CN114777949A - 光纤光栅传感器、碳纤维复合导线及制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维复合导线技术领域，具体涉及一种光纤光栅传感器、碳纤维复合导线及制作方法。光纤光栅传感器包括：碳纤维管；光纤，其上刻写有检测光栅，光纤插于碳纤维管中；碳纤维片层，填充于碳纤维管与光纤之间，且与碳纤维管固化成一体。碳纤维复合导线，包括：碳纤维芯棒；前述的光纤光栅传感器；铝绞层。本发明的光纤光栅传感器，采用碳纤维管和碳纤维片层封装光纤，能够提高检测灵敏度。本发明的碳纤维复合导线，采用碳纤维管和碳纤维片层封装传感器，与碳纤维复合导线的芯棒为同一材质，具有相同的热膨胀系数，便于准确测量芯棒的应力应变，可以避免不同材料之间产生的热应力，进一步提高检测灵敏度。

Description

光纤光栅传感器、碳纤维复合导线及制作方法

技术领域

本发明涉及碳纤维复合导线技术领域，具体涉及一种光纤光栅传感器、碳纤维复合导线及制作方法。

背景技术

碳纤维复合导线是一种全新结构的节能型增容导线，与常规导线相比，具有重量轻、耐热性能好、导电率高、线损低、载流量大、耐腐蚀性能好、不易覆冰等一系列优点。碳纤维复合导线包括碳纤维芯棒及其外侧的铝绞层。目前大部分碳纤维芯棒为单芯，其抗弯抗折抗劈裂能力弱,一旦很小的局部受损,就极容易出现整根破断现象，并且因为在铝绞层内部，不宜发现。

因此，从2014年开始有科研机构和企业开始在碳纤维芯棒里嵌入光纤光栅传感器，通过检测温度和应力来判断碳纤维芯棒的受损情况。现有光纤光栅传感器为保证能够检测应力，一般直接将光纤埋入碳纤维芯棒内，光纤被树脂和玻璃纤维包裹，不能形成预应力，光纤检测的灵敏度较低。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中碳纤维复合导线中光纤光栅传感器的灵敏度不足的缺陷，从而提供一种光纤光栅传感器、碳纤维复合导线及制作方法。

本发明提供的光纤光栅传感器，包括：

碳纤维管；

光纤，其上刻写有检测光栅，所述光纤插于所述碳纤维管中；

碳纤维片层，填充于所述碳纤维管与所述光纤之间，且与所述碳纤维管固化成一体；

所述光纤被所述碳纤维片层包裹形成预应力。

可选的，所述检测光栅包括布拉格温度检测光栅和布拉格应力检测光栅。

本发明提供的光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

S1.将碳纤维片裁剪成长条状结构，平放在模板一上形成第一层碳纤维层，并使所述长条状结构的长度方向与所述光纤一致；

S2.在第一层碳纤维层表面涂抹一层环氧树脂胶；

S3.在环氧树脂胶表面铺设长条状的碳纤维片，形成第二层碳纤维层；

S4.在第二层碳纤维层表面涂抹一层环氧树脂胶，如此交替形成多层碳纤维层，且在本步骤中将刻有检测光栅的光纤插入相邻两层碳纤维层中，并保持所述光纤处于预应力状态；

S5.用模板二压紧所述多层碳纤维层，将多余的环氧树脂胶挤出；

S6.将步骤S5形成的结构卷成以光纤为轴的柱状结构；

S7.将所述柱状结构塞入碳纤维管，完成加工。

本发明提供的一种碳纤维复合导线，包括：

碳纤维芯棒；

前述光纤光栅传感器，其与所述碳纤维芯棒平行；

铝绞层，所述铝绞层将所述碳纤维棒和所述光纤光栅传感器缠绕固定。

优选的，所述碳纤维芯棒与所述光纤光栅传感器的碳纤维管固化成一体结构。

优选的，所述铝绞层设有多层。

本发明提供的碳纤维复合导线的制作方法，包括如下步骤：

S1.预制前述光纤光栅传感器；

S2.将所述光纤光栅传感器与碳纤维丝、玻璃纤维平行放置，并浸润环氧树脂，加热固化成碳纤维复合结构芯棒；

S3.在所述碳纤维复合结构芯棒的外侧绞合铝线，形成铝绞层。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的光纤光栅传感器，包括刻有检测光栅的光纤，该光纤能够检测周围结构的温度及应变。采用碳纤维片层封装光纤，由于碳纤维片层的膨胀系数比光纤的膨胀系数大一个数量级，所以会提高传感器检测的灵敏度；采用碳纤维管封装碳纤维片层，能够保证光纤的预应力，从而保证灵敏度；碳纤维管具有良好的抗腐蚀性，抗磨损远优于其他金属材料，在导线国家标准要求中能更好的保护光纤和耐用；碳纤维管是非磁性材料，可避免在高电压交流电输电导线时，受电磁干扰并产生电能损失；碳纤维管和碳纤维片层为同种材质，能够通过环氧树脂浸渍固化，形成既能保护光纤又能增敏的整体，灵敏度能达到30pm/度，可实现1摄氏度测量精度，完全满足导线测温测应力的需求。另外，碳纤维管与碳纤维复合导线的碳纤维芯棒为同一材质，具有相同的热膨胀系数，便于准确测量芯棒的应力应变，可以避免不同材料之间产生的热应力，提高灵敏度，所以本传感器结构更适合应用于碳纤维复合导线中。

2.本发明提供的光纤光栅传感器，检测光栅为布拉格温度检测光栅和布拉格应力检测光栅，布拉格光栅可以同时检测外界温度和应力的变化，降低了温度和应力信号的解调难度。

3.本发明提供的光纤光栅传感器的制作方法，采用了碳纤维材料为基底材料，利用环氧树脂胶为连接体，将碳纤维片采用层层叠加的方式制成碳纤维多层结构，将刻有布拉格光栅的光纤封装在其中。本操作工艺简洁、成本低，便于配合大规模长距离导线的生产，测量线性度好，便于填充入碳纤维管进行封装并固化为一个整体。

4.本发明提供的碳纤维复合导线，因具有前述光纤光栅传感器，所以具有该光纤光栅传感器的任一项好处。

5.本发明提供的碳纤维复合导线，将碳纤维芯棒与光纤光栅传感器通过同轴浸润环氧树脂，加热固化制成碳纤维复合结构芯棒，使其具有更好的一体性，提高灵敏度。

6.本发明提供的碳纤维复合导线，铝绞层可为多层，可根据具体使用情况适当增加或减少铝绞层，可适应不同的使用场景。

7.本发明提供的碳纤维复合导线的制作方法，包含前述光纤光栅传感器的制作过程，所以具有该制作过程的任一项好处。并且，光纤光栅传感器与碳纤维芯棒一体固化成型，加工简便，且能够提高传感器检测的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中光纤光栅传感器的截面示意图；

图2为本发明实施例中碳纤维复合导线的截面示意图。

附图标记说明：

1、光纤；2、碳纤维片层；3、碳纤维管；4、光纤光栅传感器；5、碳纤维芯棒；6、铝绞层。

具体实施方式

实施例1

参照图1，本实施例提供一种光纤光栅传感器，包括：

碳纤维管；

光纤，其上刻写有检测光栅，光纤插于碳纤维管中；

碳纤维片层，填充于碳纤维管与光纤之间，且与碳纤维管固化成一体；

光纤被碳纤维片层包裹形成预应力。

上述光纤传感器，包括刻有检测光栅的光纤，该光纤能够检测周围结构的温度及应变。采用碳纤维片层封装光纤，由于碳纤维片层的膨胀系数比光纤的膨胀系数大一个数量级，所以会提高传感器检测的灵敏度；采用碳纤维管封装碳纤维片层，能够保证光纤的预应力，从而保证灵敏度；碳纤维管具有良好的抗腐蚀性，抗磨损远优于其他金属材料，在导线国家标准要求中能更好的保护光纤和耐用；碳纤维管是非磁性材料，可避免在高电压交流电输电导线时，受电磁干扰并产生电能损失；碳纤维管和碳纤维片层为同种材质，能够通过环氧树脂浸渍固化，形成既能保护光纤又能增敏的整体，灵敏度能达到30pm/度，可实现1摄氏度测量精度，完全满足导线测温测应力的需求。另外，碳纤维管与碳纤维复合导线的碳纤维芯棒为同一材质，具有相同的热膨胀系数，便于准确测量芯棒的应力应变，可以避免不同材料之间产生的热应力，提高灵敏度，所以本传感器结构更适合应用于碳纤维复合导线中。

优选的，检测光栅为布拉格温度检测光栅和布拉格应力检测光栅，布拉格光栅可以同时检测外界温度和应力的变化，降低了温度和应力信号的解调难度。

作为检测光栅的可替换实施方式，检测光栅也可只包括温度检测光栅或应力检测光栅。

实施例2

本实施例提供一种光纤光栅传感器的制作方法，包括如下步骤：

S1.将碳纤维片裁剪成长条状结构，平放在模板一上形成第一层碳纤维层，并使长条状结构的长度方向与光纤一致；

S2.在第一层碳纤维层表面涂抹一层环氧树脂胶；

S3.在环氧树脂胶表面铺设长条状的碳纤维片，形成第二层碳纤维层；

S4.在第二层碳纤维层表面涂抹一层环氧树脂胶，如此交替形成多层碳纤维层，且在本步骤中将刻有检测光栅的光纤插入相邻两层碳纤维层中，并保持光纤处于预应力状态；

S5.用模板二压紧多层碳纤维层，将多余的环氧树脂胶挤出；

S6.将步骤S5形成的结构卷成以光纤为轴的柱状结构；

S7.将柱状结构塞入碳纤维管，完成加工。

本实施例提供的光纤光栅传感器的制作方法，采用了碳纤维材料为基底材料，利用环氧树脂胶为连接体，将碳纤维片采用层层叠加的方式制成碳纤维多层结构，将刻有布拉格光栅的光纤封装在其中。本操作工艺简洁、成本低，便于配合大规模长距离导线的生产，测量线性度好，便于填充入碳纤维管进行封装并固化为一个整体。

具体的，模板一、模板二为平板，通过模板一与模板二配合使用可以将夹层中多余的环氧树脂胶挤出，这样可以提升多层碳纤维层的一体性。

具体的，采用模板二压紧多层碳纤维层时，需保持1-2小时，以便能够将多余的环氧树脂胶完全挤出。

具体的，步骤S7中所用的碳纤维管采用T700-1200K炭纤维丝通过3D旋转编织法制成纵向高弹性模量的中空碳纤维管。

实施例3

参照图2，本实施例提供一种碳纤维复合导线，包括：

碳纤维芯棒；

前述的光纤光栅传感器，其与碳纤维芯棒平行；

铝绞层，铝绞层将碳纤维棒和光纤光栅传感器缠绕固定。

本实施例中，通过光纤光栅传感器的设置，能够在导线受损时对受损部分快捷、有效的检测。并且采用前述的光纤光栅传感器，碳纤维管与碳纤维芯棒材料一致，具有相同的热膨胀系数，便于准确测量芯棒的应力应变，可以避免不同材料之间产生的热应力，提高灵敏度。

另外，若光纤光栅传感器发生损害时，因为碳纤维和光纤都是耐高温材料，只需加热到环氧树脂玻璃化温度(通常是200度以上)时，在保持温度的情况下即可仅将光纤光栅传感器抽出、更换，不需要更换碳纤维复合导线，且不会对其成分产生破坏。避免了运行期间被经常发生的雷击、人为剐蹭、高空坠物等外力破坏而损伤光纤，无法只更换光纤而继续使用原价格较昂贵的碳纤维导线导致的不必要浪费。

具体的，碳纤维棒与光纤光栅传感器可以仅通过铝绞层缠绕固定，也可以借助其他固定结构进行加固。

作为碳纤维复合导线的一种改进实施方式，碳纤维芯棒与光纤光栅传感器的碳纤维管固化成一体结构。将碳纤维芯棒与光纤光栅传感器通过同轴浸润环氧树脂，加热固化制成碳纤维复合结构芯棒，使其具有更好的一体性，提高灵敏度。

优选的，铝绞层设有多层。可根据具体使用情况适当增加或减少铝绞层，以适应不同的使用场景。

具体的，光纤光栅传感器在碳纤维复合导线中的数量不作限定，可以为1个或2个或多个，例如图2中所示为4个。

具体的，光纤光栅传感器在碳纤维芯棒内的位置不作限定，可以在碳纤维芯棒的中心，也可以在碳纤维芯棒的内部偏心位置，还可以在碳纤维芯棒的边缘位置。

检测时，使用光谱仪分析光源透过光栅后的中心波长漂移，以及通过布拉格温度检测光栅和布拉格应力检测光栅的差分解耦调制，分别获得碳纤维导线芯棒的温度与应力变化。如果发现导线某处相基于初始值的悬链线方程的连续应力有突变，则判断为芯棒受损。如果发现温度突然升高则有可能为雷击或过载等故障。

实施例4

本实施例提供一种碳纤维复合导线的制作方法，包括如下步骤：

S1.预制前述的光纤光栅传感器；

S2.将光纤光栅传感器与碳纤维丝、玻璃纤维平行放置，并浸润环氧树脂，加热固化成碳纤维复合结构芯棒；

S3.在碳纤维复合结构芯棒的外侧绞合铝线，形成铝绞层。

上述制作方法，光纤光栅传感器与碳纤维芯棒一体固化成型，加工简便，且能够提高传感器检测的灵敏度。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种光纤光栅传感器，其特征在于，包括：

碳纤维管(3)；

光纤(1)，其上刻写有检测光栅，所述光纤(1)插于所述碳纤维管(3)中；

碳纤维片层(2)，填充于所述碳纤维管(3)与所述光纤(1)之间，且与所述碳纤维管(3)固化成一体；

所述光纤(1)被所述碳纤维片层(2)包裹形成预应力。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅传感器，其特征在于，所述检测光栅包括布拉格温度检测光栅和布拉格应力检测光栅。

3.一种光纤光栅传感器的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.将碳纤维片裁剪成长条状结构，平放在模板一上形成第一层碳纤维层，并使所述长条状结构的长度方向与所述光纤(1)一致；

S2.在第一层碳纤维层表面涂抹一层环氧树脂胶；

S3.在环氧树脂胶表面铺设长条状的碳纤维片，形成第二层碳纤维层；

S4.在第二层碳纤维层表面涂抹一层环氧树脂胶，如此交替形成多层碳纤维层，且在本步骤中将刻有检测光栅的光纤(1)插入相邻两层碳纤维层中，并保持所述光纤(1)处于预应力状态；

S5.用模板二压紧所述多层碳纤维层，将多余的环氧树脂胶挤出；

S6.将步骤S5形成的结构卷成以光纤(1)为轴的柱状结构；

S7.将所述柱状结构塞入碳纤维管(3)，完成加工。

4.一种碳纤维复合导线，其特征在于，包括：

碳纤维芯棒(5)；

权利要求1或2所述的光纤光栅传感器，其与所述碳纤维芯棒(5)平行；

铝绞层(6)，所述铝绞层(6)将所述碳纤维棒和所述光纤光栅传感器缠绕固定。

5.根据权利要求4所述的碳纤维复合导线，其特征在于，所述碳纤维芯棒(5)与所述光纤光栅传感器的碳纤维管(3)固化成一体结构。

6.根据权利要求4或5所述的碳纤维复合导线，其特征在于，所述铝绞层(6)设有多层。

7.一种碳纤维复合导线的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.预制权利要求1或2所述的光纤光栅传感器；

S2.将所述光纤光栅传感器与碳纤维丝、玻璃纤维平行放置，并浸润环氧树脂，加热固化成碳纤维复合结构芯棒；

S3.在所述碳纤维复合结构芯棒的外侧绞合铝线，形成铝绞层(6)。

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