CN101819160B - 一种用啁啾光栅定位碳纤维复合材料横向裂纹的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用啁啾光栅定位碳纤维复合材料横向裂纹的方法，其步骤如下：(1)制作碳纤维复合材料正交层板，其铺层次序为[0°2/90°4/0°2]，将啁啾光栅传感器埋入碳纤维复合材料正交层板的0°层内，与90°层相邻。(2)恒温条件下，碳纤维复合材料试件在准静态拉伸试验中，利用光纤传感分析仪监测啁啾光栅反射光谱。(3)在坐标系中调整啁啾光栅长度与埋入前的啁啾光栅反射光谱的带宽相一致，此时啁啾光栅反射光谱中，光强下降的点对应的波长位置及波长对应的光栅位置，就是复合材料90°层内横向裂纹产生的位置。本发明方法简单，成本低廉，可以实时检测出碳纤维复合材料中的横向裂纹。
Description
技术领域
本发明涉及一种无损检测方法，尤其是一种用啁啾光栅定位碳纤维复合材料横向裂纹的方法，属于材料科学领域。
背景技术
碳纤维复合材料在服役过程中易产生裂纹、纤维断裂、分层等多形式的损伤，其中非轴向层的横向裂纹是最易发生的一种损伤模式，当横向裂纹密度增加到一定程度会诱发分层等其他损伤模式的产生，最终导致结构失效。为保证结构安全，需要一种有效的结构健康监测技术，使裂纹累计在尚未达到威胁结构安全之前就能够实时监测复合材料结构的裂纹产生及扩展情况，保证其安全运行。传统复合材料无损监测方法成本较高、设备复杂且难以实现在线监测。
光纤FBG光栅因其具有直径小、柔韧易弯曲、抗电磁干扰、优良的可埋入性、波分时分复用和分布式传感等优点，成为智能材料与结构的首选传感方式。FBG光栅传感器是一种通过布拉格反射波长的移动来感应外界微小应变变化的敏感元件，具有对结构应力、应变进行高精度绝对测量和准分布式数字测量的优点。
线形啁啾光栅是非均匀光纤光栅的一种，其栅格周期沿纤芯轴向单调、连续、线性变化。一根线性啁啾光栅可看作是栅格周期各不相同的多个光栅微元相连而成，各光栅微元对不同波长的光进行选择性反射。整个光栅的反射谱可以看作各个微元反射作用的总和，表现为其反射谱具有一定的宽度。其反射谱波长与光栅位置是一一对应的，所以当光栅所处位置的应变场发生变化时，啁啾光栅反射光谱变化与光栅位置是一一对应的，啁啾光栅反射光谱可表示为沿光栅位置的函数。所以复合材料裂纹的位置和扩展可通过与啁啾光栅相对应的波长处反射光谱局部光强的下降来进行确定的。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明在复合材料应力集中部位埋入啁啾光栅传感器，通过实时监测光栅反射光谱的变化情况，实现对复合材料内部裂纹的准确定位监测，从而为复合材料结构的疲劳评估和安全使用奠定了基础。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用啁啾光栅定位碳纤维复合材料横向裂纹的方法，其步骤如下：
(1)制作碳纤维复合材料正交层板，其铺层次序为[0°2/90°4/0°2]，啁啾光栅传感器被埋入碳纤维复合材料正交层板2的0°层内，与90°层相邻。
(2)啁啾光栅传感器通过光纤和耦合器相连，然后耦合器通过光纤和宽带光源相连，耦合器通过光纤和光纤传感分析仪相连，光纤传感分析仪通过普通数据线和计算机分析系统相连。
(3)恒温条件下，碳纤维复合材料正交层板的试件在准静态拉伸试验中，利用光纤传感分析仪监测啁啾光栅反射光谱，然后输入计算机分析系统。
(4)在坐标系中调整啁啾光栅长度与埋入前的啁啾光栅反射光谱的FWQM(带宽)相一致，此时啁啾光栅反射光谱中，光强(反射率)下降的点对应的波长位置及波长对应的光栅位置，就是复合材料90°层内横向裂纹产生的位置。
本发明方法简单，成本低廉，可以实时检测出碳纤维复合材料中的横向裂纹。
附图说明
图1为本发明的工作原理简图。
具体实施方式
在图1中，符号1代表啁啾光栅传感器；符号2代表复合材料正交层板；符号3代表耦合器；符号4代表光纤；符合5代表宽带光源；符号6代表光纤传感分析仪；符号7代表计算机分析系统。
如图1所示：一种用啁啾光栅定位碳纤维复合材料横向裂纹的方法，其步骤如下：
(1)制作碳纤维复合材料正交层板2，其铺层次序为[0°2/90°4/0°2]，啁啾光栅传感器1被埋入碳纤维复合材料正交层板2的0°层内，与90°层相邻。
(2)啁啾光栅传感器1通过光纤4和耦合器3相连，然后耦合器3通过光纤4和宽带光源5相连，耦合器3通过光纤4和光纤传感分析仪6相连，光纤传感分析仪6通过普通数据线和计算机分析系统7相连。
(3)恒温条件下，碳纤维复合材料正交层板2的试件在准静态拉伸试验中，利用光纤传感分析仪6监测啁啾光栅反射光谱，然后输入计算机分析系统7。
(4)在坐标系中调整啁啾光栅长度与埋入前的啁啾光栅反射光谱的FWQM(带宽)相一致，此时啁啾光栅反射光谱中，光强(反射率)下降的点对应的波长位置及波长对应的光栅位置，就是复合材料90°层内横向裂纹产生的位置。
工作原理：通过光栅位置与光栅反射光谱光强之间的对应关系，确定横向裂纹的位置。分为两个步骤：(1)首先确定光栅波长与光栅位置的函数关系。(2)从反射光谱确定波长光强的对应关系，从而确定光谱光强与光栅位置的对应关系。
光栅的反射波长为λ(z)＝2Λ(z)n(z)
其中轴向应变εz，光栅周期分布Λ和平均反射指数n可由下式确定：
Λ(z)＝Λ0(z)[1+εz(z)]
Λ0和n0分别为埋入前光栅的起始光栅周期和起始平均反射指数。
Λ0可表示为
Λ0＝Λc+ΔΛ(z-Lg/2)
Λc是光栅中心的光栅周期，ΔΛ是沿光栅长度方向的周期线性变化，Lg是光栅长度，z是沿光栅的位置。
本发明采用的啁啾光栅传感器可为标准直径(外径250μm)，也可为细径52μm，光栅长度可选择15mm、30mm、45mm、60mm，反射光谱的带宽为20-40nm。
碳纤维复合材料增强体可为T300或T700，基体可为环氧、双马和聚酯树脂，其成型工艺可采用手糊成型和模压成型工艺
光纤光谱分析仪采用美国Micro optics inc生产的SI720光纤传感分析仪。它是一款大功率、高精度、高分辨率的仪器，它不仅可给出光纤光栅中心波长的变化，还可以提供光纤光栅在1520nm-1570nm范围内的反射光谱。测量功率为5HZ，测量精度为0.2pm。
Claims (1)
1.一种用啁啾光栅定位碳纤维复合材料横向裂纹的方法，其特征在于：具体步骤如下：
(1)制作碳纤维复合材料正交层板，其铺层次序为[0°2/90°4/0°2]，啁啾光栅传感器被埋入碳纤维复合材料正交层板的0°层内，与90°层相邻；
(2)啁啾光栅传感器通过光纤和耦合器相连，然后耦合器通过光纤和宽带光源相连，耦合器通过光纤和光纤传感分析仪相连，光纤传感分析仪通过普通数据线和计算机分析系统相连；
(3)恒温条件下，碳纤维复合材料正交层板在准静态拉伸试验中，利用光纤传感分析仪监测啁啾光栅反射光谱，然后输入计算机分析系统；
(4)在坐标系中调整啁啾光栅长度与埋入前的啁啾光栅反射光谱的带宽相一致，此时啁啾光栅反射光谱中，光强下降的点对应的波长位置得到对应的光栅位置，该光栅位置就是碳纤维复合材料90°层内横向裂纹产生的位置。
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