光纖布拉格光柵監測碳纖維復合材料固化成型過程*

于海濤，劉文濤，張金棟，周 蒙，魏 鵬，肇 研

（1.中航工業哈爾濱飛機工業集團有限責任公司，哈爾濱 150066；2.北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191；3.北京航空航天大學材料科學與工程學院，北京 100191）

碳纖維復合材料固化成型過程中，溫度和應變是對該產品質量影響最重要的兩個控制參量。目前，常用的溫度測量方法一般有熱電偶溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器，常用的應變測量方法有電阻應變片、邁克爾遜干涉儀傳感器、F-P外腔干涉儀傳感器[1-2]、FBG傳感器[3-7]和布里淵光時域反射計傳感器。鑒于試驗中要監測的復合材料厚度僅為幾毫米，傳統的溫度應變傳感器由于體積較大無法實現嵌入式監測，而光纖光柵傳感器具有尺寸小[8]，對結構鋪層、力學性能影響小、靈敏度高、測量溫度、應變范圍寬等優勢而被選為本實驗所用溫度和應變傳感器。本文提出了一種利用光纖布拉格光柵（Fiber Bragg Grating,FBG）監測碳纖維復合材料固化成型整個過程中內部的應變和溫度的方法。

1 試驗原理

1.1 光纖布拉格光柵傳感器工作原理

光纖布拉格光柵的諧振方程為

式中，光纖布拉格光柵波長λB是光纖布拉格光柵發射回來的入射光在自由空間中的中心波長；neff是光纖纖芯針對自由空間中心波長的折射率，Λ是光柵周期，也就是光柵常數。

可見，光纖光柵的諧振波長λB取決于光柵周期Λ和纖芯模的有效折射率neff，任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵諧振波長偏移?！?br>