[发明专利]基于激光熔覆技术的光纤传感器机电部件一体化装置及安装方法

说明书

本发明基于激光熔覆技术的光纤传感器机电部件一体化装置及安装方法，包括光纤光栅传感器、石英玻璃套管、机电部件、挡块和金属焊粉，光纤光栅传感器包括光纤和设置在光纤上的光纤光栅，两个所述石英玻璃套管焊接在光纤上且对称设在光纤光栅栅区两侧，形成一体阶梯状光纤传感结构，机电部件表面设有凹槽用于埋设一体阶梯状光纤传感结构，将一体阶梯状光纤传感结构中的两个石英玻璃套管底部紧贴机电部件表面，挡块能够可拆卸的固定在机电部件表面上，金属焊粉铺设在机电部件表面且包覆所述一体阶梯状光纤传感结构，本发明利用激光熔覆技术将光纤光栅传感器与机电部件固定，形成一体阶梯状光纤传感结构与机电部件表面的机械连接，结合强度高、成型精度高。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器安装工艺，具体涉及基于激光熔覆技术的光纤传感器机电部件一体化装置及安装方法。

背景技术

机电部件是组成重大机械装备、航空航天装备、军事装备等国家基础性和战略性装备的基本单元。近年来，随着机电部件的结构复杂程度和功能集成化程度日益升高，机电部件的工作环境温度变化范围广、结构承受动不确定性增大，由此带来的机电部件可靠性、安全性问题也日益严重。因此，对机电部件在服役期间的健康状态进行在线监测，预测结构损伤的传播方向及结构力学性能的变化趋势，是一项具有重要意义的工作。光纤光栅传感技术由于其具有本质防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温与低温、体积小、重量轻、可分布式测量等诸多优点，已经在多种领域得到了广泛应用。

然而，传统的光纤光栅传感器通常是采用粘贴工艺附着在待测部件表面，存在的缺陷包括：裸露的光纤得不到有效保护；粘合剂的厚度不均将导致FBG中存在梯度变化；由于胶水长期使用中的蠕变行为，传感器会不可避免的发生啁啾失效。因此，将光纤光栅传感器与机电部件一体成型，即机电部件在制造完成时已将传感器融入其中并具备感知功能已逐渐成为了研究者研究的热门领域。现有的光纤光栅传感器与机电部件一体化成型的安装方法只简单考虑光纤与异种材料之间的界面连接，由于光纤本身为非晶态熔融石英材料，与聚合物及金属基材之间的界面连接为分子间弱吸引力，无法形成牢固化学键，因此在长期使用过程中无法满足高结合强度、高稳定性和高精度的要求。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供基于激光熔覆技术的光纤传感器机电部件一体化装置及安装方法，利用激光熔覆技术将阶梯式光纤光栅传感器与机电部件熔融固定；最终形成一体阶梯状光纤传感结构与机电部件表面的机械连接。本发明所述基于激光熔覆技术的光纤光栅传感器安装工艺具有结合强度高、成型精度高、避免了以往粘贴式光纤光栅传感器表面的胶水蠕变和脱落、提高了光纤光栅传感器检测精度等优点。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于激光熔覆的光纤传感器机电部件一体化装置，包括：

光纤光栅传感器，包括光纤和设置在光纤上的光纤光栅；

石英玻璃套管，两个所述石英玻璃套管焊接在光纤上且对称设在光纤光栅栅区两侧，形成一体阶梯状光纤传感结构；

机电部件，机电部件表面设有凹槽用于埋设一体阶梯状光纤传感结构，将一体阶梯状光纤传感结构中的两个石英玻璃套管底部紧贴机电部件表面；

挡块，能够可拆卸的固定在机电部件表面上；

金属焊粉，铺设在机电部件表面且包覆所述一体阶梯状光纤传感结构；

其中，将挡块固定在机电部件表面上且设在一体阶梯状光纤传感结构一侧，在一体阶梯状光纤传感结构远离挡块的另一侧通过光纤激光器沿第一Z字形路径对一体阶梯状光纤传感结构从头到尾逐段熔融，拆卸挡块，补充金属焊粉，在一体阶梯状光纤传感结构一侧通过光纤激光器沿第二Z字形路径对一体阶梯状光纤传感结构从头到尾逐段熔融，直到所述一体阶梯状光纤传感结构完全植入机电部件内部，对熔覆层进行打磨以使成型结构形状精度与机电部件表面未加工区域一致，第一Z字形路径和第二Z字形路径均由多个Z字形轨迹连接而成。