一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法。
【背景技术】
[0002] 纤维复合材料具有高强度、低密度、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优点，是航空航天理想 结构材料，目前已大量应用于航空航天飞行器，尤其在飞机结构件中，发挥着极其重要的作 用。例如，波音787和空客A350XWB飞机中复合材料用量已经超过50%，这其中大部分是碳 纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。
[0003] 在复合材料层合板的实际应用中，对其结构安全性威胁最大的是外力冲击产生的 损伤，尤其是面外横向冲击，复合材料的层间区域力学性能相对较弱，对外力的抵抗能力偏 低，极易导致分层损伤，进而降低结构的整体刚度和强度，使复合材料在减重方面的优势得 不到体现。根据有关统计，复合材料分层损伤大约占其各种损伤破坏的60%。复合材料遭 受冲击后，会产生三种损伤情况：轻微不可视损伤、可视损伤和严重损伤。冲击或静压造成 的轻微损伤产生于复合材料内部，很难目视检测，容易引发裂纹扩展和损伤积累，引起分层 损伤，这对复合材料安全性构成严重威胁，尤其在航空航天设备中。
[0004] 飞机结构中大量应用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，在飞行过程中，飞石 冲击、飞鸟撞击、冰雹袭击等冲击过程都会对复合材料产生一定的损伤，尤其那些轻微损 伤，材料表面虽然完整无损，但是在结构件内部裂纹开始扩展，损伤已经积累，给飞行留下 严重安全隐患。另一方面，在服役过程中由于材料老化、疲劳、静压、机械振动等原因也会引 发飞机复合材料结构件微裂纹的产生和扩展，进而损伤积累，导致安全事故。如何在线监测 飞机复合材料结构件遭受冲击、疲劳、静压、振动等过程及其导致的损伤程度，以决定是否 立即返航维修，这对飞机安全性和运营成本来说意义重大，备受航空部门关注。在线检测复 合材料冲击损伤位置、损伤面积、损伤深度，以及评估复合材料结构件遭受冲击损伤后的剩 余强度，对飞机飞行安全具有极其重要的实用价值。
[0005] 复合材料损伤破坏多是从内部微小损伤发展而来的，复合材料的在线损伤检测比 较困难，对检测传感器有着特殊的要求：首先传感器可以检测复合材料内部损伤；其次传 感器对复合材料结构件强度和刚度几乎不产生影响；最后要求传感器能够抵御恶劣的环境 变化，保证长期工作并且不易被损坏。现有复合材料损伤检测多是基于采用超声、射线、红 外线等信号的离线被动检测，不是主动的在线实时检测。采用应变片可以进行在线检测，但 是应变片只能检测复合材料表面损伤，无法检测内部微裂纹；金属应变片及其导线附载于 复合材料结构件表面，若数量多，则质量较大，并且成本较高。而且，传统的传感器（应变 片、钢弦计）寿命短，测试容易受环境条件影响，不便于分布测量，并且长期测量容易失真。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方 法，本装置利用双引线阵列式光纤光栅为传感器，实时监测复合材料结构件遭受冲击过程 的结构应变，有效的解决了冲击过程短暂难以捕捉、冲击损毁传感器、电磁场干扰等使复合 材料冲击损伤难以在线检测的问题。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种复合材料冲击损伤在线检测装置，包括双引线阵列式光纤光栅、两个光纤耦 合器、光纤光栅解调仪和处理器，其中：光源产生激光信号，激光信号经过传导光纤分为两 路传输给第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，第一光纤耦合器连接双引线阵列式光纤光栅 的一端引线，另一端引线连接第二光纤耦合器，形成两个兼具激光入射和反射的端口；双引 线阵列式光纤光栅的所有光纤光栅均预埋设于复合材料内部，激光信号与光纤光栅相互作 用后，反射激光分别通过两端引线再次进入第一、第二光纤耦合器，第一、第二光纤耦合器 输出的光信号进入光纤光栅解调仪，完成信号解调，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器根 据信号分析复合材料形成的损伤类型、损伤程度及分布情况。
[0009] 所述光源为内置于光纤光栅解调仪的激光器，激光器产生连续调频激光，通过引 线进入Bragg光栅，形成稳定的反射信号。
[0010] 所述双引线阵列式光纤光栅，优选包层直径小于45微米的光纤制作阵列式光纤 光栅，更细直径的光栅可以更大程度地减少光纤包埋对复合材料强度和刚度的影响。
[0011] 所述双引线阵列式光纤光栅的每条光纤上刻制1-20个不同中心波长的光栅单 元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，多条刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光 栅传感器阵列。
[0012] 所述双引线阵列式光纤光栅为双引线结构，即每个光栅都有两条引线相连，每个 光栅都有两条光路，即使在复合材料遭遇冲击过程中光纤损毁断裂，只要光栅还有一条引 线与外部检测系统连接，就可以保持光栅通路，保证光纤光栅的存活和检测信号的传递。双 引线光栅的另一个好处是，不同引线上的检测信号可以相互校验，保证检测效果的有效性。
[0013] 所述双引线阵列式光纤光栅能检测复合材料遭受冲击过程的应变和应力变化。通 过光栅的中心波长变化，换算出复合材料的应变，通过应变和复合材料模量参数得到复合 材料的应力变化。
[0014] 所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为光纤光栅的激光信号耦合器，具有优良 的波长选择能力和多端口的特性，为结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。
[0015] 所述光纤光栅解调仪把光纤光栅返回的光信号解调为数字信号，得到光栅单元的 中心波长变化，供处理器分析处理。
[0016] 所述光纤光栅解调仪为中高速光纤光栅波长解调仪，具有中高速且多通道并行 的解调方案，能够快速在线解调冲击瞬间的光栅信号，对鸟撞、飞石、冰雹等低速和高速冲 击类型都能有效捕捉，同时又能解调检测复合材料结构件由静压和疲劳引起的光栅信号变 化。
[0017] 所述处理器配有冲击损伤检测模块，包括几何建模模块、光纤光栅信号解析模块、 复合材料损伤数据库和冲击损伤反演图形界面，所述几何建模模块，用于对复合材料结构 件建模，在复合材料几何模型中准确标出光栅单元的位置；所述信号解析模块，用于分析光 纤光栅解调仪传输过来的光栅数字信号，运算处理得到复合材料应变和应力变化，然后和 复合材料损伤数据库对比，以判定损伤类型和损伤程度；所述冲击损伤反演图形界面，用于 反演出复合材料冲击损伤三维分布情况并输出。
[0018] 基于上述检测装置的复合材料冲击损伤在线检测的方法，包括以下步骤：
[0019] (1)采用双引线分别从阵列式光纤光栅两端引出，每根光纤刻有多个光栅单元，分 别标记为1、2、3、· · ·、η;
[0020] (2)在复合材料固化成型前，在复合材料结构件中根据需要按照设定的间距铺设 m条刻有光栅单元的光纤，光纤标号为1、2、3、· · ·、m，每条光纤上有η个光栅单元，构成 阵列式光纤光栅传感器；
[0021] (3)将复合材料结构件固化成型，光纤被埋于复合材料结构件内部，通过双引线连 接第一光纤耦合器、