CN105158265A - 一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法，装置包括：双引线阵列式光纤光栅、光纤耦合器、光纤光栅解调仪和处理器，每条光纤光栅的两端均作为引线，通过耦合器连接解调仪，形成两个独立光信号通道，光纤遭受剧烈冲击断裂后，双引线光纤光栅可作为两个独立的单引线光纤光栅使用。光栅预埋在复合材料内部，通过中心波长偏移检测复合材料结构件的应变和应力，采用冲击损伤的计算机辅助检测软件处理数据，形成复合材料结构件冲击损伤程度的三维分布结果，并输出显示。本发明解决了冲击过程短暂难以捕捉、冲击损毁传感器、电磁场干扰等使复合材料冲击损伤难以在线检测的问题。

Description

一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法。

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，是航空航天理想结构材料，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。

在复合材料层合板的实际应用中，对其结构安全性威胁最大的是外力冲击产生的损伤，尤其是面外横向冲击，复合材料的层间区域力学性能相对较弱，对外力的抵抗能力偏低，极易导致分层损伤，进而降低结构的整体刚度和强度，使复合材料在减重方面的优势得不到体现。根据有关统计，复合材料分层损伤大约占其各种损伤破坏的60％。复合材料遭受冲击后，会产生三种损伤情况：轻微不可视损伤、可视损伤和严重损伤。冲击或静压造成的轻微损伤产生于复合材料内部，很难目视检测，容易引发裂纹扩展和损伤积累，引起分层损伤，这对复合材料安全性构成严重威胁，尤其在航空航天设备中。

飞机结构中大量应用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，在飞行过程中，飞石冲击、飞鸟撞击、冰雹袭击等冲击过程都会对复合材料产生一定的损伤，尤其那些轻微损伤，材料表面虽然完整无损，但是在结构件内部裂纹开始扩展，损伤已经积累，给飞行留下严重安全隐患。另一方面，在服役过程中由于材料老化、疲劳、静压、机械振动等原因也会引发飞机复合材料结构件微裂纹的产生和扩展，进而损伤积累，导致安全事故。如何在线监测飞机复合材料结构件遭受冲击、疲劳、静压、振动等过程及其导致的损伤程度，以决定是否立即返航维修，这对飞机安全性和运营成本来说意义重大，备受航空部门关注。在线检测复合材料冲击损伤位置、损伤面积、损伤深度，以及评估复合材料结构件遭受冲击损伤后的剩余强度，对飞机飞行安全具有极其重要的实用价值。

复合材料损伤破坏多是从内部微小损伤发展而来的，复合材料的在线损伤检测比较困难，对检测传感器有着特殊的要求：首先传感器可以检测复合材料内部损伤；其次传感器对复合材料结构件强度和刚度几乎不产生影响；最后要求传感器能够抵御恶劣的环境变化，保证长期工作并且不易被损坏。现有复合材料损伤检测多是基于采用超声、射线、红外线等信号的离线被动检测，不是主动的在线实时检测。采用应变片可以进行在线检测，但是应变片只能检测复合材料表面损伤，无法检测内部微裂纹；金属应变片及其导线附载于复合材料结构件表面，若数量多，则质量较大，并且成本较高。而且，传统的传感器(应变片、钢弦计)寿命短，测试容易受环境条件影响，不便于分布测量，并且长期测量容易失真。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种复合材料冲击损伤在线检测装置和检测方法，本装置利用双引线阵列式光纤光栅为传感器，实时监测复合材料结构件遭受冲击过程的结构应变，有效的解决了冲击过程短暂难以捕捉、冲击损毁传感器、电磁场干扰等使复合材料冲击损伤难以在线检测的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种复合材料冲击损伤在线检测装置，包括双引线阵列式光纤光栅、两个光纤耦合器、光纤光栅解调仪和处理器，其中：光源产生激光信号，激光信号经过传导光纤分为两路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光纤光栅的一端引线，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；双引线阵列式光纤光栅的所有光纤光栅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，反射激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，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器根据信号分析复合材料形成的损伤类型、损伤程度及分布情况。

所述光源为内置于光纤光栅解调仪的激光器，激光器产生连续调频激光，通过引线进入Bragg光栅，形成稳定的反射信号。

所述双引线阵列式光纤光栅，优选包层直径小于45微米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。

所述双引线阵列式光纤光栅的每条光纤上刻制1-20个不同中心波长的光栅单元，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传感器阵列。

所述双引线阵列式光纤光栅为双引线结构，即每个光栅都有两条引线相连，每个光栅都有两条光路，即使在复合材料遭遇冲击过程中光纤损毁断裂，只要光栅还有一条引线与外部检测系统连接，就可以保持光栅通路，保证光纤光栅的存活和检测信号的传递。双引线光栅的另一个好处是，不同引线上的检测信号可以相互校验，保证检测效果的有效性。

所述双引线阵列式光纤光栅能检测复合材料遭受冲击过程的应变和应力变化。通过光栅的中心波长变化，换算出复合材料的应变，通过应变和复合材料模量参数得到复合材料的应力变化。

所述第一光纤耦合器和第二光纤耦合器为光纤光栅的激光信号耦合器，具有优良的波长选择能力和多端口的特性，为结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。

所述光纤光栅解调仪把光纤光栅返回的光信号解调为数字信号，得到光栅单元的中心波长变化，供处理器分析处理。

所述光纤光栅解调仪为中高速光纤光栅波长解调仪，具有中高速且多通道并行的解调方案，能够快速在线解调冲击瞬间的光栅信号，对鸟撞、飞石、冰雹等低速和高速冲击类型都能有效捕捉，同时又能解调检测复合材料结构件由静压和疲劳引起的光栅信号变化。

所述处理器配有冲击损伤检测模块，包括几何建模模块、光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库和冲击损伤反演图形界面，所述几何建模模块，用于对复合材料结构件建模，在复合材料几何模型中准确标出光栅单元的位置；所述信号解析模块，用于分析光纤光栅解调仪传输过来的光栅数字信号，运算处理得到复合材料应变和应力变化，然后和复合材料损伤数据库对比，以判定损伤类型和损伤程度；所述冲击损伤反演图形界面，用于反演出复合材料冲击损伤三维分布情况并输出。

基于上述检测装置的复合材料冲击损伤在线检测的方法，包括以下步骤：

(1)采用双引线分别从阵列式光纤光栅两端引出，每根光纤刻有多个光栅单元，分别标记为1、2、3、···、n；

(2)在复合材料固化成型前，在复合材料结构件中根据需要按照设定的间距铺设m条刻有光栅单元的光纤，光纤标号为1、2、3、···、m，每条光纤上有n个光栅单元，构成阵列式光纤光栅传感器；

(3)将复合材料结构件固化成型，光纤被埋于复合材料结构件内部，通过双引线连接第一光纤耦合器、第二光纤耦合器的各个对应端口，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器连接光纤光栅解调仪；

(4)使连续的激光信号进入耦合器后，分别通过两端引线进入阵列式光纤光栅传感器区，经反射后的信号返回第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，经第一光纤耦合器、第二光纤耦合器再次返回光纤光栅解调仪，光信号被解调成数字信号进入处理器；

(5)处理器的几何建模模块，对复合材料结构件建模，在复合材料几何模型中准确标出光栅单元的位置，信号解析模块分析光纤光栅解调仪传输过来的光栅数字信号，运算处理得到复合材料应变和应力变化，将其和复合材料损伤数据库对比，以判定损伤类型和损伤程度，利用冲击损伤反演图形界面反演出复合材料冲击损伤三维分布情况并显示。

所述步骤(1)中，阵列式光纤光栅从一端到另一端引线的光栅单元依次标记为1至n，且中心波长依次增加。

所述步骤(2)中，在复合材料固化成型前，将光纤光栅传感器铺在复合材料结构件内部，为了保证光纤光栅传感器的性能稳定和存活率，光纤的铺设方向与紧邻的复合材料纤维铺层角度相同。

所述步骤(5)中，对光栅两引线的光栅信号的处理具有选择性，鸟撞、飞石、冰雹等冲击由于速度和能量不同，对复合材料产生的冲击损伤也不同，能量较低时，复合材料结构完好，光栅完好，光纤两端引线采集到的光栅传感器单元信号相同，可采用任意一端信号检测。冲击能量较高时，复合材料损伤严重导致光纤断裂，这种情况下一个双引线光纤变成两个单引线光纤，保证光纤光栅传感器遭受冲击损伤后，即便光纤断裂依然可以进行检测并传递信号，此时两引线两端信号均要由处理器处理。

所述步骤(5)的具体分析方法为：阵列式光纤光栅传感器通过测量光栅中心波长的漂移实现对被测量的检测，表示光栅中心波长及其随应力与温度的漂移，根据其推导出应力和温度响应条件，忽略考虑温度对冲击损伤的影响，表示复合材料应变和复合材料应力。

所述步骤(5)的具体分析方法为：阵列式光纤光栅传感器通过测量光栅中心波长的漂移实现对被测量的检测，光栅中心波长λ_B表示为：

λ_B＝2nΛ

其中，λ_B为光栅的中心波长；Λ为光栅周期；n为光栅折射率；

λ_B随应力与温度的漂移为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B=2n\mathrm{\Λ}\left\{\right\{1-\left(\frac{n^2}{2}\right)\[P_{12}-v(P_{11}+P_{12})\]\}\mathrm{\ϵ}+\[\mathrm{\α}+\frac{1}{n}\frac{dn}{dT}\]\mathrm{\Δ}T\}$

其中，Δλ_B为光纤光栅中心波长变化量；ε为外加应变；P_i,j为光纤的光弹张量系数；v为光纤材料的泊松比；α为光纤材料的热膨胀系数；ΔT为温度变化量；

结合上面两公式推导出应力和温度响应条件，如下式：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B\mathrm{\ϵ}}+{\mathrm{\Δ\λ}}_{BT}}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}+K_T\mathrm{\Δ}T$

式中，K_T为光纤光栅中心波长漂移的温度灵敏系数；K_ε为光纤光栅中心波长漂移的应变灵敏系数；

冲击过程复合材料温度变化不大，不用考虑温度对冲击损伤的影响，复合材料应变：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B{K}_{\mathrm{\ϵ}}}$

复合材料应力由模量和应变乘积得到：

σ＝Eε。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了一种复合材料冲击损伤在线检测装置，解决了冲击过程短暂难以捕捉、冲击损毁传感器、电磁场干扰等使复合材料冲击损伤难以在线检测的问题；

(2)本发明采用双引线光纤光栅传感器，对复合材料结构件强度和刚度基本不产生影响，同时可以检测复合材料内部损伤。遭受剧烈冲击损伤后，双引线光纤光栅传感器可以变成两个独立的单引线光纤光栅传感器，在复合材料结构件遭受损伤后，存活的光纤光栅传感器依然可以正常工作；

(3)本发明提供了复合材料冲击损伤在线检测和信号处理的方法，通过建立复合材料结构件的几何模型，利用光栅检测信号，通过数据库比对，确定复合材料在光栅单元区的冲击损伤类型和损伤程度，然后映射到复合材料结构件的三维模型上，能够直观立体显示复合材料结构件的损伤程度分布；

(4)本发明除了可以进行冲击损伤在线检测以外，还可以用于复合材料准静压、疲劳、振动等损伤的在线检测。

附图说明

图1为双引线光纤光栅遭受冲击后变成两个独立的单引线光纤光栅示意图；

图2为复合材料结构件冲击损伤的光纤光栅在线检测装置示意图；

图3为复合材料结构件在遭受冲击过程时光栅测量的应变-时间关系曲线。

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。

一种复合材料冲击损伤在线检测装置，其原理是利用双引线阵列式光纤光栅为传感器，实时监测复合材料结构件遭受冲击过程的结构应变，通过冲击损伤的计算机辅助检测软件处理Bragg光栅信号，判断冲击损伤类型和损伤的位置，并计算冲击损伤的程度。

选用双引线光纤光栅作为传感器的优势主要是：光纤光栅采用双引线结构，遭受冲击断裂后，1条双引线光纤光栅传感器可以变成2条单引线光纤光栅传感器，依然可以发挥传感器作用。光纤光栅直径仅相当于碳纤维直径的数倍，埋入纤维复合材料内部几乎对复合材料性能不产生影响。光纤光栅采用光信号为检测信号源，信号稳定，不易受外界电磁干扰。

本装置具体结构主要包括：双引线阵列式光纤光栅、光纤耦合器、光纤光栅解调仪(内置激光器)、计算机等。

光纤光栅解调仪内置激光器产生激光信号，分A、B两路径经过传导光纤进入光纤耦合器A和光纤耦合器B。光纤耦合器A连接双引线光纤光栅的A端引线；光纤耦合器B连接双引线光纤光栅的B端引线，形成两个兼具激光入射和反射的端口。光纤光栅预埋在复合材料内部，激光信号与光栅相互作用后，反射激光分别通过A、B引线再次进入光纤耦合器A、B，出耦合器的光信号进入光纤光栅解调仪，完成信号解调，光信号解调成计算机可以识别的数字信号，经过冲击损伤的计算机辅助检测软件的加工处理，在计算机中形成损伤类型、损伤程度及其分布的结果，并输出显示。

连续光纤光栅解调仪内置激光器可以产生连续调频激光，激光信号通过引线进入Bragg光栅，形成稳定的反射信号。

双引线阵列式光纤光栅，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。

每条光纤上刻制1-20个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传感器阵列。

双引线阵列式光纤光栅为双引线结构，即每个光栅都有两条引线相连，每个光栅都有两条光路，即使在复合材料遭遇冲击过程中光纤损毁断裂，只要光栅还有一条引线与外部检测系统连接，就可以保持光栅通路，保证光纤光栅的存活和检测信号的传递。双引线光栅的另一个好处是，不同引线上的检测信号可以相互校验，保证检测效果的有效性。

双引线阵列式光纤光栅能检测复合材料结构件遭受冲击过程的应变和应力变化。通过光栅的中心波长变化，可以直接换算出复合材料的应变，通过应变和复合材料模量参数可以得出复合材料的应力变化。

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

光纤光栅解调仪把光纤光栅返回的光信号解调为数字信号，得到光栅单元的中心波长变化，供计算机分析处理。

光纤光栅解调仪为中高速光纤光栅波长解调仪，具有中高速且多通道并行的解调方案，能够快速在线解调冲击瞬间的光栅信号，对鸟撞、飞石、冰雹等低速和高速冲击类型都能有效捕捉，同时又能解调检测复合材料结构件由于静压和疲劳引起的光栅信号变化。

计算机配有冲击损伤检测软件，软件包括几何建模模块、光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库和冲击损伤反演图形界面。通过软件的几何建模模块对复合材料结构件建模，在复合材料几何模型中准确标出光栅单元的位置；信号解析模块分析解调仪传输过来的光栅数字信号，加工处理得到复合材料应变和应力变化，然后和复合材料损伤数据库对比，用来判定损伤类型和损伤程度。通过图形界面反演出复合材料冲击损伤三维分布情况，在图形界面输出。

为实现上述目的，本发明提供该装置进行纤维复合材料冲击损伤在线检测的方法，步骤如下：

(1)选择包层直径35-45微米甚至更细径的光纤光栅传感器，采用双引线分别从A、B两端引出，每根光纤刻有多个光栅单元，并标记为1、2、3、···、n。

(2)在复合材料固化成型前，在结构件中根据需要按照一定的间距铺设m条刻有光栅传感器的光纤，光纤标号为1、2、3、···、m，每条光纤上有n个传感器单元(光栅单元)，构成阵列式([m×n]矩阵)光纤光栅传感器。

(3)用塑料带包裹保护光纤光栅引线，按照工艺，把复合材料结构件固化成型，光纤被埋于复合材料结构件内部。

(4)复合材料结构件固化成型后，把每条光纤光栅传感器的A端引线连接光纤耦合器A前端的各个对应端口，把光纤光栅传感器的B端引线连接光纤耦合器B前端的各个对应端口，耦合器后端端口通过光纤接入光纤光栅解调仪，光栅解调仪通过数据线连接计算机。

(5)打开光纤光栅解调仪，内置激光器产生连续激光信号，激光信号进入耦合器后，分别通过A、B端引线进入光栅区，经光栅反射后的信号返回耦合器，经耦合器再次返回解调仪，光信号被解调成数字信号进入计算机处理。

(6)冲击损伤的计算机辅助检测软件分析处理解调仪信号，得到冲击损伤分布，界面输出显示。

步骤1中光栅单元从A端引线到B端引线依次标记1至n，且中心波长依次增加，例如增量为4nm。

步骤2在复合材料固化成型前，将光纤光栅传感器铺在复合材料结构件内部，为了保证光纤光栅传感器的性能稳定和存活率，光纤的铺设方向尽量与紧邻的复合材料纤维铺层角度相同。

步骤4中，光栅解调仪通过数据线连接计算机，计算机配有冲击损伤检测软件。该软件包括几何建模模块、光纤光栅信号解析模块、复合材料冲击损伤数据库和冲击损伤反演图形界面等几大模块。

步骤6中，对光栅两引线的光栅信号的处理具有选择性，鸟撞、飞石、冰雹等冲击由于速度和能量不同，对复合材料产生的冲击损伤也不同，能量较低时，复合材料结构完好，光栅完好，光纤A端和B端引线采集到的光栅传感器单元信号相同，可采用A、B任意一端信号检测。冲击能量较高时，复合材料损伤严重导致光纤断裂，这种情况下一个双引线光纤变成两个单引线光纤，保证光纤光栅传感器遭受冲击损伤后，即便光纤断裂依然可以进行检测并传递信号，此时A、B引线两端信号均要由计算机处理。

步骤6中冲击损伤检测软件检测材料结构损伤过程如下：

通过几何建模模块建立复合材料结构件的三维几何模型，把光栅单元编号通过坐标关系标注在复合材料结构件的三维模型上；光栅信号解析模块解析光纤光栅解调仪传输过来的数字信号，得到复合材料应变和应力变化，调用复合材料冲击损伤数据库，识别损伤类型和判断损伤程度；获取光栅单元编号所在复合材料局部区域的损伤类型和程度，把损伤类型和程度通过光栅位置数据反演到几何模型上，得到复合材料冲击损伤的动态立体分布图，通过计算机显示输出。

所述步骤6中计算机处理解调仪传输过来的数字信号进而求解复合材料应变和应力的原理如下：

光纤光栅传感器通过测量光栅中心波长的漂移实现对被测量的检测，光栅中心波长λ_B可表示为：

λ_B＝2nΛ

其中，λ_B为光栅的中心波长；Λ为光栅周期；n为光栅折射率。

λ_B随应力与温度的漂移为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_B=2n\mathrm{\Λ}\left\{\right\{1-\left(\frac{n^2}{2}\right)\[P_{12}-v(P_{11}+P_{12})\]\}\mathrm{\ϵ}+\[\mathrm{\α}+\frac{1}{n}\frac{dn}{dT}\]\mathrm{\Δ}T\}$

其中，Δλ_B为光纤光栅中心波长变化量；ε为外加应变；P_i,j为光纤的光弹张量系数；v为光栅材料的泊松比；α为光纤材料的热膨胀系数；ΔT为温度变化量。

结合上面两公式可以推导出应力和温度响应条件，如下式：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_{B\mathrm{\ϵ}}+{\mathrm{\Δ\λ}}_{BT}}{{\mathrm{\λ}}_B}=K_{\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ϵ}+K_T\mathrm{\Δ}T$

式中，K_T为光纤光栅中心波长漂移的温度灵敏系数；K_ε为光纤光栅中心波长漂移的应变灵敏系数。

冲击过程复合材料温度变化不大，一般不用考虑温度对冲击损伤的影响，解调仪具有一定的温度补偿功能，可以消除温度的影响，所以复合材料应变：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B{K}_{\mathrm{\ϵ}}}$

复合材料应力可由材料模量和应变乘积得到：

σ＝Eε。

实施案例1：

一种360mm×360mm，[45/0/-45/90]_4S碳纤维复合材料平板结构件冲击损伤检测装置和方法。

光纤光栅传感器采用双引线结构，遭受冲击损伤断裂后，1个双引线光纤光栅传感器可以变成2个单引线的光纤光栅传感器(如图1)，光栅传感器也可以正常工作，保证在线检测冲击过程的可持续性。

选用双引线阵列式光纤Bragg光栅。

整体装置包括(如图2)：双引线阵列式光纤Bragg光栅、光纤耦合器、光纤光栅数字解调仪(内置激光器)、计算机等。

根据结构件尺寸，在9条包层直径40μm的光纤上刻制光栅，光纤标号1-9。每条光纤上刻制9个不同中心波长的光栅单元，光栅单元标号1-9，每个光栅单元总长度为40mm，其中光栅蚀刻区长度10mm、栅区间隔为30mm，从A端到B端光栅中心波长逐渐增加，每个光栅中心波长的增量是4nm。

按照[45/0/-45/90]_4S铺层方式在平板模具上铺置360mm×360mm碳纤维预浸布，在铺完板材第16铺层(90°铺层)之后、在铺第17铺层(90°铺层)之前，把9条刻制了光栅的光纤按照90°方向等间距(40mm)平行放置在预浸料上，第1号光纤和9号光纤距结构件边距均为20mm，为防止光纤弯曲，在光纤两端引线A、B施加适当的张力，然后铺上第17-32层碳纤维预浸布。

光纤两端引线A、B包裹保护层，将复合材料预成型体和模具移入成型设备中，按照制定好的工艺固化成型，9条光纤光栅组成[9×9]阵列式传感器。

把固化后的层合板脱模并安装到人工冲击损伤测试平台上，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RJ-45双绞线连接电脑，电脑中有检测软件，可以处理光纤光栅数据，并三维建模，输出显示损伤分布。

对该结构件进行一次低速冲击实验，落锤质量5.36kg，冲头表面半球16mm，冲击能量6.67J，光栅检测到复合材料应变结果如图3。可以看出，本装置能够对复合材料结构件强度和刚度基本不产生影响，同时可以检测复合材料内部损伤。

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)

1.一种复合材料冲击损伤在线检测装置，其特征是：包括双引线阵列式光纤光栅、两个光纤耦合器、光纤光栅解调仪和处理器，其中：光源产生激光信号，激光信号经过传导光纤分为两路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光纤光栅的一端引线，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；双引线阵列式光纤光栅的所有光纤光栅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，反射激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，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器根据信号分析复合材料形成的损伤类型、损伤程度及分布情况。

2.如权利要求1所述的一种复合材料冲击损伤在线检测装置，其特征是：所述光源为内置于光纤光栅解调仪的激光器，激光器产生连续调频激光，通过引线进入双引线阵列式光纤光栅，形成稳定的反射信号。

3.如权利要求1所述的一种复合材料冲击损伤在线检测装置，其特征是：所述双引线阵列式光纤光栅为双引线结构，每个光栅单元都有两条引线相连，两个引线均能够作为光栅单元的信号通道，每个光栅只要有一个信号通道就能用于信号检测。

4.如权利要求1所述的一种复合材料冲击损伤在线检测装置，其特征是：所述双引线阵列式光纤光栅的每条光纤上刻制1-20个不同中心波长的光栅单元，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构成光纤光栅传感器阵列。

5.如权利要求1所述的一种复合材料冲击损伤在线检测装置，其特征是：所述处理器配有冲击损伤检测模块，包括几何建模模块、光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库和冲击损伤反演图形界面，所述几何建模模块，用于对复合材料结构件建模，在复合材料几何模型中准确标出光栅单元的位置；所述信号解析模块，用于分析光纤光栅解调仪传输过来的光栅数字信号，运算处理得到复合材料应变和应力变化，然后和复合材料损伤数据库对比，以判定损伤类型和损伤程度；所述冲击损伤反演图形界面，用于反演出复合材料冲击损伤三维分布情况并输出。

6.如权利要求1所述的一种复合材料冲击损伤在线检测装置，其特征是：所述双引线阵列式光纤光栅能检测复合材料遭受冲击过程的应变和应力变化，通过光栅的中心波长变化，换算出复合材料的应变，通过应变和复合材料模量参数得到复合材料的应力变化。

7.基于如权利要求1-6中任一项所述的检测装置的复合材料冲击损伤在线检测的方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)采用双引线分别从阵列式光纤光栅两端引出，每根光纤刻有多个光栅单元，分别标记为1、2、3、···、n；

(2)在复合材料固化成型前，在复合材料结构件中根据需要按照设定的间距铺设m条刻有光栅单元的光纤，光纤标号为1、2、3、···、m，每条光纤上有n个光栅单元，构成阵列式光纤光栅传感器；

(3)将复合材料结构件固化成型，光纤被埋于复合材料结构件内部，通过双引线连接第一光纤耦合器、第二光纤耦合器的各个对应端口，第一光纤耦合器、第二光纤耦合器连接光纤光栅解调仪；

(4)使连续的激光信号进入耦合器后，分别通过两端引线进入阵列式光纤光栅传感器区，经反射后的信号返回第一光纤耦合器、第二光纤耦合器，经第一光纤耦合器、第二光纤耦合器再次返回光纤光栅解调仪，光信号被解调成数字信号进入处理器；

(5)处理器的几何建模模块，对复合材料结构件建模，在复合材料几何模型中准确标出光栅单元的位置，信号解析模块分析光纤光栅解调仪传输过来的光栅数字信号，运算处理得到复合材料应变和应力变化，将其和复合材料损伤数据库对比，以判定损伤类型和损伤程度，利用冲击损伤反演图形界面反演出复合材料冲击损伤三维分布情况并显示。

8.如权利要求7所述的复合材料冲击损伤在线检测的方法，其特征是：所述步骤(1)中，阵列式光纤光栅从一端到另一端引线的光栅单元依次标记为1至n，且中心波长依次增加。

9.如权利要求7所述的复合材料冲击损伤在线检测的方法，其特征是：所述步骤(2)中，在复合材料固化成型前，将光纤光栅传感器铺在复合材料结构件内部，且光纤的铺设方向与紧邻的复合材料纤维铺层角度相同。

10.如权利要求7所述的复合材料冲击损伤在线检测的方法，其特征是：所述步骤(5)中，冲击能量使复合材料损伤严重导致光纤断裂，这种情况下一个双引线光纤变成两个单引线光纤，保证光纤光栅传感器遭受冲击损伤后，即便光纤断裂依然进行检测并传递信号。