CN103149089B - 碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***监测碳纤维结构拉伸断裂状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***，其特征在于：包括计算机、光纤光栅分析仪、Y型光纤耦合器、FBG应变传感探头、FBG应变波传感探头、第一耦合器接头、第一传感光纤、第二耦合器接头和第二传感光纤；计算机和光纤光栅分析仪相连，Y型光纤耦合器包括一个Y型光纤耦合器输入端和两个Y型光纤耦合器输出端，Y型光纤耦合器输入端与光纤光栅分析仪相连；两个Y型光纤耦合器输出端，其中一个Y型光纤耦合器输出端依次与第一耦合器接头、第一传感光纤、FBG应变传感探头相连，另一个Y型光纤耦合器输出端依次与第二耦合器接头、第二传感光纤、FBG应变波传感探头相连。本发明实现了对碳纤维结构断裂的全过程监测。

Description

碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***监测碳纤维结构拉伸断裂状态的方法

技术领域

本发明涉及一种碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***及其监测方法。 

背景技术

基于质量轻、强度高、设计灵活性强等特点，作为一种具有较强耐久性、较高可靠性的高性能结构，碳纤维结构解决了以往单一性能材料无法跨越的技术难关，成为了航空、航天等高科技领域不断发展的主流趋势，广泛应用于飞机的垂直安定面、机身、机翼等结构。然而，该类材料在制造和长期的服役过程中，可能产生内部断点、裂纹、脱层等形式的结构损伤，若不及时发现和采取相应维护措施，将会导致整个结构的迅速破坏，造成重大事故隐患。断裂损伤是结构主要损伤形式之一，对断裂损伤的监测研究具有积极意义。 

目前无损探测碳纤维结构断裂状态的方法包括射线探测法、超声波探测法、声发射探测法等。射线探测法的优点是图像比较直观、对缺陷尺寸和性质的判断比较容易，但其对微小裂纹的探测灵敏度低，探测费用较高。超声波探测法具有可探测厚度大、检测灵敏度高、成本低等特点，但其探测时有一定的近场盲区，且探测试件易被污染。与上述探测方法相比，声发射探测具有灵敏度高，检查覆盖面积大，漏检率低及可在被测试件运行中进行探测的优点，因此，该方法被广泛应用于碳纤维结构的断裂损伤监测，是结构健康监测领域现阶段乃至将来一段时期内的主流技术。 

由于光纤传感***具有质量轻、体积小、耐腐蚀、易于远程遥测和实现分布式测量等优点，使得基于光纤传感的结构健康监测技术成为当前国内外航空领域研究者们重点关注的新热点。20世纪70年代，美国弗吉尼亚理工学院州立大学的C1aus等首次把光纤埋入了增强结构碳纤维，使得材料具有传感和探测断裂损伤的功能。随后，格鲁门公司采用光纤光栅传感器监控F-18机翼的损伤和应变，马丁公司把光纤光栅传感网络应用在X-33航天飞机的应力及温度监控上，DALTAⅡ火箭的结构发动机箱上应用了基于光纤光栅传感器网络的健康监测***。但上述应用均未实现对碳纤维结构断裂的全过程监测。 

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明提供一种碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***及其监测方法。 

技术方案：一种碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***，包括计算机、光纤光栅分析仪、Y型光纤耦合器、FBG应变传感探头、FBG应变波传感探头、第一耦合器接头、第一传感光纤、第二耦合器接头和第二传感光纤；计算机和光纤光栅分析仪相连，Y型光纤耦合器包括一个Y型光纤耦合器输入端和两个Y型光纤耦合器输出端，Y型光纤耦合器输入端与光纤光栅分析仪相连；两个Y型光纤耦合器输出端，其中一个Y型光纤耦合器输出端依次与第一耦合器接头、第一传感光纤、FBG应变传感探头相连，另一个Y型光纤耦合器输出端依次与第二耦合器接头、第二传感光纤、FBG应变波传感探头相连。 

为了提高检测的准确性，所述FBG应变传感探头包括第一传感光纤、设在第一传感光纤纤芯内部的FBG应变传感栅区以及设在FBG应变传感探头表层的全胶黏胶层，使用时，胶黏胶层与被测试件全胶接耦合。 

为了避免监测过程中FBG应变波传感探头量程的限制，所述FBG应变波传感探头包括第二传感光纤、设在第二传感光纤纤芯内部的FBG应变波传感栅区、用来固定FBG应变波传感探头的栅区固定架以及设在FBG应变波传感探头表层的局部黏胶点，使用时，局部黏胶点与被测试件局部胶接耦合。 

为了进一步提高检测的准确性，所述FBG应变传感探头和FBG应变波传感探头均为两个以上，且为分布式网络排布。 

上述传感***，包括应力松弛前的FBG应变传感装置、应力松弛过程中的FBG应变波传感装置，上述装置内部均有配套的传感方案，进而实现对碳纤维结构拉伸件拉伸断裂过程的全程监测；应力松弛前的FBG应变传感装置中CFRP拉伸件和FBG传感探头之间采用全胶接耦合，以提高应变灵敏性；应力松弛过程中的FBG应变波传感装置采用脱胶式局部耦合，避免由于应变量程过大而导致传感装置提前失效；在监测过程中，FBG传感探头始终为分布式网络排布，有效控制传感器网络冗余问题。分布式FBG碳纤维结构拉伸断裂监测***的组成是：在同一根光纤上可以制备多个在线FBG应变传感探头和FBG应变波传感探头，且不同根光纤可并联，有效控制传感器网络冗余问题。 

上述的碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***监测碳纤维结构拉伸断裂状态的方法，包括如下步骤： 

A、第一阶段监测：当碳纤维结构内部断裂不断进行时，通过FBG应变传感探头应变变化而引起的FBG峰值改变，进而实现对碳纤维结构拉伸件宏观弹性模量变化情况的监测，当FBG中心波长的拉伸变化速率趋于稳定，碳纤维结构拉伸件宏观弹性模量趋于恒定时，试件逐渐达到损伤临界状态，随着拉伸的不断进行，应力松弛现象逐渐发生，FBG应变波传感器的峰值出现跳变，进入下一阶段测量；

B、第二阶段监测：此阶段，由于拉伸的不断进行，碳纤维结构拉伸试件内部的应力松弛现象不断发生，通过监测待测试件在拉伸断裂过程中由于应力松弛导致不同位置的应变波响应情况，进而获得所测碳纤维结构拉伸试件内部断裂分布情况，即断裂状态，实现对断裂位置的实时监测。

上述FBG应变传感探头应变变化实际上为FBG应变传感栅区表面的应变变化。 

上述检测方法利用FBG反射光谱法进行监测；在待监测的CFRP（碳纤维增强结构拉伸件和FBG（光纤布拉格光栅的缩写）传感探头之间采用全胶接耦合和脱胶式局部耦合；在监测过程中，FBG传感探头始终为分布式网络排布。 

上述步骤A中，利用FBG传感栅区对CFRP拉伸件表面应变变化的敏感性质，通过测量拉伸过程中由于结构内部断裂、分层引起FBG中心波长变化速率减小程度，检测超出弹性段的CFRP试件宏观弹性模量变化情况及其内部断裂状态。 

上述监测方法，第一阶段的监测参量为表征结构拉伸件刚度的特征参数，即：试件的宏观弹性模量。利用弹性模量作为表征参数，将FBG光谱特性与应力松弛前的碳纤维结构拉伸件刚度变化状态监测相结合，实现对结构断裂饱和状态之前的损伤情况进行实时、在线监测。 

上述监测方法，第二阶段的监测参量为应力松弛过程中拉伸件表面应变波状态，进入临界状态后，利用拉伸件表面应变波状态作为表征参数，通过监测待测试件在拉伸断裂过程中由于应力松弛导致不同位置的应变波响应情况，进而获得所测CFRP拉伸试件内部断裂分布情况，即断裂状态，实现对断裂位置的实时监测。 

上述方法，为了监测的准确性及方便性，以损伤临界状态作为阶段分化点，对损伤临界状态前CFRP试件宏观弹性模量变化情况和损伤临界状态后由于应力松弛导致应变波响应情况进行监测。 

损伤临界状态前CFRP试件宏观弹性模量随内部损伤的增加而减小，且在靠近损伤临界状态时，出现CFRP拉伸试件宏观弹性模量趋于恒定状态。 

上述方法，为了提高监测的准确性，应力松弛前用FBG应变传感探头和应力松弛过程中用FBG应变波传感探头，其中应力松弛前的FBG应变传感探头与待测的碳纤维结构之间采用全胶接耦合，应力松弛过程中的FBG应变波传感探头与待测的碳纤维结构之间采用局部胶接耦合。 

上述的应力松弛前的FBG应变传感数据分析中，通过对FBG传感曲线进行局部数据段的斜率变化分析，进而可得到碳纤维结构的宏观弹性模量的变化情况。 

本发明所述碳纤维结构是指碳纤维复合材料。 

本发明未特别限定的技术均为现有技术。 

有益效果：将碳纤维结构拉伸件断裂过程监测分为两个阶段，即：以损伤临界状态作为阶段分化点，对损伤临界状态前CFRP试件宏观弹性模量变化情况和损伤临界状态后由于应力松弛导致应变波响应情况的进行监测，延长了碳纤维结构拉伸件断裂状态监测***的有效工作时间；利用FBG对表面应变变化分辨率高、响应快、高通量、敏感、特异、简便、对样品本身无损伤等优点，实现碳纤维结构件拉伸断裂过程的监测，确定结构拉伸件的内部断裂状态和断裂位置，可应用于航空、舰船等领域的碳纤维结构拉伸断裂状况监测；同时由于采用了光纤作为传感基体，又具有抗电磁干扰能力强、耐高压、耐腐蚀、可实现分布式测量以及远程遥测监控等优点；通过简化传感***结构且采用光谱检测技术，可提高测量精度，克服光强测量易受光源不稳定影响的缺点；通过采用相应的封装及保护方式，可避免由于温度、湿度等外界因素对FBG传感***所带来的影响，保证断裂状态监测的可靠性和耐久性。 

附图说明

图1是碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***示意图； 

图2 是Y型光纤耦合器示意图；

图3是应力松弛前的FBG应变传感探头示意图；

图4是应力松弛过程中的FBG应变波传感探头示意图；

图5是分布式碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***示意图；

图中，1为光纤光栅分析仪，2为 Y型光纤耦合器，31为第一耦合器接头，32为第二耦合器接头，41为第一传感光纤，42为第二传感光纤，5为FBG应变传感探头，6为FBG应变波传感探头，7为计算机，8为Y型光纤耦合器输入端，9为Y型光纤耦合器输出端，10为第一传感栅区，16为第二传感栅区，11为全胶黏胶层，12为第一纤芯，15为第二纤芯，13为栅区固定架，14为局部黏胶点。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。 

如图1-5所示，碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***，包括计算机7、光纤光栅分析仪1、Y型光纤耦合器2、第一耦合器接头31、第二耦合器接头32、第一传感光纤41、第二传感光纤42、FBG应变传感探头5和FBG应变波传感探头6；计算机7和光纤光栅分析仪1相连，Y型光纤耦合器2包括一个Y型光纤耦合器输入端8和两个Y型光纤耦合器输出端9，Y型光纤耦合器输入端8与光纤光栅分析仪1相连；两个Y型光纤耦合器输出端9，其中一个Y型光纤耦合器输出端9依次与第一耦合器接头31、第一传感光纤41、FBG应变传感探头5相连，另一个Y型光纤耦合器输出端9依次与第二耦合器接头32、第二传感光纤42、FBG应变波传感探头6相连。 

光纤光栅分析仪1（可采用si425型光纤光栅分析仪）中内置光源，进入Y型光纤耦合器输入端8（如图2所示），传播到Y型光纤耦合器输出端9，再通过第一耦合器接头31，经过第一传感光纤41传播到FBG应变传感探头5或通过第二耦合器接头32，经过第二传感光纤42传播到FBG应变波传感探头6，与待测试件的表面应变相互作用产生耦合效应，在经过FBG应变传感探头5或FBG应变波传感探头6中，栅区的反射作用后形成反射光线通过Y型光纤耦合器2的反射端进入光纤光栅解调仪1，再经过计算机7处理输出反射光波长与变化参量之间的关系曲线，从而实现了整个测量光路部分的全光纤化。 

根据FBG光谱输出特性，通过不同中心波长的FBG可对碳纤维结构拉伸试件实现多位点探测的分布式碳纤维结构拉伸断裂监测***。当FBG应变传感探头5或FBG应变波传感探头6处于不同测试位置时，不同的待测位置的应变分布情况与传感器相互作用，从而引起各个FBG传感器中心波长的变化。通过对传感器输出FBG光谱的不同中心波长的检测，可得到分布式检测的信号。 

图3是应力松弛前的FBG应变传感探头5示意图，所述FBG应变传感探头5包括设在第一传感光纤41内部的纤芯、设在第一传感光纤41纤芯内部的第一传感栅区10以及设在FBG应变传感探头5表层的全胶黏胶层11，利用FBG敏感栅区对光的反射作用，将传输过来的特定波长光反射回去，通过全胶黏胶层11使其与被测试件全胶接耦合。 

研究碳纤维结构拉伸件的断裂饱和程度与试件宏观弹性模量的影响，利用FBG传感栅区对CFRP拉伸件表面应变变化的敏感性质，通过测量拉伸过程中由于结构内部断裂、分层引起FBG中心波长的变化速率，检测超出弹性段的CFRP试件宏观弹性模量变化情况及其内部断裂状态，即：当CFRP内部断裂不断进行时，通过检测栅区表面应变变化而引起FBG峰值的变化速率，进而实现对CFRP拉伸件宏观弹性模量变化情况的监测，所说的测量FBG传感栅区对拉伸试件表面应变变化速率也就是测量CFRP拉伸件宏观弹性模量的变化。 

图4是应力松弛过程中的FBG应变波传感探头6示意图。所述FBG应变波传感探头6包括设在第二传感光纤42内部的纤芯、设在第二传感光纤42纤芯内部的第二传感栅区16、用来固定FBG应变波传感探头6的栅区固定架13以及设在FBG应变波传感探头表层的局部黏胶点14，利用FBG敏感栅区对光的反射作用，将传输过来的特定波长光反射回去，通过局部黏胶点14使其与被测试件局部胶接耦合，避免监测过程中FBG应变波传感探头6量程的限制。 

研究应力松弛过程中应力松弛现象与试件拉伸断裂状态的影响，通过监测待测试件在拉伸断裂过程中由于应力松弛导致不同位置的应变波响应情况，进而获得所测CFRP拉伸试件内部断裂分布情况，即断裂状态，实现对断裂位置的实时监测。 

    图5是分布式碳纤维结构拉伸试件断裂监测***示意图。它的具体组成是在同一根光纤纤芯的不同位置刻入不同中心波长的FBG传感栅区。因此可在同一根光纤上可以同时设置多个FBG应变传感探头5和FBG应变波传感探头6，且多根光纤可并联。 

Claims (6)

1.一种碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***监测碳纤维结构拉伸断裂状态的方法，其特征在于：碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***包括计算机、光纤光栅分析仪、Y型光纤耦合器、FBG应变传感探头、FBG应变波传感探头、第一耦合器接头、第一传感光纤、第二耦合器接头和第二传感光纤；计算机和光纤光栅分析仪相连，Y型光纤耦合器包括一个Y型光纤耦合器输入端和两个Y型光纤耦合器输出端，Y型光纤耦合器输入端与光纤光栅分析仪相连；两个Y型光纤耦合器输出端，其中一个Y型光纤耦合器输出端依次与第一耦合器接头、第一传感光纤、FBG应变传感探头相连，另一个Y型光纤耦合器输出端依次与第二耦合器接头、第二传感光纤、FBG应变波传感探头相连；

上述碳纤维结构拉伸断裂状态的分阶段监测***监测碳纤维结构拉伸断裂状态的方法，包括如下步骤：

A、第一阶段监测：当碳纤维结构内部断裂不断进行时，通过FBG应变传感探头应变变化而引起的FBG峰值改变，进而实现对碳纤维结构拉伸件宏观弹性模量变化情况的监测，当FBG中心波长的拉伸变化速率趋于稳定，碳纤维结构拉伸件宏观弹性模量趋于恒定时，试件逐渐达到损伤临界状态，随着拉伸的不断进行，应力松弛现象逐渐发生，FBG应变波传感器的峰值出现跳变，进入下一阶段测量；

B、第二阶段监测：此阶段，由于拉伸的不断进行，碳纤维结构拉伸试件内部的应力松弛现象不断发生，通过监测待测试件在拉伸断裂过程中由于应力松弛导致不同位置的应变波响应情况，进而获得所测碳纤维结构拉伸试件内部断裂分布情况，即断裂状态，实现对断裂位置的实时监测。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述FBG应变传感探头包括第一传感光纤、设在第一传感光纤纤芯内部的FBG应变传感栅区以及设在FBG应变传感探头表层的全胶黏胶层。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述FBG应变波传感探头包括第二传感光纤、设在第二传感光纤纤芯内部的FBG应变波传感栅区、用来固定FBG应变波传感探头的栅区固定架以及设在FBG应变波传感探头表层的局部黏胶点。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述FBG应变传感探头和FBG应变波传感探头均为两个以上，且为分布式网络排布。

5.如权利要求1-4任意一项所述的方法，其特征在于：以损伤临界状态作为阶段分化点，对损伤临界状态前碳纤维结构试件宏观弹性模量变化情况和损伤临界状态后由于应力松弛导致应变波响应情况进行监测。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：应力松弛前用FBG应变传感探头和应力松弛过程中用FBG应变波传感探头，其中应力松弛前的FBG应变传感探头与待测的碳纤维结构之间采用全胶接耦合，应力松弛过程中的FBG应变波传感探头与待测的碳纤维结构之间采用局部胶接耦合。