新型光纤传感器如何运用于纤维复合材料声发射源定位

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1、新型光纤传感器如何运用于纤维复合材料声发射源定位第1章绪论1.1课题研究背景复合材料是由热固或热塑型有机聚合物作为基体，无机非金属或金属等材料做增强体，通过复合工艺组合而成的材料。除具备原材料的性能外，同时能产生新的性能或在某一方面的性能显著提高。纤维增强聚合物基(FiberReinforcedPolymer，FRP)复合材料，已经广泛应用于各个行业，航天航空工业、船舶工业、能源风电行业、交通运输业、石油化工业等。特别是碳纤维增强聚合物基(CarbonFiberReinforcedPolymer，CFRP)复合材料，与传统材料(如钢和铝)相比具有重量轻、高强度重量比、耐腐蚀和寿命长等优点

2、，被重点应用于航空航天和海军领域。无论是研发的新型复合材料还是技术成熟可靠的传统型复合材料，在产品的成型制作过程中，人工操作、制作工艺等随机因素不可避免地造成产品出现夹杂、气孔、胶层厚度不均等缺陷。复合材料结构在服役中可能会因疲劳振动的环境因素或摩擦、撞击的突发因素出现分层、基体开裂、纤维断裂等损伤。这些潜在的缺陷与损伤可能会导致不可估算的经济损伤，甚至对使用者构成生命威胁。因此，亟需寻求使用方便快捷的损伤缺陷检测方法和简单可靠的实时在线损伤破坏监测系统，对复合材料结构制造过程进行监测，优化制造工艺，提高复合材料质量；对复合材料结构进行质量性能检测，确保其使用安全；对服役使用的复合材料结

3、构进行结构健康监测，判断损伤位置、识别损伤类型、评估损伤程度与预测使用寿命。常用的无损检测技术通常包括超声、射线、磁粉、涡流、液体渗透以及热应力场等方法。但这些检测方法都有一定的局限性，设备复杂、使用不方便、不易做到服役环境下的实时在线监测。尤其是在航天航空领域受到限制，不适合应用于未来大型航空、航天飞行器结构的健康监测与诊断。声发射(AcousticEmission,AE)[1]技术利用外力撞击、拉伸或挤压试件而释放的应力波诊断出试件的缺陷或损伤状况，已经发展成一种独特的无损检测技术而引起工程科研人员的重视。该技术涉及力学、声学、光学和材料学等多种学科，并与传感器技术，测量技术，信号采

4、集及分析处理技术等多种技术相融合[2]，广泛应用于航空航天、石油化工、土木建筑和地震预报等领域[3]。.1.2光纤声发射传感技术自从声发射技术被应用于无损检测领域后，人们发明了多种材料、多种结构传感器用于接收声波或超声波。目前，商用声发射传感器主要是用压电陶瓷材料制作成圆形片状结构。为避免压电材料在工况时受振动碎裂，需要用金属外壳包裹，如图1-1所示为压电陶瓷材料制作的商用声发射传感器。1966年Kao和Hockham[5]首次提出光纤可用于光通信技术的研究。1967年Menadier[6]等人研制了一种能精确测量位移的光纤传感器，开启了传感器技术发展的序幕。光纤传感器与目前常用的压电陶

5、瓷材料制作的声发射传感器相比，尺寸纤细、柔韧克服了压电陶瓷传感器的体积大、不易埋藏在复合材料结构中的缺点。光纤传感器与复合材料兼容好的优点，使其在复合材料结构的损伤检测领域中得到青睐。传感器的调制解调装置涉及光电转换，信号处理技术，相对昂贵，可归纳为表1-1。..第2章新型光纤声发射传感器及其监测系统2.1引言当材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段时，应变能以瞬态弹性波形式释放的现象称为声发射(AcousticEmission,AE)[1]。对声发射这种现象进行有效地监测、正确地分析，可以得到材料损伤信息，如损伤时间、损伤类型和损伤位置等。

6、然而，材料损伤产生的声发射信号频率范围广，可能是20Hz~20kHz的声波，也可能是20kHz以上的超声波；声发射信号幅值微弱，需要使用灵敏的传感器和电子仪器才能探测到。目前常用的声发射传感器是由压电陶瓷材料制作成的，为了克服材料易碎裂、易受电磁干扰的缺点，需要金属外壳封装，造成其体积大、与复合材料兼容性差，不适合埋植入复合材料结构中，不利于材料结构的智能化。本章研制了一种能够埋藏在纤维复合材料层合板中的新型光纤声发射传感器，系统地分析该传感器的工作原理，为制作高灵敏度的光纤声发射传感器提供参考依据。针对光纤声发射传感器，组建了声发射监测系统，并利用LabVIEm、内径0.5mm的毛细玻

7、璃管对光纤结构封装。封装成型后的光纤声发射传感器如图2-4所示，硬币上方的是用不锈钢钢管封装的传感器，硬币下方的六个传感器是毛细玻璃管封装的传感器，其中三个棕色的传感器是涂覆有保护膜的毛细玻璃管封装的，不易破碎、更耐用。..第3章光纤声发射传感器对应力波的检测与分析.......403.1引言.......403.2光纤声发射传感器对应力波的响应特性测试分析.....403.3应力波在正交纤维层合板中传播速度的理论分析.....47