[发明专利]与散射结构相关的布拉格光栅光纤传感器及定位和安装这种传感器的方法

说明书

本发明涉及使用布拉格光栅光纤传感器的集成健康监测的领域。它涉及这样的传感器以及用于在支撑件上定位和安装该传感器的方法。根据本发明，布拉格光栅光纤传感器(30)包括光纤(31)，在光纤中写入形成布拉格光栅的至少一组图案(33)，该光纤还包括在每个布拉格光栅附近的一组微结构(32)，微结构独立于形成布拉格光栅的图案，每个微结构(32)能够散射光束的预定散射波长范围内的一部分。

技术领域

本发明涉及使用布拉格光栅光纤传感器的结构健康监测的领域。本发明涉及这种传感器以及用于将这种传感器定位和安装在支撑件上的方法。

本发明特别适用于在复合材料结构的表面上或在该结构内安装或验证布拉格光栅光纤传感器的定位。

背景技术

复合材料现在在包括航空在内的许多应用中被广泛用于替代金属材料。它们在具有相同的机械性能的同时提供能够显著降低结构的重量的优点。然而，复合材料的老化及其机械性能的相关变化仍知之甚少。因此，在需要高度安全性的应用中，例如航空业，这些材料的使用通常与结构上或结构中的各种传感器的集成相关联，以便跟踪这些变化。涉及使用集成传感器来跟踪结构的特性的不同技术被称为“结构健康监测”。在可以使用的不同类型的传感器中，布拉格光栅光纤传感器代表了一种特别合适的技术。它们可以在静态或准静态模式以及动态模式下提供温度和变形测量。特别地，可以进行振动测量、加速度测量或实际检测声波。所有这些数据对于检测、定位和表征仪表化结构的缺陷都是有用的。此外，相同的布拉格光栅光纤传感器可以包括在不同的波段中起作用的若干布拉格光栅，并且由此为同一个光纤提供多个感测元件：这被称为光谱布拉格光栅多路复用。布拉格光栅也可以以时域进行区分，或者以频域和时域进行区分：这分别被称为时间复用以及光谱和时间复用。

布拉格光栅光纤传感器可以在其制造过程中集成在结构的表面上或集成在材料芯中，例如集成在复合材料的褶皱中。在任何情况下，在安装光纤传感器时通常需要将布拉格光栅精确安置在给定的目标区域上。然而，由于缺乏刻在光纤中的布拉格光栅的可见性，使得这种安置变得困难。光纤通常具有相对较小的直径，在所称的单模光纤的情况下，保护涂层的外直径通常在150μm(微米)至250μm之间，芯部直径通常大约是十纳米的量级，或者在所称的多模光纤的情况下通常在几十微米。布拉格光栅刻在光纤的芯部中，它们也具有非常小的尺寸，使它们通常不可见或有些不可见。一种解决方案包括在布拉格光栅的水平上标记光纤，以实现间接定位。标记包括在光纤周围施加胶带或油漆涂层。然而，由于纤维的外直径小，因此标记难以定位。此外，传感器待被安装在其表面上的材料通常是深色的，这使得观察标记更加困难。最后，这种表面标记在化学产品的作用下可能会消失，例如通过在将光纤结合到结构的表面之前利用乙醇来清洗光纤的表面。

此外，可以证明的是，在将光纤传感器安装在仪表化结构上之后，布拉格光栅的定位是有用的。该定位可以检查测量点的正确安置或定位这些测量点，例如在结构维护阶段期间。当光纤附接到结构的表面上时，定位布拉格光栅会经受与其安装期间相同的问题。此外，在安装布拉格光栅传感器之后通过在结构表面上添加粘附膜或保护涂层，会使任务复杂化。因此，布拉格光栅可能根本无法在视觉上定位。当布拉格光栅光纤传感器嵌入复合材料中时，情况也是如此。用于定位安装在结构上的光纤传感器的布拉格光栅的一种解决方案包括在将测量信号注入光纤中并监测其光谱响应的同时，对它们局部地和单独地施加应力。在实践中，可以使用点热源扫掠结构的表面并监测布拉格光栅的光谱响应。观察到布拉格波长变化的位置对应于布拉格光栅的位置。这种方法可以将布拉格光栅定位在表面上或嵌入材料中。然而，在大面积的表面的情形下，进行扫掠可能既费时又乏味。此外，热源必须保持足够靠近表面以确保布拉格光栅的响应的足够变化，并且热源必须足够远以防止损坏结构。对于非平面表面，将需要特定的工具来执行扫掠。

鉴于以上所述，本发明的目的是提供一种简单的解决方案，以使得在布拉格光栅光纤传感器的安装期间以及在该安装之后，能够定位集成在结构中的该传感器的不同布拉格光栅。

发明内容