CN101819166B - 复合材料胶结接头脱粘扩展的啁啾光栅监测方法 - Google Patents

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Abstract

复合材料胶结接头脱粘扩展的啁啾光栅监测方法，其步骤如：(1)制作碳纤维(玻璃纤维)复合材料正交层板，将带有啁啾光栅传感器的光纤埋入复合材料正交层板的0°层内。(2)将已包含啁啾光栅传感器的被粘接板材的端部切割整齐，保证啁啾光栅传感器的低波长端部接近切割后被粘接板端部。(3)用埋入啁啾光栅传感器的复合材料正交层板粘接复合材料层板(或金属板)。(4)利用光纤传感分析仪监测不同疲劳周期时啁啾光栅反射光谱。(5)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。本发明方法简单，成本低廉，可以方便的检测出复合材料胶结接头脱粘的起始点和最终脱粘扩展的变化。

Description

复合材料胶结接头脱粘扩展的啁啾光栅监测方法
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监测复合材料胶结接头脱粘位置的方法。属于材料科学领域。
背景技术
由复合材料-复合材料或复合材料-金属搭接头组成的复合材料胶接头，被广泛应用在工业领域中。与机械紧固相比，复合材料结构的胶结连接法可使应力平均分布在整个胶接区域，不易形成应力集中。使用各种胶结结构的困难在于，在需要考虑结构完整性监测的领域，粘接结构不容易拆装。但是，准静态拉伸和疲劳载荷条件下，在粘接接头部分的粘接界面间特别容易产生脱粘形式的损伤。因此，在生产和服役过程中及时监测粘接接头位置的缺陷，对整个结构的安全性十分关键。传统粘接结构接头脱粘的监测主要采用超声、声发射、微波、热图法，但以微米级监测到脱粘的起始点和最终脱粘扩展的变化，都十分困难。
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。近年来，应用均匀FBG光栅进行粘接接头、修复结构的无损监测研究取得了广泛关注。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。所以复合材料粘接接头脱粘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
本发明针对复合材料胶接接头无法拆装进行结构完整性监测的难题，将啁啾光栅传感器(CFBG)置入复合材料胶接接头结构内部，通过实时监测光栅反射光谱的变化情况，实现对胶接接头脱粘产生、扩展及定位的实时监测，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：复合材料胶结接头脱粘扩展的啁啾光栅监测方法，其步骤如下：
(1)制作碳纤维(玻璃纤维)复合材料正交层板，其铺层次序为[0°2/90°4/0°2]，每层厚度为0.25mm。将带有啁啾光栅传感器的光纤埋入复合材料正交层板的0°层内，与90°层相邻，光栅距离胶结层的距离为0.5mm。
(2)将已包含啁啾光栅传感器的被粘接板材的端部切割整齐，保证啁啾光栅传感器的低波长端部接近切割后被粘接板端部。
(3)用埋入啁啾光栅传感器的复合材料正交层板粘接复合材料层板(或金属板)，根据胶结接头长度不同，可选用啁啾光栅传感器的光栅长度为15mm，30mm，45mm，60mm，粘接宽度和长度按设计要求。
(4)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。
(5)恒温条件下，疲劳试验中，利用光纤传感分析仪监测不同疲劳周期时啁啾光栅反射光谱，然后输入计算机分析系统。
(6)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，就是复合材料粘接结构脱粘起始点对应的位置。
本发明方法简单，成本低廉，可以方便的检测出复合材料胶结接头脱粘的起始点和最终脱粘扩展的变化。
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：复合材料胶结接头脱粘扩展的啁啾光栅监测方法，其步骤如下：
(1)制作碳纤维(玻璃纤维)复合材料正交层板2，其铺层次序为[0°2/90°4/0°2]，每层厚度为0.25mm。将带有啁啾光栅传感器1的光纤埋入复合材料正交层板2的0°层内，与90°层相邻，光栅距离胶结层的距离为0.5mm。
(2)将已包含啁啾光栅传感器1的被粘接板材的端部切割整齐，保证啁啾光栅传感器1的低波长端部接近切割后被粘接板端部。
(3)用埋入啁啾光栅传感器1的复合材料正交层板2粘接复合材料层板(或金属板)，根据胶结接头长度不同，可选用啁啾光栅传感器1的光栅长度为15mm，30mm，45mm，60mm，粘接宽度和长度按设计要求。
(4)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。
(5)恒温条件下，疲劳试验中，利用光纤传感分析仪6监测不同疲劳周期时啁啾光栅反射光谱，然后输入计算机分析系统7。
(6)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，就是复合材料粘接结构脱粘起始点对应的位置。
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，确定接头脱粘的位置。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)]
n ( z ) = n 0 - n 0 3 2 { p 12 - v f ( p 11 + p 22 ) } ϵ z ( 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。
复合材料正交层板选用碳纤维或玻璃纤维，基体可选用环氧、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.复合材料胶结接头脱粘扩展的啁啾光栅监测方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)制作碳纤维或玻璃纤维复合材料正交层板，其铺层次序为[0°2/90°4/0°2]，每层厚度为0.25mm，将带有啁啾光栅传感器的光纤埋入复合材料正交层板的0°层内，与90°层相邻，光栅距离胶结层的距离为0.5mm；
(2)将已包含啁啾光栅传感器的被粘接板材的端部切割整齐，保证啁啾光栅传感器的低波长端部接近切割后被粘接板端部；
(3)用埋入啁啾光栅传感器的复合材料正交层板粘接复合材料层板或金属板，根据胶结接头长度不同，可选用啁啾光栅传感器的光栅长度为15mm或30mm或45mm或60mm，粘接宽度和长度按设计要求；
(4)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；
(5)恒温条件下，疲劳试验中，利用光纤传感分析仪监测不同疲劳周期时啁啾光栅反射光谱，然后输入计算机分析系统；
(6)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，该光栅位置对应的就是复合材料粘接结构脱粘起始点对应的位置。
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