一种3D打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法

一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法
技术领域
1.本发明属于残余应力的检测技术领域，特别是涉及一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法。


背景技术：

2.光纤预制棒是可以用来拉制光纤的材料预制件。常见的光纤预制棒制作方法有气相沉积法和3d打印法两种，在开发具有复杂结构和多组分掺杂的新型特种光纤时，气相沉积法无法满足灵活的需求，因此提出了可以制造出传统生产技术无法制造出或者工艺繁琐、造型复杂的形状的3d打印技术，让使用者根据自身的需求有效地设计出更为复杂的器件模型，并且不影响产品的质量。但在打印胶水固化的过程中，化学收缩和温度冷却会带来热收缩，从而导致残余应力的累积，会在制造过程中导致预制件断裂，或者降低纤维的内部强度，降低其寿命，还会影响影响光学特性。因此在制造过程中对光纤预制棒内部进行残余应力的监测对3d打印光纤有着重要的意义。
3.目前，残余应力的检测方法分为破坏性方法和非破坏性方法。常见的破坏性方法就是钻孔法，该方法通过测量钻孔后孔周围的变形来实现残余应力测量，具有准确性和可靠性好、便于实际实施等优点，但由于具有破坏性，不能应用于光纤预制棒中残余应力的检测。在对光纤预制棒进行残余应力检测时，主要使用非破坏性方法，常用的有：超声波方法、x射线法、弹性光学效应测试法。超声波方法是基于在样品的前表面上对宽带纳秒探针超声脉冲的激光激励和对从样品的后表面反射的信号的反向模式检测，获得纵向超声速度的相对偏差进而获得残余应力的值，这种方法不受所研究材料类型的限制，可用于厚样品的残余应力测量，但由于应力的存在而产生的超声波速度的相对偏差非常小，准确性较小。x射线衍射方法的原理是当材料受到x射线照射时，照射区的多晶体同时以不同的方向衍射x射线，可以捕获衍射峰来计算应力。因为穿透深度相对较高，该方法能够无损地确定应力深度梯度，但它仅适用于结构局部小面积和狭窄部分的应力测量，因为照射面积不会因单次照射而改变。弹性光学效应测试法是用线偏振光横向于轴线照射样品，由于样品中的应力诱导双折射，光的偏振态发生改变，根据入射光的偏振态差，通过abel变换计算轴向应力。但这种方法测量起来难度较大，步骤较为繁琐。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了弥补现有技术中的不足，利用石英光纤体积小，低成本，对嵌入宿主损害小，耐腐蚀优点，提出了一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法。所述方法通过将光纤阵列埋入3d打印光纤预制件，通过分布式光纤技术实时监测3d打印光纤预制件内部残余应力分布。其特殊之处在于：光纤传感网络和分布式光纤测试仪。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法，所述方法包括如下步骤：
6.步骤1：制备光纤阵列：选择合适长度和半径的光纤，构建光纤阵列；
7.步骤2：将光纤阵列进行空间排列，构成光纤传感网络，将光纤传感网络与分布式光纤测试仪连接；
8.步骤3：将步骤2中排列好的光纤阵列浸入搅拌均匀的3d打印液态材料中，利用3ddlp打印机将液态材料固化制备预制棒，光纤阵列则随固化埋入到预制棒中；
9.步骤4：使用分布式光纤测试仪实时监测打印过程中光纤预制棒内部应变信号，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息；
10.步骤5：使用分布式光纤测试仪实时监测脱脂过程中光纤预制棒内部应变信号，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息；
11.步骤6：光纤预制棒进行预烧结，同时光纤预制棒内部的光纤传感网络在预烧结温度下融化，与预制棒熔为一体，随后续步骤拉制成新的光纤。
12.进一步地，步骤1中，选择光纤阵列光纤长度，应根据光纤距离光纤预制棒轴线距离合理选择光纤光栅阵列光纤长度,光纤长度与光纤预制棒尺寸相当。
13.进一步地，步骤4中，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息的方法为：使用分布式光纤测试仪询问光纤阵列光纤，在光纤预制棒内部出现残余应力时，出现残余应力的位置处应变分布会发生改变，分布式光纤测量技术对光纤上的应变大小和应变位置进行测试，基于此可获得残余应力分布情况。
14.进一步地，步骤5中，3d打印液态材料中包含有机物，需要在步骤4后进行高温脱脂去除有机物，因不均匀收缩导致脱脂过程中光纤预制棒内部产生残余应力，通过重复步骤4可实时监测脱脂过程中光纤预制棒内部残余应力分布，控制脱脂加热速率和温度，避免光纤预制棒产生裂隙。
15.本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法的步骤。
16.本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法的步骤。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.(1)实时测量，无需对待测光纤预制棒进行额外处理，只需将预留光纤引出与分布式光纤测试仪连接在一起，即可实时获得内部残余应力分布。
19.(2)该测量预制棒内部残余应力方法不依赖于预制棒的形状和大小。
20.(3)该方法所使用的测量工具光纤材质也为二氧化硅，可随后面光纤拉制步骤一同融化拉制成光纤而基本不对光纤产生任何影响。
21.(4)该测量方法可以在脱脂温度600℃下进行，从而监测脱脂过程中预制棒内部的残余应力，避免该步骤出现脱脂加热速率和温度不够理想导致的脱脂过程中预制棒内部产生的残余应力，导致光纤预制棒产生裂隙。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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
提供的附图获得其他的附图。
23.图1为基于分布式光纤测试技术的3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测系统示意图。
24.图2为光纤预制棒打印脱脂过程中出现的残余应力示意图。
25.图中标号：1-光纤预制棒，2-光纤传感阵列，3-尾纤，4-分布式光纤测试仪。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.结合图1-图2，本发明提出一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法，所述方法包括如下步骤：
28.步骤1：制备光纤阵列：选择合适长度和半径的光纤，构建光纤阵列；
29.步骤2：将光纤阵列进行空间排列，构成光纤传感网络，将光纤传感网络与分布式光纤测试仪连接；
30.步骤3：将步骤2中排列好的光纤阵列浸入搅拌均匀的3d打印液态材料中，利用3ddlp打印机将液态材料固化制备预制棒，光纤阵列则随固化埋入到预制棒中；
31.步骤4：使用分布式光纤测试仪实时监测打印过程中光纤预制棒内部应变信号，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息；
32.步骤5：使用分布式光纤测试仪实时监测脱脂过程中光纤预制棒内部应变信号，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息；
33.步骤6：光纤预制棒进行预烧结，同时光纤预制棒内部的光纤传感网络在预烧结温度下融化，与预制棒熔为一体，随后续步骤拉制成新的光纤。
34.步骤1中，选择光纤阵列光纤长度，应根据光纤距离光纤预制棒轴线距离合理选择光纤阵列光纤长度,光纤长度与光纤预制棒尺寸相当。
35.步骤4中，3ddlp打印机工作时，打印材料的加热和快速冷却循环会加剧不均匀的热梯度并导致应力积聚，从而产生残余应力导致光纤预制棒变形和尺寸不准确。因此获得光纤预制棒内部残余应力分布信息的方法为：使用分布式光纤测试仪询问光纤阵列光纤，在光纤预制棒内部出现残余应力时，出现残余应力的位置处应变分布会发生改变，分布式光纤测量技术对光纤上的应变大小和应变位置进行测试，基于此可获得残余应力分布情况。
36.步骤5中，由于3d打印液态材料中包含有机物，通常需要在步骤4后进行高温脱脂去除有机物，脱脂和烧结时加热速率和温度的选择是决定性的。不合适的温度和加热速率会导致因不均匀收缩导致脱脂过程中光纤预制棒内部产生残余应力，通过重复步骤4可实时监测脱脂过程中光纤预制棒内部残余应力分布，控制脱脂加热速率和温度，避免光纤预制棒产生裂隙。
37.3d打印液态材料中包含气相sio2纳米颗粒。光纤预制棒完成脱脂后，需进行预烧结减少气相sio2纳米颗粒距离，加强光纤预制棒机械强度。
38.实施例
39.下面对本发明做出进一步详细描述，本发明提出的一种基于分布式光纤测试技术的3d打印光纤预制棒残余应力分布的实时监测方法包括如下步骤：
40.(1)依据需求，选择合适长度和半径的光纤，构建光纤传感阵列2。将光纤传感阵列预留的尾纤3与光纤ofdr分布式测试仪4相连接。
41.使用光纤ofdr分布式测试仪作为实例,对于给定的一段光纤，瑞利散射的散射幅度是随机的，瑞利散射可以认为是光纤本身一种稳定的特性，所以可以把光纤中的瑞利散射视为一种弱的随机空间周期的布拉格光栅，每一个光栅的波长都不相同。
42.(2)将光纤光栅阵列组建为三维网格阵列结构，依据该网格构建坐标系。网格阵列构建完成之后，将其浸入固化前的3d打印材料中。打印过程中，通过光纤传感阵列和光纤ofdr分布式测试仪，结合构建的坐标系，获得光纤预制棒内部残余应力位置的三维坐标。分析光纤预制棒内部残余应力的位置，打印过程中即可监测残余应力的分布。
43.(3)将光纤预制棒进行脱脂，脱脂过程中通过光纤光栅传感阵列和光纤ofdr分布式测试仪，结合构建的坐标系，获得光纤预制棒内部残余应力位置的三维坐标。分析光纤预制棒内部残余应力的位置，脱脂过程中即可监测残余应力的分布。
44.(4)将脱脂后的光纤预制棒进行预烧结处理，同时光纤预制棒内部的光纤传感网络在预烧结温度下融化，随后续步骤拉制成新的光纤。
45.本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法的步骤。
46.本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法的步骤。
47.本技术实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器(readonlymemory，rom)、可编程只读存储器(programmablerom，prom)、可擦除可编程只读存储器(erasable prom，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electricallyeprom，eeprom)或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)，其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的ram可用，例如静态随机存取存储器(staticram，sram)、动态随机存取存储器(dynamicram，dram)、同步动态随机存取存储器(synchronousdram，sdram)、双倍数据速率同步动态随机存取存储器(doubledataratesdram，ddrsdram)、增强型同步动态随机存取存储器(enhancedsdram，esdram)、同步连接动态随机存取存储器(synchlinkdram，sldram)和直接内存总线随机存取存储器(directrambusram，drram)。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
48.在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本技术实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令
可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(digitalsubscriberline，dsl))或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如，软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如，高密度数字视频光盘(digitalvideodisc，dvd))、或者半导体介质(例如，固态硬盘(solidstatedisc，ssd))等。
49.在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
50.应注意，本技术实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本技术实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本技术实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
51.以上对本发明所提出的一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种3d打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：步骤1：制备光纤阵列：选择合适长度和半径的光纤，构建光纤阵列；步骤2：将光纤阵列进行空间排列，构成光纤传感网络，将光纤传感网络与分布式光纤测试仪连接；步骤3：将步骤2中排列好的光纤阵列浸入搅拌均匀的3d打印液态材料中，利用3ddlp打印机将液态材料固化制备预制棒，光纤阵列则随固化埋入到预制棒中；步骤4：使用分布式光纤测试仪实时监测打印过程中光纤预制棒内部应变信号，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息；步骤5：使用分布式光纤测试仪实时监测脱脂过程中光纤预制棒内部应变信号，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息；步骤6：光纤预制棒进行预烧结，同时光纤预制棒内部的光纤传感网络在预烧结温度下融化，与预制棒熔为一体，随后续步骤拉制成新的光纤。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤1中，选择光纤阵列光纤长度，应根据光纤距离光纤预制棒轴线距离合理选择光纤光栅阵列光纤长度,光纤长度与光纤预制棒尺寸相当。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤4中，获得光纤预制棒内部残余应力分布信息的方法为：使用分布式光纤测试仪询问光纤阵列光纤，在光纤预制棒内部出现残余应力时，出现残余应力的位置处应变分布会发生改变，分布式光纤测量技术对光纤上的应变大小和应变位置进行测试，基于此可获得残余应力分布情况。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤5中，3d打印液态材料中包含有机物，需要在步骤4后进行高温脱脂去除有机物，因不均匀收缩导致脱脂过程中光纤预制棒内部产生残余应力，通过重复步骤4可实时监测脱脂过程中光纤预制棒内部残余应力分布，控制脱脂加热速率和温度，避免光纤预制棒产生裂隙。5.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-4任一项所述方法的步骤。6.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求1-4任一项所述方法的步骤。

技术总结
本发明提出一种3D打印光纤预制棒内部残余应力分布的实时监测方法。所述方法通过将光纤阵列埋入3D打印光纤预制棒内部，通过分布式光纤技术测量光纤预制棒中残余应力对光纤的影响，实时获得预制棒内部残余应力大小和位置等信息。该测量预制棒内部残余应力方法不依赖于预制棒的形状和大小。该方法所使用的测量工具光纤材质也为二氧化硅，可随后面光纤拉制步骤一同融化拉制成光纤而基本不对光纤产生任何影响。何影响。何影响。


技术研发人员：田野 仲启东 段超 郭雨欣 柴全 张建中
受保护的技术使用者：哈尔滨工程大学
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/24