍍膜傳感方法，將SiC物質(zhì)敏感膜(12)鍍于長周期光纖光柵柵區(qū)表面，利用物質(zhì)轉(zhuǎn)換過程中敏感膜折射率變化，構(gòu)建基于鍍膜LPFG硅物質(zhì)氧化監(jiān)測傳感探頭，即LPFG表面SiC膜中Si元素的氧化腐蝕引起LPFG柵區(qū)周圍SiC敏感膜折射率發(fā)生變化； C、SiC物質(zhì)氧化監(jiān)測:結(jié)合碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)的進(jìn)程監(jiān)測，通過監(jiān)測SiC物質(zhì)內(nèi)部C、Si元素的氧化反應(yīng)情況來評估SiC物質(zhì)的氧化狀態(tài)，進(jìn)而對SiC類復(fù)合材料的氧化腐蝕狀態(tài)情況； D、由于用于監(jiān)測碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)進(jìn)程的LPFG傳感探頭制作方法相同，且傳感檢測的LPFG特征參量不同，因此，用一個LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)實現(xiàn)對碳氧反應(yīng)和硅氧反應(yīng)的同時監(jiān)測，即LPFG透射光譜的諧振峰波長對應(yīng)于碳氧反應(yīng)進(jìn)程，LPFG透射光譜的諧振峰幅值對應(yīng)于硅氧反應(yīng)進(jìn)程。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的方法，其特征在于:以SiC物質(zhì)中的C元素氧化作為第一監(jiān)測指標(biāo)，對SiC物質(zhì)自身C元素的變化情況進(jìn)行監(jiān)測；以SiC物質(zhì)中的Si元素氧化作為第二監(jiān)測指標(biāo)，對SiC物質(zhì)內(nèi)部Si元素變化情況進(jìn)行監(jiān)測。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的監(jiān)測SiC物質(zhì)氧化狀態(tài)的方法，其特征在于:所述LPFG碳化硅物質(zhì)氧化傳感探頭(5)與待測SiC類復(fù)合材料之間均采用局部膠接耦合，保證其與SiC類復(fù)合材料處于相同服役環(huán)境下。
【文檔編號】G01N21/25GK105866041SQ201610202297
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月2日
【發(fā)明人】劉宏月, 于瀛潔
【申請人】上海大學(xué)