CN105158256A - 一种复合材料在线健康监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料在线健康监测系统和监测方法，系统包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和双引线阵列式光纤光栅对传感器，其中，光源发出光信号，光信号经过光纤分为两路，分别通过一个光纤耦合器连接在双引线阵列式光纤光栅对传感器的两端所有的光纤光栅均预埋设于复合材料内部，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器调用复合材料损伤数据库，分析纤维复合材料的损伤类型、程度及其分布，建立三维模型，输出复合材料的损伤分布，通过有限元分析计算复合材料剩余强度，评估复合材料的健康情况。本发明监测复合材料的损伤状态，实时发出预警。

Description

一种复合材料在线健康监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料在线健康监测系统和监测方法。

背景技术

纤维复合材料具有高强度、低密度、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优点，是理想的航空航天结构件制造材料，目前已大量应用于航空航天飞行器，尤其在飞机结构件中，发挥着极其重要的作用。例如，波音787和空客A350XWB飞机中复合材料用量已经超过50％，这其中大部分是碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。

飞机在长期飞行过程中，由于疲劳、腐蚀、材料老化以及高空环境变化等不利因素的影响，不可避免地产生损伤积累，另外，一些突发事件，如鸟撞、飞石、冰雹、雷击等也会造成复合材料结构件损伤积累和扩展，这种损伤积累和扩展具有隐蔽性，给飞机造成了极大的安全隐患，甚至可能引发飞机坠毁等突发性严重事故，造成无法挽回的损失。

1988年发生一起航空事故，由于飞机蒙皮与壁板连接位置多处疲劳开裂损伤，导致在24000英尺高空中，机体上半部分脱落。

大量军用及民用飞机在超过其设计寿命很多年的情况下仍在运营，飞机复合材料的健康监测研究对于这类飞机尤为重要，对其进行健康监测以确保安全运营，在一定程度上延长了飞机的安全使用寿命。此外飞机复合材料健康监测不仅能满足乘客的安全感和舒适感，增加飞机结构的功能性、智能性和灵活性，而且能够降低维修和检测的费用。

常规复合材料健康监测主要是一些无损探伤方案，包括射线、超声、红外、涡流、微波、激光全息照相技术、目视检测等。这些传统无损检测方法的特点是离线、静态、被动的。到目前为止，受多方面技术和传感器条件的制约，我国尚未出现机载状态下对飞机载荷进行长期(一个大修周期以上)监测的应用案例。

金属应变片、应变线等虽然可以对复合材料做到一定的在线监测，然而这些传感器在遭受外界雷击、冰雹、飞石等冲击后极易损毁，并且测量繁琐、易受电磁干扰，寿命短。鉴于复合材料损伤多样化，以及应力或环境因素产生损伤在积累到一定程度以后会迅速扩展而导致结构失效，使复合材料在线监测充满了挑战。传统健康监测旨在发现缺陷的位置、大小等，而在线对复合材料的剩余强度进行评价，以及在局部强度评价的基础上，判断复合材料整体的安全性的研究较少。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种复合材料在线健康监测系统和监测方法，该方法解决复合材料难以长期在线监测的问题，实现对复合材料的在线健康监测，计算复合材料的剩余强度，并对复合材料的安全性和剩余使用寿命进行预估。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合材料在线健康监测系统，包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和双引线阵列式光纤光栅对传感器，其中，光源发出光信号，光信号经过光纤分为两路，分别通过一个光纤耦合器传输到双引线阵列式光纤光栅对传感器的两端，形成两个兼具激光入射和反射的端口，双引线阵列式光纤光栅对传感器中所有的光纤光栅均预埋设于复合材料内部，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器调用复合材料损伤数据库，分析复合材料的损伤类型、程度及其分布，建立三维模型，输出复合材料的损伤分布，通过有限元分析计算复合材料剩余强度，评估复合材料的健康情况。

所述处理器包括光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块、复合材料健康整体评估模块和显示输出模块，其中，所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪采集的信号；所述复合材料损伤数据库模块，用于存储复合材料损伤数据；所述CAD建模模块，用于建立复合材料的三维模型，输出复合材料的损伤分布；所述CAE有限元分析模块，用于计算复合材料剩余强度；所述复合材料健康整体评估模块，用于根据复合材料的损伤分布和剩余强度，评估复合材料的健康情况；所述显示输出模块，用于显示复合材料的三维模型和健康情况。

所述双引线阵列式光纤光栅对传感器中的每个光纤光栅对都包括两条双引线阵列式光纤光栅：一条温度光纤光栅和一条应变光纤光栅，温度光纤光栅用来测量温度，应变光纤光栅用来测量应变；温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅平行、相邻排列，双引线阵列式温度光纤光栅中的每个温度光栅单元与双引线阵列式应变光纤光栅的每个应变光栅单元一一对应，从而使温度光纤和相邻的应变光纤组成了一个双引线阵列式光纤光栅对。

所述光源内置于光纤光栅解调仪内，产生连续调频激光，激光信号通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。

所述双引线阵列式光纤光栅对传感器为双引线结构，每条光纤光栅都有两条引线相连，每个光栅单元都有两条光路。在使用过程中若光纤意外断裂，只要光栅还有一条引线与外部检测系统连接，就可以保持光纤通路，保证光纤光栅的存活和检测信号的传递，提高了该监测系统的稳定性，是进行长期在线健康监测的保证。

所述双引线阵列式光纤光栅对，优选包层直径35-45微米甚至更细径的光纤制作阵列式光纤光栅，更细直径的光栅可以更大程度地减少光纤包埋对复合材料强度和刚度的影响。

所述双引线阵列式温度光纤、双引线阵列式应变光纤都包括多个刻有不同中心波长的光栅单元，优选为6-16个光栅单元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，多条刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光栅阵列。

所述双引线阵列式光纤光栅监测复合材料服役过程的应变和温度变化，对疲劳、裂纹、应力集中、雷击、鸟撞、冰雹、飞石等损伤模式都能有效监测。

所述光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，是结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。

所述光纤光栅解调仪为高速光纤光栅波长解调仪，具有高速且多通道并行的解调方案，实现信号快速解调，满足健康监测需要，可以快速解调复合材料在疲劳、腐蚀、鸟撞、雷击、热震等多种条件下的光栅信号。

所述激光光源、光纤耦合器、光纤光栅传感器均通过光纤连接，光纤光栅解调仪和光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和处理器通过数据线连接，传输信号为数字信号。

一种复合材料在线健康监测的方法，包括以下步骤：

(1)选择光纤刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，引线分别从传感器两端引出，形成双引线光纤光栅串，并对光栅的温度系数标定；

(2)选择两条光纤光栅组建光纤光栅对，一条光纤光栅用于测量温度，标记为T，另一条光纤光栅测量应变，标记为S，标记T的光栅均外套套管，管口胶封；

(3)在复合材料固化成型前，在复合材料中根据需要按照一定的间距铺设m组光纤光栅对，并给光纤对编号，构成双引线阵列式光纤光栅对传感器；

(4)复合材料固化成型后，把每条光纤光栅传感器的两端引线分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，求解复合材料温度、应变和应力；

(5)建立复合材料的三维模型，输出复合材料的损伤分布，利用有限元分析计算复合材料剩余强度，判断复合材料是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤类型，输出损伤，计算复合材料剩余强度，进而评价复合材料健康程度。

所述步骤(1)中，双引线光纤光栅传感器采用细直径光纤，引线分别从光纤光栅两端引出，光纤刻有多个不同中心波长的光栅单元，光栅单元的中心波长从一侧到另一侧逐渐增加，光栅单元通常按照等长度、等间距来刻制。

所述步骤(2)中，光纤光栅对是由一条温度测量光栅T和一条应变测量光栅S组成的，两条光纤光栅平行，保证温度光纤的光栅单元T_ki和应变光纤的光栅单元S_ki位置对应。

所述步骤(3)中，光纤对的铺设方向与紧邻的复合材料纤维铺层角度保持相同，组成双矩阵光纤光栅传感器，温度光栅构成温度矩阵T[m×n]，应变光栅构成应变矩阵S[m×n]。

所述步骤(4)中求解复合材料温度的过程为：

在一组光纤光栅对中，对温度光栅和应变光栅标定，设标定后温度光栅和应变光栅的中心波长和温度拟合关系如下：

λ_BT1＝k_T1T+λ₁₀，

λ_BT2＝k_T2T+λ₂₀，

其中，λ_BT1为温度光栅在温度标定情况下的中心波长；λ_BT2为应变光栅在温度标定情况下的中心波长；k_T1为温度光栅的温度系数；k_T2为应变光栅的温度系数；T为复合材料温度；

光纤光栅对的两条光纤紧密相邻，位置对应，温度光栅T_ki和应变光栅S_ki的温度相同，那么复合材料的温度为：

$T=T_i=T_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_{BT1}-{\mathrm{\λ}}_{10}}{k_{T1}}.$

所述步骤(4)中，复合材料应变计算：

应变光栅中心波长的改变量由温度变化和复合材料的应变共同引起，表示为：

Δλ_B2＝k_ε2ε+k_T2ΔT，

其中，k_ε2为应变光栅的应变系数；k_T2为应变光栅的温度系数；ε为复合材料的应变；ΔT为复合材料的温度变化；

对光栅对中的温度光栅和应变光栅传感器做温度标定的拟合函数差分处理，可得：

Δλ_BT1＝k_T1ΔT，

Δλ_BT2＝k_T2ΔT，

结合以上各式，复合材料应变量为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}-\frac{k_{T2}}{k_{T1}}{\mathrm{\Δ\λ}}_{BT1}}{k_{\mathrm{\ϵ}2}}.$

所述步骤(4)中，复合材料应力计算：

根据复合材料的模量和应变，可以求解复合材料应力：

σ＝Eε，

其中，σ为复合材料应力，E为复合材料模量。

所述步骤(5)中，具体包括：

(5-1)利用CAD建模软件建立复合材料的三维几何模型，并导入CAE有限元分析软件，划分网格，建立有限元模型；

(5-2)根据空间位置对应关系，建立有限元模型中单元集团e_xkj和光栅单元xkj的对应关系：将光栅测量的温度、应变和应力映射到有限元模型中；

(5-3)处理器接收光纤光栅解调仪传输来的信号，并统计死亡光栅编号；

(5-4)将接收到的光栅xkj信号进行处理后和复合材料损伤数据库中相应的损伤数据模型对比，判断光栅单元位置的复合材料是否发生损伤、损伤类型和损伤程度，并用损伤因子d对该区域复合材料损伤程度标定，建立光栅单元和复合材料损伤程度之间的关系：xkj→d_(xkj)；

(5-5)通过损伤因子d_(xkj)，基于复合材料损伤刚度折减理论，建立损伤因子和复合材料基本性能参数之间的关系：d_(xkj)→P_(xkj)；

(5-6)结合步骤(5-2)、(5-4)、(5-5)，得到有限元模型中的光栅单元集团在健康监测过程中材料基本参数的变化关系：e_(xkj)→P_(xkj)；

(5-7)根据损伤因子和复合材料基本性能参数之间的关系，实时修改有限元模型的材料参数，计算服役过程中复合材料的剩余强度，通过云图输出，并进行显示；

(5-8)根据剩余强度变化，预估复合材料的安全性和使用寿命，及时发出警报，提高复合材料的使役安全性。

所述步骤(5)中，双引线光栅信号的处理具有选择性：光纤完好时，处理器接收的两引线信号相同，仅仅加工处理一端引线传输信号；如果光纤断裂，两端引线传输信号不同，处理器需要同时处理两端信号。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种复合材料在线健康监测系统和方法，解决了复合材料在受载复杂、环境多变情况下难以在线监测的难题，本监测系统和方法具有容易操作、一次安装、长期适用并且不影响复合材料性能的优点；

(2)本发明采用双引线阵列式光纤光栅对作为传感器，对复合材料强度和刚度不产生影响，可以同时监测复合材料内部应变和温度变化，在遭受雷击、鸟撞、冰雹等突发事件导致光栅发生断裂后，一条双引线光栅传感器可以变成两个独立的单引线光栅传感器，因此在复合材料遭受损伤后传感器依然可以正常工作，保证在线监测过程的持续性；

(3)本发明提供了复合材料在线健康监测系统和信号处理的方法，监测系统综合了三维建模和有限元分析功能，可视化输出复合材料损伤位置和损伤程度，并且计算复合材料剩余强度，可对复合材料的整体安全性和使用寿命进行预估，并及时发布预警。

附图说明

图1一种“L”型复合材料在线健康监测系统示意图；

图2双引线阵列式光纤光栅对；

图3复合材料在线健康监测系统的数据处理流程图；

图4(a)光栅传感器在线监测复合材料固化过程的温度数据；

图4(b)光栅传感器在线监测复合材料固化过程的应变数据；

图5“L”型复合材料的有限元模型。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种基于双引线光纤光栅对的复合材料在线健康监测系统，该系统包括信号检测的硬件部分和信号处理的软件部分。硬件部分主要包括：双引线阵列式光纤光栅对传感器、光纤耦合器、光纤光栅解调仪(内置激光器)、处理器等，其中，双引线阵列式光纤光栅对传感器由双引线阵列式温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅组成。软件部分主要为复合材料在线健康监测计算机软件，主要包括：光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块以及复合材料健康整体评估模块、显示输出模块。

光纤光栅解调仪内置的激光器产生激光信号，激光信号经过传导光纤分为两路，分别传输给第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，第一光纤耦合器连接双引线阵列式温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅的一端引线，双引线阵列式温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅的另一端引线连接第二光纤耦合器，形成两个兼具激光入射和反射的端口；双引线阵列式温度光纤光栅、双引线阵列式应变光纤光栅的所有光栅传感器均预埋设于复合材料内部，激光信号与光纤光栅相互作用后，反射光分别通过两端引线再次进入第一、第二光纤耦合器，第一、第二光纤耦合器输出的光信号进入光纤光栅解调仪，完成信号解调，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，处理器中的复合材料在线健康监测软件通过调用复合材料损伤数据库，分析纤维复合材料的损伤类型、程度及其分布，通过CAD建模，三维输出复合材料的损伤分布，通过CAE有限元分析软件计算复合材料剩余强度，评估复合材料的健康情况。

激光器为光纤光栅解调仪内置的激光器，可以产生连续调频激光，激光信号通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。

双引线阵列式光纤光栅为双引线结构，即每条光纤光栅都有两条引线相连，每个光栅单元都有两条光路。在使用过程中若光纤意外断裂，只要光栅还有一条引线与外部检测系统连接，就可以保持光纤通路，保证光纤光栅的存活和检测信号的传递，提高了该监测系统的稳定性，是进行长期在线健康监测的保证。

双引线阵列式光纤光栅对由两条双引线阵列式光纤光栅组成：一条温度光纤光栅和一条应变光纤光栅，温度光纤光栅用来测量温度，应变光纤光栅用来测量应变。所述双引线阵列式温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅平行、相邻排列，双引线阵列式温度光纤光栅中的每个温度光栅单元与双引线阵列式应变光纤光栅的每个应变光栅单元一一对应，从而使温度光纤和相邻的应变光纤组成了一个双引线阵列式光纤光栅对。

双引线阵列式光纤光栅对，优选包层直径35-45微米甚至更细径的光纤制作阵列式光纤光栅，更细直径的光栅可以更大程度地减少光纤包埋对复合材料强度和刚度的影响。

双引线阵列式温度光纤、双引线阵列式应变光纤都包括多个刻有不同中心波长的光栅单元，优选为6-16个光栅单元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，多条刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光栅阵列。

双引线阵列式光纤光栅监测复合材料服役过程的应变和温度变化，对疲劳、裂纹、应力集中、雷击、鸟撞、冰雹、飞石等损伤模式都能有效监测。

光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，是结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。

光纤光栅解调仪为高速光纤光栅波长解调仪，具有高速且多通道并行的解调方案，实现信号快速解调，满足健康监测需要，可以快速解调复合材料在疲劳、腐蚀、鸟撞、雷击、热震等多种条件下的光栅信号。

激光光源、光纤耦合器、光纤光栅传感器均通过光纤连接，光纤光栅解调仪和光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和计算机通过数据线连接，传输信号为数字信号。

复合材料在线健康监测计算机软件包括光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块、复合材料健康整体评估模块和显示输出模块。

为实现上述目的，本发明提供该系统进行复合材料在线健康监测的方法，步骤如下：

(1)选择光纤刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，引线分别从传感器两端引出，形成双引线光纤光栅串，并对光栅的温度系数标定；

(2)选择两条光纤光栅组建光纤光栅对，一条光纤光栅用于测量温度，标记为T，另一条光纤光栅测量应变，标记为S，标记T的光栅均外套细小不锈钢管，管口胶封；

(3)在复合材料固化成型前，在复合材料中根据需要按照一定的间距铺设m组光纤光栅对，并给光纤对编号，构成双阵列式(温度矩阵和应变矩阵)光纤光栅传感器；

(4)用塑料带包裹保护光纤光栅对的引线，按照工艺，把复合材料固化成型，并对复合材料进行编号；

(5)复合材料固化成型后，把每条光纤光栅传感器的两端引线分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接计算机；

(6)打开光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪的内置激光器产生激光信号，经光纤耦合器进入光栅，光纤光栅解调仪把光栅反射的光信号解调成数字信号，复合材料在线健康监测计算机软件接收光纤光栅解调仪传输来的数字信号，求解复合材料温度、应变和应力；

(7)复合材料在线健康监测计算机软件调用复合材料损伤数据库模块，判断复合材料是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤类型，通过CAD建模模块的界面输出损伤，利用CAE有限元分析模块计算复合材料剩余强度，进而评价复合材料健康程度。

所述步骤(1)中，双引线光纤光栅传感器采用细直径光纤，引线分别从光纤光栅A、B两端引出，光纤刻有多个不同中心波长的光栅单元，光栅单元的中心波长从A→B逐渐增加，光栅单元通常按照等长度(优选5-15mm)、等间距(根据复合材料尺寸、光栅单元数目确定)来刻制，由A→B标记为1、2、3、…、n区，对光栅单元的编号为第四级编号。

所述步骤(2)中，光纤光栅对是由一条温度测量光栅T和一条应变测量光栅S组成的，两条光纤光栅平行，保证温度光纤的光栅单元T_ki(第k组光栅对中第i个温度光栅)和应变光纤的光栅单元S_ki(第k组光栅对中第i个应变光栅)位置对应。温度光栅和应变光栅的T、S编号为第三级编号，用来区分光纤光栅对中的应变光栅和温度光栅。

所述步骤(3)中，光纤对的铺设方向与紧邻的复合材料纤维铺层角度保持相同，光纤光栅对的编号为第二级编号。

所述步骤(3)中，光栅对组成双矩阵光纤光栅传感器，温度光栅构成温度矩阵T[m×n]，应变光栅构成应变矩阵S[m×n]。

所述步骤(4)中，复合材料编号为第一级编号，用英文字母a、b、c、…标记，光栅(xkTj)表示复合材料x中的第k组光纤光栅对的第j个温度光栅单元，光栅(xkSj)表示复合材料x中的第k组光纤光栅对的第j个应变光栅单元，每个光栅单元在计算数据处理中编号唯一。

所述步骤(6)中，双引线光栅信号的处理具有选择性：光纤完好时，计算机接收的A、B两引线信号相同，仅仅加工处理A引线传输信号；如果光纤断裂，A、B两端引线传输信号不同，计算机需要同时处理A、B两端信号。

所述步骤(6)中采用光栅信号解析模块求解复合材料温度、应变和应力过程如下：

(a)复合材料温度计算：

在一组光纤光栅对中，对温度光栅和应变光栅标定，设标定后温度光栅和应变光栅的中心波长和温度拟合关系如下：

λ_BT1＝k_T1T+λ₁₀，

λ_BT2＝k_T2T+λ₂₀，

其中，λ_BT1为温度光栅在温度标定情况下的中心波长；λ_BT2为应变光栅在温度标定情况下的中心波长；k_T1为温度光栅的温度系数；k_T2为应变光栅的温度系数；T为复合材料温度；

光纤光栅对的两条光纤紧密相邻，位置对应，温度光栅T_ki和应变光栅S_ki的温度相同，那么复合材料的温度为：

$T=T_1=T_2=\frac{{\mathrm{\λ}}_{BT1}-{\mathrm{\λ}}_{10}}{k_{T1}},$

(b)复合材料应变计算：

应变光栅中心波长的改变量由温度变化和复合材料的应变共同引起，表示为：

Δλ_B2＝k_ε2ε+k_T2ΔT，

其中，k_ε2为应变光栅的应变系数；k_T2为应变光栅的温度系数；ε为复合材料的应变；ΔT为复合材料的温度变化；

对光栅对中的温度光栅和应变光栅传感器做温度标定的拟合函数差分处理，可得：

Δλ_BT1＝k_T1ΔT，

Δλ_BT2＝k_T2ΔT，

结合以上各式，复合材料应变量为：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B2}-\frac{k_{T2}}{k_{T1}}{\mathrm{\Δ\λ}}_{BT1}}{k_{\mathrm{\ϵ}2}};$

(c)复合材料应力计算：

根据复合材料的模量和应变，可以求解复合材料应力：

σ＝Eε，

其中，σ为复合材料应力，E为复合材料模量。

所述步骤(7)中，复合材料在线健康监测计算机软件的数据处理过程包含以下步骤：

(a)利用CAD建模软件建立复合材料的三维几何模型，并导入CAE有限元分析软件，划分网格，建立有限元模型；

(b)根据空间位置对应关系，建立有限元模型中单元集团e_xkj和光栅单元xkj(光栅单元xkj包括温度光栅xkTj和应变光栅xkSj)的对应关系：这样就把光栅测量的温度、应变和应力映射到有限元模型中；

(c)复合材料在线健康监测计算机软件接收光纤光栅解调仪传输来的信号，比较每个光栅单元在A、B端口的信号是否相同：如果相同，仅对A端口信号进行处理；否则，A、B端口接收的信号则都要处理，并统计死亡光栅编号；

(d)复合材料在线健康监测计算机软件把接收到的光栅xkj信号进行处理后和复合材料损伤数据库中相应的损伤数据模型对比，判断光栅单元位置的复合材料是否发生损伤、损伤类型和损伤程度，并用损伤因子d对该区域复合材料损伤程度标定(d∈[0,1]，d＝0表示没有损伤，d＝1表示完全损伤，材料失效)，这样就建立了光栅单元和复合材料损伤程度之间的关系：xkj→d_(xkj)；

(e)通过损伤因子d_(xkj)，基于复合材料损伤刚度折减理论，建立损伤因子和复合材料基本性能参数之间的关系：d_(xkj)→P_(xkj)；

(f)结合步骤(b)、(d)、(e)就得到有限元模型中的光栅单元集团在健康监测过程中材料基本参数的变化关系：e_(xkj)→P_(xkj)；

(g)CAE有限元分析软件根据步骤(f)中所述的变化关系，实时修改有限元模型的材料参数，计算服役过程中复合材料的剩余强度，通过云图输出，并反馈到复合材料在线健康监测计算机软件的显示窗口；

(h)复合材料在线健康监测计算机软件根据剩余强度变化，预估复合材料的安全性和使用寿命，及时发出警报，提高复合材料的使役安全性。

实施例一：

光纤Bragg光栅(FiberBraggGrating,FBG)是一种对应力、应变及温度敏感的传感元件，可实现单根光纤对几十个应变节点的测量，具有精度高、体积小、重量轻、波分复用、寿命长、可靠性高、耐腐蚀、传输距离长等优点，可实现应变、应力、温度等多种参量的测量，可以用于载荷监测、结构疲劳、裂纹扩展等健康监测。因此光纤光栅传感技术的出现十分有助于解决航空结构飞行载荷长期监测的技术难点，能满足飞机在线监测技术对传感器的特殊要求。在本实施例中选用光纤Bragg光栅。

一种(220+220)×300mm，[45/0/-45/90]_4S碳纤维复合材料“L”型复合材料在线健康监测装置和方法。

如图1所示，系统包括：双引线阵列式光纤Bragg光栅对、光纤耦合器、光纤光栅数字解调仪、计算机系统等。

双引线光纤光栅对传感器结构(图2)，包括一条温度光栅和一条应变光栅。每个光纤光栅A、B两端均有引线，形成两个信号通道，遭受外力断裂后，1个双引线光栅传感器可以变成2个单引线光栅传感器，光栅可以正常工作，保证在线监测过程监测的稳定性。

(1)根据复合材料尺寸，刻制22条包层直径40μm的光纤刻制光栅。每条光纤上刻制10个不同中心波长的光栅单元，编号1-10，每个光栅单元总长度为30mm，其中光栅蚀刻区长度10mm，栅区间隔为20mm，从A端到B端光栅中心波长增加，增量4nm。

(2)取两条刻制好光纤组成光纤光栅对，并编号为1-11，温度测量光栅外套不锈钢钢管，管口胶封，标记为T，应变光栅标记为S，保持两光纤的光栅单元位置对应，引线处用胶带粘接固定。

(3)按照[45/0/-45/90]_4S铺层顺序铺置碳纤维预浸布，把11对光纤光栅对按照90°方向，平行等间距(40mm)铺置在第16和17层预浸布之间，光纤对1-5号和7-11号光纤光栅对分别铺在“L”型复合材料两侧面，6号光纤光栅对在“L”型复合材料中间脊背内。

(4)光纤两端引线A、B包裹保护层，按照工艺固化成型。“L”型复合材料编号为x，11组光纤光栅对组成温度光栅和应变光栅传感器双阵列(温度xT[11×10]和应变xS[11×10])。

(5)将固化后的复合材料机械加工并安装后，光纤光栅A、B两端引线分别接入耦合器A、B，耦合器A、B通过传导光纤连接光栅解调仪，光栅解调仪通过USB数据线连接电脑，电脑中有健康监测系统软件处理光纤光栅数据，三维建模，输出显示损伤分布，计算剩余强度。

计算机复合材料健康监测软件数据处理整体流程如图3，图4为光栅监测复合材料固化过程的温度(a)和应变(b)数据，“L”型复合材料有限元模型如图5，通过有限元软件和光纤光栅检测数据便可在线计算复合材料剩余强度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种复合材料在线健康监测系统，其特征是：包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和双引线阵列式光纤光栅对传感器，其中，光源发出光信号，光信号经过光纤分为两路，分别通过一个光纤耦合器传输到双引线阵列式光纤光栅对传感器的两端，形成两个兼具激光入射和反射的端口，双引线阵列式光纤光栅对传感器中所有的光纤光栅均预埋设于复合材料内部，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器调用复合材料损伤数据库，分析复合材料的损伤类型、程度及其分布，建立三维模型，输出复合材料的损伤分布，通过有限元分析计算复合材料剩余强度，评估复合材料的健康情况。

2.如权利要求1所述的一种复合材料在线健康监测系统，其特征是：所述处理器包括光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库模块、CAD建模模块、CAE有限元分析模块、复合材料健康整体评估模块和显示输出模块，其中，所述光纤光栅信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪采集的信号；所述复合材料损伤数据库模块，用于存储复合材料损伤数据；所述CAD建模模块，用于建立复合材料的三维模型，输出复合材料的损伤分布；所述CAE有限元分析模块，用于计算复合材料剩余强度；所述复合材料健康整体评估模块，用于根据复合材料的损伤分布和剩余强度，评估复合材料的健康情况；所述显示输出模块，用于显示复合材料的三维模型和健康情况。

3.如权利要求1所述的一种复合材料在线健康监测系统，其特征是：所述双引线阵列式光纤光栅对传感器为双引线结构，每条光纤光栅都有两条引线相连，每个光栅单元都有两条光路。

4.如权利要求1所述的一种复合材料在线健康监测系统，其特征是：所述双引线阵列式光纤光栅对传感器中的每个光纤光栅对都包括两条双引线阵列式光纤光栅：一条温度光纤光栅和一条应变光纤光栅，温度光纤光栅用来测量温度，应变光纤光栅用来测量应变；温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅平行、相邻排列，双引线阵列式温度光纤光栅中的每个温度光栅单元与双引线阵列式应变光纤光栅的每个应变光栅单元一一对应，从而使温度光纤和相邻的应变光纤组成了一个双引线阵列式光纤光栅对。

5.如权利要求1所述的一种复合材料在线健康监测系统，其特征是：光源、光纤耦合器和双引线阵列式光纤光栅对传感器均通过光纤连接，光纤光栅解调仪和光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和处理器通过数据线连接，传输信号为数字信号。

6.一种复合材料在线健康监测的方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)选择光纤刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，引线分别从传感器两端引出，形成双引线光纤光栅串，并对光栅的温度系数标定；

(2)选择两条光纤光栅组建光纤光栅对，一条光纤光栅用于测量温度，标记为T，另一条光纤光栅测量应变，标记为S，标记T的光栅均外套套管，管口胶封；

(3)在复合材料固化成型前，在复合材料中根据需要按照一定的间距铺设m组光纤光栅对，并给光纤对编号，构成双引线阵列式光纤光栅对传感器；

(4)复合材料固化成型后，把每条光纤光栅传感器的两端引线分别连接光纤耦合器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，求解复合材料温度、应变和应力；

(5)建立复合材料的三维模型，输出复合材料的损伤分布，利用有限元分析计算复合材料剩余强度，判断复合材料是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤类型，输出损伤，计算复合材料剩余强度，进而评价复合材料健康程度。

7.如权利要求6所述的一种复合材料在线健康监测的方法，其特征是：所述步骤(1)中，双引线光纤光栅传感器采用细直径光纤，引线分别从光纤光栅两端引出，光纤刻有多个不同中心波长的光栅单元，光栅单元的中心波长从一侧到另一侧逐渐增加，光栅单元通常按照等长度、等间距来刻制。

8.如权利要求6所述的一种复合材料在线健康监测的方法，其特征是：所述步骤(3)中，光纤对的铺设方向与紧邻的复合材料纤维铺层角度保持相同，组成双矩阵光纤光栅传感器，温度光栅构成温度矩阵T[m×n]，应变光栅构成应变矩阵S[m×n]。

9.如权利要求6所述的一种复合材料在线健康监测的方法，其特征是：所述步骤(5)中，具体包括：

(5-1)利用CAD建模软件建立复合材料的三维几何模型，并导入CAE有限元分析软件，划分网格，建立有限元模型；

(5-2)根据空间位置对应关系，建立有限元模型中单元集团e_xkj和光栅单元xkj的对应关系：将光栅测量的温度、应变和应力映射到有限元模型中；

(5-3)处理器接收光纤光栅解调仪传输来的信号，并统计死亡光栅编号；

(5-4)将接收到的光栅xkj信号进行处理后和复合材料损伤数据库中相应的损伤数据模型对比，判断光栅单元位置的复合材料是否发生损伤、损伤类型和损伤程度，并用损伤因子d对该区域复合材料损伤程度标定，建立光栅单元和复合材料损伤程度之间的关系：xkj→d_(xkj)；

(5-5)通过损伤因子d_(xkj)，基于复合材料损伤刚度折减理论，建立损伤因子和复合材料基本性能参数之间的关系：d_(xkj)→P_(xkj)；

(5-6)结合步骤(5-2)、(5-4)、(5-5)，得到有限元模型中的光栅单元集团在健康监测过程中材料基本参数的变化关系：e_(xkj)→P_(xkj)；

(5-7)根据损伤因子和复合材料基本性能参数之间的关系，实时修改有限元模型的材料参数，计算服役过程中复合材料的剩余强度，通过云图输出，并进行显示；

(5-8)根据剩余强度变化，预估复合材料的安全性和使用寿命，及时发出警报，提高复合材料的使役安全性。

10.如权利要求6所述的一种复合材料在线健康监测的方法，其特征是：所述步骤(5)中，双引线光栅信号的处理具有选择性：光纤完好时，处理器接收的两引线信号相同，仅仅加工处理一端引线传输信号；如果光纤断裂，两端引线传输信号不同，处理器需要同时处理两端信号。