一種復合材料在線健康監測系統和監測方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種復合材料在線健康監測系統和監測方法。
【背景技術】
[0002] 纖維復合材料具有高強度、低密度、耐腐蝕、抗疲勞等諸多優點，是理想的航空航 天結構件制造材料，目前已大量應用于航空航天飛行器，尤其在飛機結構件中，發揮著極其 重要的作用。例如，波音787和空客A350XWB飛機中復合材料用量已經超過50%，這其中大 部分是碳纖維復合材料和玻璃纖維復合材料。
[0003] 飛機在長期飛行過程中，由于疲勞、腐蝕、材料老化以及高空環境變化等不利因素 的影響，不可避免地產生損傷積累，另外，一些突發事件，如鳥撞、飛石、冰雹、雷擊等也會造 成復合材料結構件損傷積累和擴展，這種損傷積累和擴展具有隱蔽性，給飛機造成了極大 的安全隱患，甚至可能引發飛機墜毀等突發性嚴重事故，造成無法挽回的損失。
[0004] 1988年發生一起航空事故，由于飛機蒙皮與壁板連接位置多處疲勞開裂損傷，導 致在24000英尺高空中，機體上半部分脫落。
[0005] 大量軍用及民用飛機在超過其設計壽命很多年的情況下仍在運營，飛機復合材料 的健康監測研究對于這類飛機尤為重要，對其進行健康監測以確保安全運營，在一定程度 上延長了飛機的安全使用壽命。此外飛機復合材料健康監測不僅能滿足乘客的安全感和舒 適感，增加飛機結構的功能性、智能性和靈活性，而且能夠降低維修和檢測的費用。
[0006] 常規復合材料健康監測主要是一些無損探傷方案，包括射線、超聲、紅外、渦流、微 波、激光全息照相技術、目視檢測等。這些傳統無損檢測方法的特點是離線、靜態、被動的。 到目前為止，受多方面技術和傳感器條件的制約，我國尚未出現機載狀態下對飛機載荷進 行長期（一個大修周期以上）監測的應用案例。
[0007] 金屬應變片、應變線等雖然可以對復合材料做到一定的在線監測，然而這些傳感 器在遭受外界雷擊、冰雹、飛石等沖擊后極易損毀，并且測量繁瑣、易受電磁干擾，壽命短。 鑒于復合材料損傷多樣化，以及應力或環境因素產生損傷在積累到一定程度以后會迅速擴 展而導致結構失效，使復合材料在線監測充滿了挑戰。傳統健康監測旨在發現缺陷的位置、 大小等，而在線對復合材料的剩余強度進行評價，以及在局部強度評價的基礎上，判斷復合 材料整體的安全性的研究較少。
【發明內容】
[0008] 本發明為了解決上述問題，提出了一種復合材料在線健康監測系統和監測方法， 該方法解決復合材料難以長期在線監測的問題，實現對復合材料的在線健康監測，計算復 合材料的剩余強度，并對復合材料的安全性和剩余使用壽命進行預估。
[0009] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0010] 一種復合材料在線健康監測系統，包括光纖光柵解調儀、光纖耦合器、處理器和雙 引線陣列式光纖光柵對傳感器，其中，光源發出光信號，光信號經過光纖分為兩路，分別通 過一個光纖耦合器傳輸到雙引線陣列式光纖光柵對傳感器的兩端，形成兩個兼具激光入射 和反射的端口，雙引線陣列式光纖光柵對傳感器中所有的光纖光柵均預埋設于復合材料內 部，光信號與光纖光柵相互作用后，反射光經過光纖耦合器進入光纖光柵解調儀，光纖光柵 解調儀連接處理器，處理器調用復合材料損傷數據庫，分析復合材料的損傷類型、程度及其 分布，建立三維模型，輸出復合材料的損傷分布，通過有限元分析計算復合材料剩余強度， 評估復合材料的健康情況。
[0011] 所述處理器包括光纖光柵信號解析模塊、復合材料損傷數據庫模塊、CAD建模模 塊、CAE有限元分析模塊、復合材料健康整體評估模塊和顯示輸出模塊，其中，所述光纖光柵 信號解析模塊，用于解析光纖光柵解調儀采集的信號；所述復合材料損傷數據庫模塊，用于 存儲復合材料損傷數據；所述CAD建模模塊，用于建立復合材料的三維模型，輸出復合材料 的損傷分布；所述CAE有限元分析模塊，用于計算復合材料剩余強度；所述復合材料健康整 體評估模塊，用于根據復合材料的損傷分布和剩余強度，評估復合材料的健康情況；所述顯 示輸出模塊，用于顯示復合材料的三維模型和健康情況。
[0012] 所述雙引線陣列式光纖光柵對傳感器中的每個光纖光柵對都包括兩條雙引線陣 列式光纖光柵：一條溫度光纖光柵和一條應變光纖光柵，溫度光纖光柵用來測量溫度，應變 光纖光柵用來測量應變；溫度光纖光柵和雙引線陣列式應變光纖光柵平行、相鄰排列，雙引 線陣列式溫度光纖光柵中的每個溫度光柵單元與雙引線陣列式應變光纖光柵的每個應變 光柵單元一一對應，從而使溫度光纖和相鄰的應變光纖組成了一個雙引線陣列式光纖光柵 對。
[0013] 所述光源內置于光纖光柵解調儀內，產生連續調頻激光，激光信號通過引線進入 光纖光柵，形成穩定的反射信號。
[0014] 所述雙引線陣列式光纖光柵對傳感器為雙引線結構，每條光纖光柵都有兩條引線 相連，每個光柵單元都有兩條光路。在使用過程中若光纖意外斷裂，只要光柵還有一條引線 與外部檢測系統連接，就可以保持光纖通路，保證光纖光柵的存活和檢測信號的傳遞，提高 了該監測系統的穩定性，是進行長期在線健康監測的保證。
[0015] 所述雙引線陣列式光纖光柵對，優選包層直徑35-45微米甚至更細徑的光纖制作 陣列式光纖光柵，更細直徑的光柵可以更大程度地減少光纖包埋對復合材料強度和剛度的 影響。
[0016] 所述雙引線陣列式溫度光纖、雙引線陣列式應變光纖都包括多個刻有不同中心波 長的光柵單元，優選為6-16個光柵單元，每個光柵單元均是一個獨立的傳感器單元，多條 刻制了多個光柵的光纖可構成光纖光柵陣列。
[0017] 所述雙引線陣列式光纖光柵監測復合材料服役過程的應變和溫度變化，對疲勞、 裂紋、應力集中、雷擊、鳥撞、冰雹、飛石等損傷模式都能有效監測。
[0018] 所述光纖耦合器為光纖光柵信號耦合器，具有優良的波長選擇能力和多端口的特 性，是結構緊湊、損耗小、偏振無關的光纖耦合器。
[0019] 所述光纖光柵解調儀為高速光纖光柵波長解調儀，具有高速且多通道并行的解調 方案，實現信號快速解調，滿足健康監測需要，可以快速解調復合材料在疲勞、腐蝕、鳥撞、 雷擊、熱震等多種條件下的光柵信號。
[0020] 所述激光光源、光纖耦合器、光纖光柵傳感器均通過光纖連接，光纖光柵解調儀和 光纖耦合器通過光纖連接，傳輸信號為光信號，光纖光柵解調儀和處理器通過數據線連接， 傳輸信號為數字信號。
[0021] 一種復合材料在線健康監測的方法，包括以下步驟：
[0022] (1)選擇光纖刻制光柵，每條光纖刻制多個光柵單元，并對每個光柵單元編號，弓丨 線分別從傳感器兩端引出，形成雙引線光纖光柵串，并對光柵的溫度系數標定；
[0023] (2)選擇兩條光纖光柵組建光纖光柵對，一條光纖光柵用于測量溫度，標記為T， 另一條光纖光柵測量應變，標記為S，標記T的光柵均外套套管，管口膠封；
[0024] (3)在復合材料固化成型前，在復合材料中根據需要按照一定的間距鋪設m組光 纖光柵對，并給光纖對編號，構成雙引線陣列式光纖光柵對傳感器；
[0025] (4)復合材料固化成型后，把每條光纖光柵傳感器的兩端引線分別連接光纖耦合 器的對應端口，光纖耦合器通過光纖接入光纖光柵解調儀，光纖光柵解調儀通過數據線連 接處理器，處理器解析光纖光柵解調儀采集的信號，求解復合材料溫度、應變和應力；
[0026] (5)建立復合材料的三維模型，輸出復合材料的損傷分布，利用有限元分析計算復 合材料剩余強度，判斷復合材料是否出現損傷，如若出現損傷，判斷損傷位置及損傷類型， 輸出損傷，計算復合材料剩余強度，進而評價復合材料健康程度。
[0027] 所述步驟（1)中，雙引線光纖光柵傳感器采用細直徑光纖，引線分別從光纖光柵 兩端引出，光纖刻有多個不同中心波長的光柵單元，光柵單元的中心波長從一側到另一側 逐漸增加，光柵單元通常按照等長度、等間距來刻制。
[0028] 所述步驟（2)中，光纖光柵對是由一條溫度測量光柵T和一條應變測量光柵S組 成的，兩條光纖光柵平行，保證溫度光纖的光柵單元T kl和應變光纖的光柵單元S kl位置對 應。
[0029] 所述步驟（3)中，光纖對的鋪設方向與緊鄰的復合材料纖維鋪層角度保持相同， 組成雙矩陣光纖光柵傳感器，溫度光柵構成溫度矩陣T[mXn]，應變光柵構成應變矩陣 S[mXn] 〇
[0030] 所述步驟（4)中求解復合材料溫度的過程為：
[0031] 在一組光纖光柵對中，對溫度光柵和應變光柵標定，設標定后溫度光柵和應變光 柵的中心波長和溫度擬合關系如下：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，λ BT1為溫度光柵在溫度標定情況下的中心波長；λ BT2