CN105067360B - 一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，包括光纤光栅传感器、光纤、复合材料结构、信号发生与解调系统、信号接收器和计算机终端；信号发生与解调系统产生光信号后发送给光纤光栅传感器，光纤光栅传感器用于对复合材料的健康进行监测，并将监测结果通过光纤返回给信号发生与解调系统，信号发生与解调系统对监测结果进行处理后发送给信号接收器；信号接收器接收信号发生与解调系统发送的信号后，传输给计算机终端进行数据的处理，该系统适用于在复合材料结构成型过程、地面试验和空中作业的过程实时监测，有效的提供复合材料结构高精度的应变数据。

Description

一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统

技术领域

本发明涉及一种健康监测系统，特别是一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，属于飞行器结构健康监测与管理领域。

背景技术

长期以来，飞行器结构的应力监测主要靠表面粘贴压电式传感器(即应变片)的方式实现，由于应变片较大的尺寸和测量特点，应变片仅能够监测结构表面的应力应变水平，对于尺寸厚、装配后内部无可达空间的封闭式空腔结构以及复合材料结构内部纤维状态等则无解决的办法。同时由于每个应变片都需要电缆引出实现信号的读取，单个飞行器部段的监测采用的应变片与电缆的重量将高达十几甚至几十公斤。另外大量的应变片的粘接所采用的胶黏剂对飞行器结构表面破坏较大，用后很难清理。严重限制了应变片在飞行器结构全生命周期的监测使用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，该系统采用光纤作为信号通路，单根光纤上可以布置多个监测类型不同的传感器，同时监测结构的应变和温度水平，同时降低监测系统对飞行器结构系统的附加质量和造成的外来损伤，特别是对复合材料内部结构的监测提出了新的解决方法。

本发明的技术解决方案是：一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，包括：光纤光栅传感器、光纤、复合材料结构、信号发生与解调系统、信号接收器和计算机终端；

所述信号发生与解调系统产生光信号后发送给光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器位于复合材料结构内部，用于对复合材料的健康进行监测，并将监测结果通过光纤返回给信号发生与解调系统，信号发生与解调系统对监测结果进行处理后发送给信号接收器；

所述信号接收器接收信号发生与解调系统发送的信号后，传输给计算机终端进行数据的处理。

所述信号发生与解调系统包括方向控制器、宽度可调光源、隔离器、耦合器、滤波器、光电信号转换器、信号采集器和无线信号发射器；

所述宽度可调光源发出光信号，依次经过隔离器、耦合器和方向控制器后通过光纤到达光纤光栅传感器，所述光纤光栅传感器用于对复合材料的健康进行监测，并将监测结果通过光纤和方向控制器返回至耦合器分离出反射后输出的光波后，通过滤波器获得复合材料结构的变化情况，然后通过光电信号转换器将光信号转化为电信号到达信号采集器进行信号采集，并将采集到的信号通过无线信号发射器发射。

所述宽度可调光源发出光信号，依次经过隔离器、耦合器和方向控制器后通过光纤到达光纤光栅传感器，具体为：

宽度可调光源发出光信号，利用隔离器实现光信号的单向发送，通过耦合器和方向控制器将光信号发送到光纤光栅传感器，方向控制器根据光栅传感器返回的信号判断光纤通路是否完好，若光纤通路完好，则光信号仅通过单根光纤的一侧进行输入，若光纤通路某位置出现断点，则控制光信号从光纤的两侧进行输入抵达光栅传感器。

所述方向控制器根据光栅传感器返回的信号判断光纤通路是否完好，具体为：

若方向控制器接收到返回信号的时间减少，说明光信号通路变短，光纤通路出现断点，否则，说明光信号通路不变，光纤通路位出现断点。

所述光纤光栅传感器包括应变传感器和光栅温度传感器。

所述应变传感器的数量为3个，光栅温度传感器的数量为1个，所述3个应变传感器连线组成三角形，复合材料结构健康监测位置位于所述3个应变传感器连线组成的三角形区域内，所述光栅温度传感器位于3个应变传感器连线组成的三角形区域外，3个应变传感器实现复合材料三个方向的应变监测，光栅温度传感器实现复合材料温度的测量。

所述光纤在监测位置采用三角形回转的方式进行布线，复合材料结构健康监测位置位于所述采用三角形回转方式进行布线的光纤所形成的三角形区域内。

所述光纤的直径小于等于复合材料结构单层复合材料铺层的厚度。

所述复合材料结构剪裁和拼接的方向与光纤走线的方向一致。

所述光通过复合材料结构侧面的V形切口嵌入复合材料结构中。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

本发明对测量系统组成进行了创新设计，采用测量系统的构成包含测量部分由光纤光栅应变传感器和光纤光栅温度传感器组成，信号发生输入与解调部分由宽带可调光源、隔离器、信号耦合器、信号方向控制器、信号滤波器、光电信号转换器、信号采集器、无线信号发射器、外部信号接收器与计算机远程终端组成，实现了飞行器全生命周期的结构状态监控，监测信号和数据可以通过无线发生器实现飞行状态的地面实时监控；

附图说明

图1为本发明结构健康监测方法的实施方案示意图；

图2为本发明光栅传感器的布局示意图；

图3为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的示意图；

图4为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的剖视图；

图5为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的局部放大图；

图6为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的V形切口嵌入示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示为本发明的基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测方法的示意图。通过在复合材料结构3预浸料铺放时，预埋光纤光栅传感器1，通过光纤2引出并做好出口防护，将光纤与复合材料3一起高温加压固化。当结构装配完毕后，在使用监测时，将光纤2与信号发生与解调系统4连接，光信号通过宽度可调光源6发出，利用隔离器7实现信号的单向发送，通过耦合器8将输入光信号发送到方向控制器5，输入信号过程耦合器8仅作为信号通路。方向控制器5对光栅传感器返回的信号进行判断，当返回信号的时间减少时，代表光信号通路变短，即可以判断出光纤通路出现断点，断点的位置也可以通过时间的变化进行确定。当光纤通路完好时，光信号仅通过单根光纤一侧进行输入，当光纤通路某位置出现断点时，控制光信号从光纤的两侧进行输入抵达光栅传感器1。通过测量方向控制器实现信号输入输出方向的双侧双重控制。通过光纤通路双向监测，有效降低了光纤通路因损伤导致内部断点对测量的损伤，实现单断点对测量无影响。通过测量方向控制器实现信号输入输出方向的双侧双重控制。

当传感器1感应到参数变化，信号发生后通过光纤2返回至耦合器8，耦合器8进行光波长的对比，分离出反射后输出的光波，通过滤波器9将传感器的中心反射波长进行跟踪分析检测出波长的偏移，获得结构的应变或温度变化情况。通过光电信号转换器10将光信号转换为电信号到达信号采集器11将数据记录。利用载机自带的无线信号发射器12发送到地面的信号接收器13，并传送到计算机终端14进行数据的处理，实现飞行器全生命周期的结构状态监控，监测信号和数据可以通过无线发生器实现飞行状态的地面实时监控。

如图2所示为本发明关于光栅传感器的布局方式，光纤光栅传感器1包括应变传感器和光栅温度传感器，本发明中的光栅传感器包括3个应变传感器和1个光栅温度传感器，3个应变传感器连线组成三角形，复合材料结构健康监测位置位于所述3个应变传感器连线组成的三角形区域内，所述光栅温度传感器位于3个应变传感器连线组成的三角形区域外，通过在监测位置采用光纤三角形回转的方式，在三角形的每个边各布置一个应变传感器实现三个方向的应变监测。在三角形前或后端布置一个光栅温度传感器，实现温度的测量，用于补偿温度效应对应变测量的漂移，提高测量的准确度，光纤2在监测位置采用三角形回转的方式进行布线，复合材料结构健康监测位置位于所述采用三角形回转方式进行布线的光纤2所形成的三角形区域内。通过单光纤布置多测量光栅，实现单通路多测点的测量方法，有效减少了测量通路，大幅节省了测量系统的重量和通路的复杂性。通过单根光纤通路多光栅三角式布置，实现每个测量位置的三个方向应变参数和温度的测量补偿，消除因温度变化对应变测量的误差，提高了测量的精度。

如图3～图6所示为本发明关于光纤传感器与复合材料结构无缺陷预埋方式的示意图。其中图3为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的示意图；图4为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的剖视图；图5为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的局部放大图；图6为本发明光纤光栅传感器与复合材料结构预埋结合的V形切口嵌入示意图。采用直径小于或等于单层复合材料铺层厚度的光纤2，通过复合材料结构铺层3剪裁与拼接的方向与光纤走线的等向一体化设计，实现测量光纤与复合材料结构的无损伤融合。图6中，当复合材料夹层结构中，通过在蜂窝3.1的表面开V形切口，实现光纤的嵌入。通过复合材料铺层方向、铺层搭接与对接的拼缝和光纤通路的等向设计，实现复合材料结构与测量传感器的无损伤结合，既保护了脆弱的光纤，又不会对复合材料结构产生内部的缺陷。

本发明通过复合材料铺层方向、铺层搭接与对接的拼缝和光纤通路的等向设计，实现复合材料结构与测量传感器的无损伤结合

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，其特征在于包括：光纤光栅传感器(1)、光纤(2)、复合材料结构(3)、信号发生与解调系统(4)、信号接收器(13)和计算机终端(14)；

所述信号发生与解调系统(4)产生光信号后发送给光纤光栅传感器(1)，所述光纤光栅传感器(1)位于复合材料结构(3)内部，用于对复合材料的健康进行监测，并将监测结果通过光纤(2)返回给信号发生与解调系统(4)，信号发生与解调系统(4)对监测结果进行处理后发送给信号接收器(13)；

所述信号发生与解调系统(4)包括宽度可调光源(6)、隔离器(7)、耦合器(8)、方向控制器(5)；

所述宽度可调光源(6)发出光信号，依次经过隔离器(7)、耦合器(8)和方向控制器(5)后通过光纤(2)到达光纤光栅传感器(1)，具体为：

宽度可调光源(6)发出光信号，利用隔离器(7)实现光信号的单向发送，通过耦合器(8)和方向控制器(5)将光信号发送到光纤光栅传感器(1)，方向控制器(5)根据光栅传感器(1)返回的信号判断光纤通路是否完好，若光纤通路完好，则光信号仅通过单根光纤的一侧进行输入，若光纤通路某位置出现断点，则控制光信号从光纤的两侧进行输入抵达光栅传感器(1)；

所述信号接收器(13)接收信号发生与解调系统(4)发送的信号后，传输给计算机终端(14)进行数据的处理；

所述光纤光栅传感器(1)包括应变传感器和光栅温度传感器；

所述应变传感器的数量为3个，光栅温度传感器的数量为1个，所述3个应变传感器连线组成三角形，复合材料结构健康监测位置位于所述3个应变传感器连线组成的三角形区域内，所述光栅温度传感器位于3个应变传感器连线组成的三角形区域外，3个应变传感器实现复合材料三个方向的应变监测，光栅温度传感器实现复合材料温度的测量；

通过单根光纤通路多光栅三角式布置，实现每个测量位置的三个方向应变参数和温度的测量补偿，消除因温度变化对应变测量的误差，提高了测量的精度；

所述方向控制器(5)根据光栅传感器(1)返回的信号判断光纤通路是否完好，具体为：

若方向控制器(5)接收到返回信号的时间减少，说明光信号通路变短，光纤通路出现断点，否则，说明光信号通路不变，光纤通路位出现断点。

2.根据权利要求1所述的一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，其特征在于：所述信号发生与解调系统(4)包括方向控制器(5)、宽度可调光源(6)、隔离器(7)、耦合器(8)、滤波器(9)、光电信号转换器(10)、信号采集器(11)和无线信号发射器(12)；

所述宽度可调光源(6)发出光信号，依次经过隔离器(7)、耦合器(8)和方向控制器(5)后通过光纤(2)到达光纤光栅传感器(1)，所述光纤光栅传感器(1)用于对复合材料的健康进行监测，并将监测结果通过光纤(2)和方向控制器(5)返回至耦合器(8)分离出反射后输出的光波后，通过滤波器(9)获得复合材料结构(3)的变化情况，然后通过光电信号转换器(10)将光信号转化为电信号到达信号采集器(11)进行信号采集，并将采集到的信号通过无线信号发射器(12)发射。

3.根据权利要求1所述的一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，其特征在于：所述光纤(2)在监测位置采用三角形回转的方式进行布线，复合材料结构健康监测位置位于所述采用三角形回转方式进行布线的光纤(2)所形成的三角形区域内。

4.根据权利要求1所述的一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，其特征在于：所述光纤(2)的直径小于等于复合材料结构单层复合材料铺层的厚度。

5.根据权利要求1所述的一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，其特征在于：所述复合材料结构(3)剪裁和拼接的方向与光纤(2)走线的方向一致。

6.根据权利要求1所述的一种基于预埋光纤光栅的复合材料结构健康监测系统，其特征在于：所述光纤(2)通过复合材料结构(3)侧面的V形切口嵌入复合材料结构(3)中。