畢業(yè)設(shè)計(jì)翻譯 馬云棟

1、在碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷檢測(cè)使用布拉格光纖光柵浩津田，Nobuyuki富山，keiurabe和junjitakatsubo儀器儀表研究所，國(guó)家高級(jí)工業(yè)研究所科學(xué)與技術(shù)研究中心，筑波，筑波305-8568，日本摘要光纖超聲波傳感系統(tǒng)與光纖構(gòu)建根據(jù)光的強(qiáng)度調(diào)制光柵從纖維反射的布拉格光柵傳感器。這種光纖系統(tǒng)包括光纖布拉格光柵用于感測(cè)和濾波，寬帶光源，以及相片探測(cè)器損壞監(jiān)控使用光纖系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了研究。用產(chǎn)生的瞬態(tài)超聲波蘭姆波壓電陶瓷脈沖發(fā)生器中交叉簾布層的碳化纖維與可見沖擊損傷。光纖光柵傳感器的拉姆響應(yīng)波通過受損區(qū)域傳播與基準(zhǔn)進(jìn)行比較響應(yīng)于一個(gè)完整的區(qū)域。該響應(yīng)信號(hào)的頻率特性為了評(píng)價(jià)與損傷蘭姆波

2、相互作用進(jìn)行了分析。此外，進(jìn)行使用壓電陶瓷傳感器蘭姆波檢測(cè)用光纖布拉格光柵傳感器的響應(yīng)進(jìn)行比較。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖光柵傳感器媲美超聲波檢測(cè)和壓電陶瓷傳感器證明了光纖系統(tǒng)能有效地沖擊損傷檢測(cè)碳化纖維。1. 說明由于其高的比強(qiáng)度和剛度，在過去的十年中纖維增強(qiáng)塑料（FRP）有廣泛用于航空航天結(jié)構(gòu)材料和汽車上的應(yīng)用。然而，玻璃鋼有一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，即抗壓強(qiáng)度患后顯著減少?gòu)臎_擊損壞。出于這個(gè)原因，沖擊損傷檢測(cè)關(guān)鍵是要確保FRP結(jié)構(gòu)的完整性。更多的注意力被應(yīng)用在被稱為智能結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)性條件是由內(nèi)置傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。最近，智能結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用技術(shù)FRP已被廣泛研究 1-2。該結(jié)構(gòu)健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)方法的內(nèi)置傳

3、感器可以被分類為兩種類型：無(wú)源和有源傳感診斷。無(wú)源遙感是一種監(jiān)視任何改變單純用無(wú)源傳感器的結(jié)構(gòu)狀況。在過去的幾年中，許多研究已進(jìn)行在無(wú)源傳感與聲發(fā)射傳感器或光纖傳感器3-8。有源遙感是一個(gè)相當(dāng)新的概念結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。有源傳感系統(tǒng)包含脈沖發(fā)生器和傳感器，以便它可以產(chǎn)生一個(gè)超聲波，然后監(jiān)視其響應(yīng),材料的損壞影響超聲波的傳播特性。因此，損傷的存在下，可確定當(dāng)檢測(cè)超聲波信號(hào)偏離的參考信號(hào)未損壞的結(jié)構(gòu)。Chang等人已經(jīng)證明有源傳感診斷結(jié)構(gòu)健康效益911。雖然壓電陶瓷（PZT）裝置已經(jīng)常規(guī)地用作超聲波傳感器，在主動(dòng)感測(cè)系統(tǒng), 使用光纖布拉格光柵（FBG的）作為超聲波傳感器是非常有吸引力的。這是因?yàn)楣饫w光柵

4、是重量輕，體積小且不受電磁干擾，此外，他們可以很容易地重復(fù)使用12-13?；贔BG超聲波檢測(cè)的一些研究已經(jīng)被報(bào)道 14-18 。據(jù)作者所知，但是，應(yīng)用FBG的主動(dòng)感應(yīng)幾乎沒有報(bào)道。在本研究中，對(duì)損傷檢測(cè)用的有源傳感系統(tǒng)與一個(gè)FBG傳感器的可行性進(jìn)行了研究。一個(gè)具有可見損傷的跨層碳纖維被用作試樣進(jìn)行監(jiān)測(cè)。一個(gè)PZT傳感器在試樣中傳播并將所得FBG傳感器響應(yīng)進(jìn)行記錄。在響應(yīng)信號(hào)的行為上的損傷的影響進(jìn)行了研究。此外，用壓電傳感器的超聲波檢測(cè)方法與用光纖光柵傳感器的響應(yīng)進(jìn)行比較。2光纖布拉格光柵2.1 光纖光柵的工作原理 12-13 光纖光柵是折射率的周期性擾動(dòng)，這種擾動(dòng)是沿著芯的暴露所形成的纖維強(qiáng)

5、烈光學(xué)干涉圖案。當(dāng)寬帶光傳送到光纖光柵，一個(gè)窄帶譜與反射一個(gè)中心波長(zhǎng)稱為布拉格波長(zhǎng)，而其他波長(zhǎng)的光被通過光纖向前傳輸。圖1示出了與光纖光柵和光強(qiáng)度的光學(xué)系統(tǒng)分配系統(tǒng)。在所描繪的光學(xué)循環(huán)圖1是僅在一個(gè)光透射的光學(xué)元件方向通過一系列端口。在圖1的情況下，光可以從端口1到端口2和端口2至端口3，但不從端口2至端口1的布拉格波長(zhǎng)，B由下式給出等式： (1)其中n和是分別光纖的有效折射率芯和光柵周期. 材料的折射率和光柵的光柵周期隨溫度和應(yīng)變的光纖光柵進(jìn)行。在布拉格波長(zhǎng)的相對(duì)偏移，B，一個(gè)沿纖維軸的應(yīng)用應(yīng)變恒定溫度下條件是由方程（2）：B = 0.787B在無(wú)應(yīng)變的布拉格波長(zhǎng)為1550 nm條件下，從以

6、上方程強(qiáng)加的應(yīng)變?yōu)?%導(dǎo)致一個(gè)FBG的布拉格波長(zhǎng)12.2 nm的轉(zhuǎn)變。當(dāng)移動(dòng)中的布拉格波長(zhǎng)為正時(shí)，光纖光柵是拉長(zhǎng)。相反地，當(dāng)光纖光柵被壓縮，布拉格波長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到負(fù)。光功率對(duì)波長(zhǎng)可以用光學(xué)光譜測(cè)量?jī)x（OSA）測(cè)量。因此，應(yīng)變可以通過從光纖光柵反射光的連接，例如3端口圖1所示，在OSA的輸入。2.2 使用FBG超聲波檢測(cè)原理 在微應(yīng)變范圍內(nèi)，超聲波的傳播會(huì)引起高速應(yīng)變變化。采樣率OSA的是幾赫茲處的最大值。由于低采樣率，OSA不能偵測(cè)高速應(yīng)變的變化引起的超聲波，這種波的頻率范圍從100千赫到幾兆赫。具有波長(zhǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換技術(shù)的FBG傳感器可以檢測(cè)到高速應(yīng)變變化。從FBG考慮反射的光進(jìn)行到光學(xué)濾波器，其透射率

7、的變化與波長(zhǎng)。然后，光的強(qiáng)度發(fā)射通過過濾器依賴于FBG的布拉格光柵。換言之，光的強(qiáng)度，通過所發(fā)射的濾波器取決于施加到FBG的應(yīng)變。光強(qiáng)可用光電檢測(cè)器來(lái)測(cè)量。響應(yīng)頻率的光電探測(cè)器通常是在10 MHz。因此，高速應(yīng)變變化可以通過使用光檢測(cè)器的光學(xué)濾波器的光傳輸?shù)臏y(cè)量來(lái)檢測(cè)強(qiáng)度。為了檢測(cè)在微應(yīng)變微妙的應(yīng)變變化范圍，光學(xué)濾波器必須滿足嚴(yán)格的光學(xué)特性透過率的變化，一窄波長(zhǎng)范圍包括傳感光纖光柵的布拉格波長(zhǎng)。FBG似乎適合光學(xué)濾波器因?yàn)樗麄冇屑怃J的波長(zhǎng)特性的全半最大值（FWHM）通常是小于0.5 nm。雷斯等人已經(jīng)表明，利用光纖光柵作為光學(xué)濾波器，F(xiàn)BG傳感器可以檢測(cè)超聲波 16 。 考慮在圖2所示的光學(xué)系

8、統(tǒng)（a）,這個(gè)系統(tǒng)從FBG傳感器反射的光被發(fā)送到另一FBG進(jìn)行過濾。通過過濾器發(fā)送的光變換為與光檢測(cè)器的電壓信號(hào)。我們?cè)谶@里假設(shè)在無(wú)應(yīng)變的FBG傳感器具有一個(gè)稍長(zhǎng)布拉格光纖光柵濾波器的波長(zhǎng)比。圖2（b）顯示光纖光柵濾波器的透射率和反射率的變化，光纖光柵傳感器具有不同的應(yīng)變應(yīng)用于FBG傳感器。圖中的實(shí)和虛曲線分別表示的反射率FBG傳感器和FBG濾光器的透射率的。從FBG反射的光強(qiáng)度傳感器是由反射所包圍的區(qū)域代表的曲線。另一方面，光可通過過濾器被發(fā)送，這種濾波器是由透射曲線所包圍的區(qū)域所標(biāo)示。因此，該區(qū)域傳感器的反射率與過濾器的透射率重疊對(duì)應(yīng)于光穿過FBG濾波器透射強(qiáng)度。圖2（b）表示面積陰影，當(dāng)

9、傳感器波長(zhǎng)C被壓縮，布拉格波長(zhǎng)由光纖光柵傳感器轉(zhuǎn)移到更短。然后重疊區(qū)域減小，從而使通過所發(fā)射的過濾器的光的強(qiáng)度降低。當(dāng)FBG傳感器是細(xì)長(zhǎng)的，布拉格波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)移動(dòng)T.重疊地區(qū)發(fā)展和傳播的光的強(qiáng)度過濾器的增加。因此，使用圖2所示的光學(xué)系統(tǒng)（a），超聲波可以被檢測(cè)。3.實(shí)驗(yàn)過程 實(shí)驗(yàn)裝置采用的是如圖3所示的，監(jiān)測(cè)材料為290×190×1立方毫米碳纖維強(qiáng)化的環(huán)氧樹脂層壓板（T800H/3631），它的纖維體積分?jǐn)?shù)為60，堆疊順序?yàn)?/902S?？梢?，此層包含橢圓形65×15平方毫米通過球滴在沖擊能量引入損壞7.35 J. 其中，圖4顯示了試樣的破壞區(qū)在分裂和分層重疊使用

10、的為anASElight源（NTT-AT，ABF-03），寬帶光的波長(zhǎng)范圍為1520至1620年納米，這種光是經(jīng)由光循環(huán)器傳導(dǎo)到FBG傳感器。光從傳感器反射的逆行通過光循環(huán)，然后前往一個(gè)FBG濾波器。光傳輸通過過濾器使用被轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的光電探測(cè)器（Thorlabs公司，PDA400）。 FBG傳感器是附著在碳纖維復(fù)合材料的，使用粘合劑應(yīng)變的表面儀表。在無(wú)應(yīng)力狀態(tài)，兩個(gè)光纖光柵用于感測(cè)和過濾的光柵為10毫米長(zhǎng)，約0.2納米的FWHM和他們的布拉格波長(zhǎng)，分別為1550.183和1550.173 納米。波長(zhǎng)特性的傳感器和濾波器示于圖5。超聲波傳播的薄板被稱為蘭姆波，對(duì)于該板的平面，可從位移分類成兩

11、種模式：對(duì)稱波被稱為S模式和非對(duì)稱波被稱為A模式。在過去的研究中，我們報(bào)道了FBG傳感器比模式波 19 對(duì)模式波更敏感。APZT換能器（的Panametrics，V-150），其生成S模式波被用作在本次研究，這種沖發(fā)生器的超聲波脈沖器的直徑為30毫米，其標(biāo)準(zhǔn)頻率250千赫。蘭姆波傳播的特征在于試樣厚度的乘積和激發(fā)的頻率。只有所謂的S0波根本S模式的波傳播時(shí)的乘積小于1兆赫毫米20。該產(chǎn)品是在0.25兆赫毫米條件實(shí)驗(yàn)的，使得試樣僅有S0波傳播。脈沖發(fā)生器（PAC，C-發(fā)出的信號(hào)秒殺101-HV）是輸入到脈沖發(fā)生器的PZT和瞬態(tài)蘭姆波生成的。該P(yáng)ZT脈沖被放在兩個(gè)地方，其中產(chǎn)生的Lamb波通過受損

12、區(qū)域或只有到達(dá)FBG傳感器之前完整的區(qū)域。從FBG傳感器到PZT脈沖發(fā)生器的距離為105毫米。在采樣率100 MHz下，光纖光柵的響應(yīng)信號(hào)被記錄了，數(shù)據(jù)采集512次。蘭姆波的常規(guī)檢測(cè)是由PZT傳感器完成。為了與FBG傳感器響應(yīng)的比較，用壓電傳感器蘭姆波進(jìn)行檢測(cè)。壓電陶瓷傳感器是相同的PZT換能器，它作為脈沖發(fā)生器被連接到光纖光柵傳感器已連接的同一地點(diǎn)。PZT傳感器信號(hào)是在相同的條件FBG傳感器信號(hào)被記錄下來(lái)。4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果4.1光纖光柵傳感器瞬態(tài)Lamb波的響應(yīng) 隨著脈沖信號(hào)，光纖光柵傳感器Lamb波瞬態(tài)的響應(yīng)傳播是通過完整的或受損的區(qū)域，如圖6所示。一個(gè)定義明確的反應(yīng)證明了Lamb波通過完整區(qū)

13、域傳播。應(yīng)答信號(hào)后的尖峰信號(hào)為13.6s，輸入到壓電脈沖，第一周期為5.9S，波速S0，V，給出方程（3） 21 ：其中E和分別為是楊氏模量和密度。該CFRP的單向性和密度采用于表122。楊氏模量的交叉簾布的標(biāo)本估計(jì)是從混合的規(guī)則83.1京帕。使用等式（3）所示，在完整的區(qū)S0波速為7270毫秒-1。然后預(yù)測(cè)距離S013.6S，波傳播的距離約100毫米，其中與105毫米脈沖傳感器間隔相同。這明確的反應(yīng)證明了對(duì)應(yīng)的S0波到達(dá)。在完整的地區(qū)，通過受損的區(qū)域，響應(yīng)的瞬態(tài)蘭姆波的傳播，展示了三種不同的特征。首先，在初始響應(yīng)輕微增加幅度從11.6微秒開始，比在完好區(qū)域的初始響應(yīng)，這是2微秒較早開始的。第

14、二，在響應(yīng)信號(hào)中周期的第一個(gè)周期將增加近一倍至12.4微秒。第三，響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度減弱，幾乎是一半。最后兩個(gè)不同特征的結(jié)果是從波的損傷引起的色散和衰減。在這里，我們考慮為什么響應(yīng)蘭姆波通過受損面積傳播起步較早。如圖所示，在圖4中，分層蔓延到受損區(qū)域。該0層是從90層分離。因此，蘭姆波受損區(qū)域內(nèi)的波傳播，預(yù)計(jì)分成0和90層。在0層波速和90層由方程估算（3）分別為10020和2350米-1。然后，在最短的時(shí)間到達(dá)，由公式（4）等式的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)（4）對(duì)應(yīng)分別通過受損區(qū)域和完好區(qū)域的其余部分。預(yù)測(cè)到達(dá)時(shí)間與11.6微秒的初始響應(yīng)時(shí)間相吻合。由此可以推斷，因此，11.6微秒的小的反響將對(duì)應(yīng)于在S0波

15、通過0層中傳播到達(dá)受損區(qū)域。注意響應(yīng)的極性。正如在2.2節(jié)所解釋的，F(xiàn)BG傳感器是否被拉長(zhǎng)或壓縮可以從反應(yīng)的極性發(fā)現(xiàn)。該響應(yīng)信號(hào)瞬態(tài)蘭姆波呈正增長(zhǎng)的。在本實(shí)驗(yàn)中，與該過濾器相比傳感器具有更長(zhǎng)的布拉格波長(zhǎng)。這是相同的布拉格波長(zhǎng)條件如圖2所示，其中的光的強(qiáng)度通過過濾器增加傳輸時(shí)的FBG傳感器被拉長(zhǎng)。因此，通過瞬態(tài)Lamb波的第一個(gè)到來(lái)時(shí)光想光柵傳感器必須已經(jīng)拉長(zhǎng)。圖7顯示了頻率域表示響應(yīng)信號(hào)的第一周期期間。最高亮度分量統(tǒng)一了各項(xiàng)強(qiáng)度的分量。最大頻率響應(yīng)于完整區(qū)域和受損區(qū)域部件分別是150和90千赫。該3dB帶寬范圍分別是從80到240千赫和50至160千赫。與在完整的區(qū)域的反應(yīng)比較，通過傳播的蘭姆

16、波響應(yīng)受損區(qū)域具有窄和更低的頻率特性。4.2 PZT傳感器的響應(yīng) 脈沖發(fā)生器信號(hào)和相應(yīng)的PZT傳感器響應(yīng)是如圖8所示。傳播到蘭姆波的響應(yīng)通過完整的面積的周期為11.9微秒和第一周期是7.7微秒。另一方面，響應(yīng)于通過受損區(qū)域蘭姆波的傳播開始是從9.8微秒，周期幅度顯著增加，第一周期是14.8微秒。因?yàn)閭鞲衅鞒叽绲牟町?，初始響?yīng)的時(shí)間，第一次循環(huán)在PZT傳感器響應(yīng)期間不能簡(jiǎn)單地與那些FBG傳感器響應(yīng)比較。然而，下面應(yīng)當(dāng)指出。通過在蘭姆波的傳播的路線的差異，PZT傳感器的所得反應(yīng)表現(xiàn)出不同的行為。在觀察到FBG傳感器響應(yīng)，特征響應(yīng)行為是相同的。注意開始響應(yīng)的蘭姆波通過受損區(qū)域，其傳播對(duì)應(yīng)于蘭姆波內(nèi)傳

17、遞0層損壞的區(qū)域。該P(yáng)ZT傳感器顯示了一個(gè)不顯眼的響應(yīng)而FBG傳感器顯示了一個(gè)小而可辨響應(yīng)。結(jié)果證明FBG傳感器比蘭姆波傳遞的0層受損區(qū)域更敏感。 在第一個(gè)周期期間PZT傳感器響應(yīng)的頻率特性示圖9所示。在對(duì)完整區(qū)域的最大響應(yīng)頻率分量和受損區(qū)域分別是130和80千赫。該-3dB帶寬范圍分別是從60到210千赫和40至130千赫。從FBG傳感器觀察，該P(yáng)ZT傳感器應(yīng)答特性在頻率損害的影響上是相同的。從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果上可以作為超聲波傳感器的光纖光柵與常規(guī)的PZT器件使用。5. 結(jié)論 超聲檢測(cè)的光纖光柵傳感系統(tǒng)已經(jīng)設(shè)計(jì)建造好。該系統(tǒng)應(yīng)用于材料的有源傳感診斷。壓電脈沖產(chǎn)生的Lamb在CFRP中傳播時(shí)會(huì)有沖擊

18、損傷。光纖光柵傳感器響應(yīng)的瞬態(tài)蘭姆波傳播通過完整的區(qū)域或受損區(qū)域時(shí)被記錄和分析。與完整的區(qū)域的參考響應(yīng)相比，Lamb波傳播通過受損區(qū)域的反應(yīng)表現(xiàn)出不同的行為，有較小和較低的頻率特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖光柵傳感系統(tǒng)可在碳纖維復(fù)合材料的沖擊損傷超聲檢測(cè)中比傳統(tǒng)的壓電傳感器更有效。參考文獻(xiàn)1 Chang F K 2002 Structural Health Monitoring (Boca Raton,FL: Chemical Rubber Company)2 Davis L P 2002 Proc. SPIE 4701 204253 Chang C C and Sirkis J 1997 Impa

19、ct-induced damage oflaminated graphite/epoxy composites monitored usingembedded in-line fiber etalon optic sensors J. Intell. Mater.Syst. Struct. 8 829414 Rippert L, Wevers M and Van Huffel S 2000 Optical andacoustic damage detection in laminated CFRP compositematerials Compos. Sci. Technol. 60 2713

20、245 Kuang K S C, Kenny R, Whelan M P, CantwellW J andChalker P R 2001 Embedded fibre Bragg grating sensors inadvanced composite materials Compos. Sci. Technol. 611379876 Kuang K S C, Kenny R, Whelan M P, CantwellW J andChalker P R 2001 Residual strain measurement and impactresponse of optical fibre

21、Bragg grating sensors in fibremetal laminates Smart Mater. Struct. 10 338467 Tsutsui H, Kawamata A, Sanda T and Takeda N 2001 Impactdamage detection of stiffened composite panels by usingembedded small-diameter optical fibers Proc. SPIE vol4327 (Bellingham,WA: SPIE Press) pp 28298 Singhvi A and Mirm

22、iran A 2002 Creep and durability ofenvironmentally conditioned FRP-RC beams using fiberoptic sensors J. Reinf. Plast. Compos. 21 351739 Beard S and Chang F K 1997 Active damage detection infilament wound composite tubes using built-in sensors andactuators J. Intell. Mater. Syst. Struct. 8 891710 Wan

23、g C S and Chang F K 2000 Built-in diagnostics for impactdamage identification of composite structures StructuralHealth Monitoring (Lancaster, PA: Technomic) pp 6122111 Ihn J B, Chang F K and Speckmann H 2001 Built-indiagnostics for monitoring crack growth in aircraftstructures Key Eng. Mater. 204/20

24、5 29930812 Kersey A D, Davis M A, Patrick H J, LeBlanc M, Koo K P,Askins C G, Putnam M A and Friebele E J 1997 Fibergrating sensors J. Lightwave Technol. 15 14426313 Othonos A 1997 Fiber Bragg gratings Rev. Sci. Instrum. 6843094114 Fisher N E, Webb D J, Pannell C N, Jackson D A,Gavrilov L R, Hand J

25、W, Zhang L and Bennion I 1998Ultrasonic hydrophone based on short in-fiber Bragggratings Appl. Opt. 37 8120815 Takahashi N, Yoshimura K, Takahashi S and Imamura K 2000Development of an optical fiber hydrophone with fiberBragg grating Ultrasonics 38 581516 Perez I, Cui H L and Udd E 2001 Acoustic emission detectionusing fiber Bragg grating