CN107991241A - 一种复合材料层间失效模式的检验装置及判断方法 - Google Patents
一种复合材料层间失效模式的检验装置及判断方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种复合材料层间失效模式的检验装置及判断方法，该装置包括：宽带光源，用于产生具有一定光谱带宽的光信号。光纤耦合器，用于光信号耦合及分束，所述光纤耦合器的输入端与宽带光源连接。保偏光纤光栅传感器，植入复合材料层间且用于检测复合材料层间应力的方向和大小，与所述的光纤耦合器进行信号双向传输。光电探测器，用于将光信号转换为电信号，光电探测器的输入端与所述的光纤耦合器的一输出端连接。信号处理模块，实现数据处理和显示，其输入端与所述的光电探测器的输出端连接。本发明的优点在于：可以实现复合材料层间失效模式的在线实时检测，具有效率高、结构简单等优点。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料层间失效模式的检测的领域，具体涉及一种复合材料层间失效模式的检验装置及判断方法。
背景技术
复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质按不同方式组合而成的一种多相材料，由于纤维增强复合材料具有比强度高、比刚度大、拉伸时断裂应变小、抗疲劳性能好等优点，现已广泛应用于航空航天、船舶、汽车等领域。复合材料服役期间不可避免地受到拉伸、压缩、弯曲、冲击等载荷作用或温度作用，导致复合材料层间开裂，其主要存在三种失效模式：张开型、滑开型、撕裂型。
若不能及时发现复合材料内部损伤，日积月累可形成巨大的安全隐患，甚至造成重大安全事故。
目前国内外报道复合材料层间失效模式检测大都采用定期人工检测的方式，人工成本高，难以实现复合材料的在线服役检测。本发明结构简单，可以方便测出复合材料层间压力的大小和方向，适用于复合材料层间失效模式的检测，特别是复合材料滑开型和张开型层间开裂模式的检测。
发明内容
本发明的目的为克服上述现有技术的不足，提供一种复合材料层间失效模式的检验装置及判断方法，可以实现复合材料层间失效模式的在线实时检测。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种复合材料层间失效模式的检验装置，包括：
宽带光源，用于产生具有一定光谱带宽的光信号；
光纤耦合器，用于光信号耦合及分束，所述光纤耦合器的输入端与宽带光源连接；
保偏光纤光栅传感器，植入复合材料层间且用于检测复合材料层间应力的方向和大小，与所述的光纤耦合器进行信号双向传输；
光电探测器，用于将光信号转换为电信号，光电探测器的输入端与所述的光纤耦合器的一输出端连接；
信号处理模块，用于数据处理和显示，其输入端与所述的光电探测器的输出端连接。
优化的，若干保偏光纤光栅传感器依次串联连接构成一个保偏光纤光栅传感器子组，多个保偏光纤光栅传感器子组串联连接构成保偏光纤光栅传感器组，多个保偏光纤光栅传感器组分别设置在复合材料的相异层间，每组保偏光纤光栅传感器组中的多个保偏光纤光栅传感器子组设置在复合材料的同一层间；
检测装置还包括光开关，光开关设置在光纤耦合器与保偏光纤光栅传感器之间，光开关设置有分别与不同层间的保偏光纤光栅传感器组连接的多个端口。
优化的，所述保偏光纤光栅传感器组包括多个中心谐振波长相异的保偏光纤光栅传感器，所述保偏光纤光栅传感器子组内保偏光纤光栅传感器的快轴方向与复合材料层间方向的夹角相异。
优化的，所述保偏光纤光栅传感器在保偏光纤上刻写而成，其为布拉格光纤光栅。
优化的，刻写所采用的保偏光纤为熊猫型保偏光纤、椭圆型保偏光纤、领结型保偏光纤中任意一种。
优化的，所述保偏光纤光栅传感器子组包括快轴平行于复合材料层间的保偏光纤光栅传感器、快轴垂直于复合材料层间的保偏光纤光栅传感器、快轴与复合材料层间成45°角的保偏光纤光栅传感器。
优化的，相异层间的保偏光纤光栅传感器组相同。
优化的，所述光开关为1×n光开关,n与保偏光纤光栅传感器组埋设复合材料层数相同。
优化的，所述宽带光源为SLD光源或ASE光源。
一种使用上述的复合材料层间失效模式检验装置的判断方法，包括以下步骤：
S1、设定保偏光纤光栅传感器的快轴方向为x方向，慢轴方向为y方向，快轴方向和慢轴方向的波长改变满足公式，
ΔλB,x、ΔλB,y分别为保偏光纤光栅传感器的快轴、保偏光纤光栅传感器的慢轴方向波长改变量，λB0为保偏光纤光栅传感器未受复合材料层间应力作用时谐振波长，εx、εy、εz为保偏光纤光栅传感器受复合材料层间应力作用时x、y、z方向应变量，P11、P12为应变光学系数；
S2、将公式(1)和公式(2)相减得
S3、通过比较ΔλB,x-ΔλB,y与0的关系判断复合材料层间失效模式。
本发明的有益效果在于：
1.本发明使用保偏光纤光栅传感器，由于其具有固有的坐标系，当其受外力作用时，不仅可以测出此力的大小，而且可以测出此力相对保偏光纤偏振主轴的方向，此外采用保偏光纤光栅传感器可以实现复合材料整体的分布式测量，这一特性使其在光纤传感某些领域比普通光纤更有优势，根据保偏光纤光栅传感器的特性结合该检验装置，可以实现复合材料层间失效模式的在线实时检测，具有效率高、结构简单等优点。
2.本发明中将保偏光纤光栅传感器组设置在不同层间，可以根据待检测复合材料的层数来确定。
3.保偏光纤光栅传感器不同中心谐振波长和不同夹角的设置，可以检测复合材料不同的开裂模式。
4.不同层间的保偏光纤光栅传感器组相同，可以减少处理的数据量。
附图说明
图1为本发明复合材料层间失效模式检测系统装置示意图。
图2为保偏光纤光栅传感器子组埋设于复合材料层间的示意图。
图3为保偏光纤光栅传感器快轴平行于复合材料层间植入复合材料层间示意图。
图4为保偏光纤光栅传感器快轴垂直于复合材料层间植入复合材料层间示意图。
图5为保偏光纤光栅传感器快轴与复合材料层间成45°角植入复合材料层间示意图。
图中附图标记含义为：
101-宽带光源 102-光纤耦合器 103-光电探测器
104-信号处理模块 105-光开关 106-保偏光纤光栅传感器子组
107-复合材料 108-碳纤维层 109-树脂层
1061-快轴平行于复合材料层间的保偏光纤光栅传感器
1062-快轴垂直于复合材料层间的保偏光纤光栅传感器
1063-快轴与复合材料层间成45°角的保偏光纤光栅传感器
具体实施方式
如图1-2所示，一种复合材料层间失效模式的检验装置，包括
宽带光源101，用于产生具有一定光谱带宽的光信号；
光纤耦合器102，用于光信号耦合及分束，所述光纤耦合器102的输入端与宽带光源101连接；
光开关105，用于光信号切换，光开关105设置在光纤耦合器102与保偏光纤光栅传感器之间，光开关105包括多个端口分别与不同层间的保偏光纤光栅传感器组连接。
保偏光纤光栅传感器，植入复合材料107层间的且用于检测复合材料107层间应力的方向和大小，与所述的光纤耦合器102进行信号双向传输；
光电探测器103，用于将光信号转换为电信号，光电探测器103带尾纤，光电探测器103的输入端与所述的光纤耦合器102的一输出端连接；
信号处理模块104，用于数据处理和显示，其输入端与所述的光电探测器103的输出端连接。
上述宽带光源101、光纤耦合器102、光开关105、保偏光纤光栅传感器以及光电探测器103连接时通过用光纤熔接机熔接。
保偏光纤光栅传感器在保偏光纤上刻写而成，其为短周期布拉格光纤光栅。刻写所采用的保偏光纤为熊猫型保偏光纤、椭圆型保偏光纤、领结型保偏光纤中任意一种。在该实施例中为熊猫型保偏光纤。
若干保偏光纤光栅传感器依次串联连接构成一个保偏光纤光栅传感器子组106，多个保偏光纤光栅传感器子组106串联连接构成保偏光纤光栅传感器组，多个保偏光纤光栅传感器组分别设置在复合材料107的相异层间，每个保偏光纤光栅传感器组中的多个保偏光纤光栅传感器子组106设置在同一层间；保偏光纤光栅传感器组包括多个中心谐振波长相异的保偏光纤光栅传感器，保偏光纤光栅传感器子组106内保偏光纤光栅传感器的快轴方向与复合材料107层间方向的夹角相异。不同层间的保偏光纤光栅传感器组相同，也可以不同。
宽带光源101为宽带光源101为SLD光源或ASE光源中的一种，宽带光源101的光谱范围可根据保偏光纤光栅传感器的谐振波长来选择，要求宽带光源101的光谱范围能够覆盖保偏光纤光栅传感器的两个谐振波长；且当温度在一定范围变化时，宽带光源101的光谱范围覆盖所有保偏光纤光栅传感器的谐振波长。
举例来说，假如复合材料107需要待检测的层数为3层，每层有3个检测点，则在每一检测点处埋设一组保偏光纤光栅传感器子组106，每一层的3组保偏光纤光栅传感器子组106组成保偏光纤光栅传感器组，设置3组相同的保偏光纤光栅传感器组分别埋设于复合材料107的3层待检测层内，3组相同的保偏光纤光栅传感器组分别与1×3光开关105相应的端口相连。其中保偏光纤光栅传感器组包括9个中心谐振波长不同的保偏光纤光栅传感器，每一保偏光纤光栅传感器子组106都是由三个分别为快轴平行于复合材料107层间的保偏光纤光栅传感器1061、快轴垂直于复合材料107层间的保偏光纤光栅传感器1062、快轴与复合材料107层间成45°角的保偏光纤光栅传感器1063串联组成，三组保偏光纤光栅传感器子组106组成阵列且串联设置。
下面结合附图详细描述本发明具体实施方式，以熊猫型保偏光纤光栅传感器和1×3光开关为例，待实验的复合材料107由碳纤维层109和树脂层108组成。
本发明基于保偏光纤光栅的复合材料107层间失效模式检测装置的判断方法如下：1×3光开关实现不同层间复合材料107失效模式的检测，以第一层为例，1×3光开关将宽带光源101的光信号馈给第一层的保偏光纤光栅传感器组，保偏光纤光栅传感器组包括3组保偏光纤光栅传感器子组106，每一保偏光纤光栅传感器子组106由快轴平行于复合材料107层间的保偏光纤光栅传感器1061、快轴垂直于复合材料107层间的保偏光纤光栅传感器1062、快轴与复合材料107层间成45°角的保偏光纤光栅传感器1063串联而成，当复合材料107不同层间、不同位置发生层间失效模式时，复合材料107该点层间应力方向不同，对于滑开型失效模式，复合材料107该点层间应力方向平行于复合材料107层间，对于张开型层间失效模式，复合材料107该点层间应力方向垂直于复合材料107层间方向。对于保偏光纤光栅传感器，当受横向应力作用时，其快轴、慢轴方向应变不同，其谐振波长发生偏移量不同，在此假设x方向是保偏光纤光栅传感器快轴方向，y方向是保偏光纤光栅传感器的慢轴方向，两个方向波长改变满足下式：
ΔλB,x、ΔλB,y分别为保偏光纤光栅传感器的快轴、保偏光纤光栅传感器的慢轴方向波长改变量，λB0为保偏光纤光栅传感器未受复合材料107层间应力作用时谐振波长，εx、εy、εz为保偏光纤光栅传感器受复合材料107层间应力作用时x、y、z方向应变量，P11、P12为应变光学系数(假定P11＞P12)。
上式两者相减得
通过比较ΔλB,x-ΔλB,y与0的关系判断复合材料层间失效模式。如图3所示，保偏光纤光栅传感器为快轴平行于复合材料层间的保偏光纤光栅传感器1061，若εx＞εy，(ΔλB,x-ΔλB,y)＞0，则复合材料107该点层间发生滑开型失效模式；若εx＜εy，(ΔλB,x-ΔλB,y)＜0，则复合材料107该点层间发生张开型失效模式；如图4所示，保偏光纤光栅传感器为快轴垂直于复合材料层间的保偏光纤光栅传感器1062，若εx＜εy，(ΔλB,x-ΔλB,y)＜0，则复合材料107该点层间发生滑开型失效模式；若εx＞εy，(ΔλB,x-ΔλB,y)＞0，则复合材料107该点层间发生张开型失效模式；如图5所示，保偏光纤光栅传感器为快轴与复合材料层间成45°角的保偏光纤光栅传感器1063，若εx、εy相差较小或εx＝εy，则复合材料107该点层间发生滑开型失效模式或张开型失效模式。因此通过布置不同的保偏光纤光栅传感器，检测复合材料107层间应力大小和方向，进而判断复合材料107层间失效模式。
进一步的，当要检测第二层复合材料107层间失效模式时，光开关105将宽带光源101光信号切换到第二层里的保偏光纤光栅传感器组上。同理第三层。
本发明的创新之处在于：采用保偏光纤光栅传感器对复合材料107层间失效模式进行检测，其实现方法简单，实现复合材料107层间失效模式的在线实时、准分布式检测，特别是复合材料107滑开型和张开型。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：包括：
宽带光源(101)，用于产生具有一定光谱带宽的光信号；
光纤耦合器(102)，用于光信号耦合及分束，所述光纤耦合器(102)的输入端与宽带光源(101)连接；
保偏光纤光栅传感器，植入复合材料(107)层间且用于检测复合材料(107)层间应力的方向和大小，与所述的光纤耦合器(102)进行信号双向传输；
光电探测器(103)，用于将光信号转换为电信号，光电探测器(103)的输入端与所述的光纤耦合器(102)的一输出端连接；
信号处理模块(104)，用于数据处理和显示，其输入端与所述的光电探测器(103)的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：若干保偏光纤光栅传感器依次串联连接构成一个保偏光纤光栅传感器子组(106)，多个保偏光纤光栅传感器子组(106)串联连接构成保偏光纤光栅传感器组，多个保偏光纤光栅传感器组分别设置在复合材料(107)的相异层间，每组保偏光纤光栅传感器组中的多个保偏光纤光栅传感器子组(106)设置在复合材料(107)的同一层间；
检测装置还包括光开关(105)，光开关(105)设置在光纤耦合器(102)与保偏光纤光栅传感器之间，光开关(105)设置有分别与不同层间的保偏光纤光栅传感器组连接的多个端口。
3.根据权利要求2所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：所述保偏光纤光栅传感器组包括多个中心谐振波长相异的保偏光纤光栅传感器，所述保偏光纤光栅传感器子组(106)内保偏光纤光栅传感器的快轴方向与复合材料(107)层间方向的夹角相异。
4.根据权利要求2所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：所述保偏光纤光栅传感器在保偏光纤上刻写而成，其为布拉格光纤光栅。
5.根据权利要求2所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：刻写所采用的保偏光纤为熊猫型保偏光纤、椭圆型保偏光纤、领结型保偏光纤中任意一种。
6.根据权利要求3所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：所述保偏光纤光栅传感器子组(106)包括快轴平行于复合材料(107)层间的保偏光纤光栅传感器(1061)、快轴垂直于复合材料(107)层间的保偏光纤光栅传感器(1062)、快轴与复合材料(107)层间成45°角的保偏光纤光栅传感器(1063)。
7.根据权利要求2所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：相异层间的保偏光纤光栅传感器组相同。
8.根据权利要求6所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：所述光开关(105)为1×n光开关,n与保偏光纤光栅传感器组埋设复合材料层数相同。
9.根据权利要求1所述的一种复合材料层间失效模式的检验装置，其特征在于：所述宽带光源(101)为SLD光源或ASE光源。
10.一种使用权利要求1-9任意一项所述的复合材料层间失效模式检验装置的判断方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、设定保偏光纤光栅传感器的快轴方向为x方向，慢轴方向为y方向，快轴方向和慢轴方向的波长改变满足公式，
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ΔλB,x、ΔλB,y分别为保偏光纤光栅传感器的快轴、保偏光纤光栅传感器的慢轴方向波长改变量，λB0为保偏光纤光栅传感器未受复合材料(107)层间应力作用时谐振波长，εx、εy、εz为保偏光纤光栅传感器受复合材料(107)层间应力作用时x、y、z方向应变量，P11、P12为应变光学系数；
S2、将公式(1)和公式(2)相减得
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S3、通过比较ΔλB,x-ΔλB,y与0的关系判断复合材料(107)层间失效模式。
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| CN101680782A (zh) * | 2008-02-29 | 2010-03-24 | 株式会社藤仓 | 光频域反射测定方式的物理量测量装置及使用其的温度和应变的测量方法 |
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-
2017
- 2017-10-30 CN CN201711041319.9A patent/CN107991241B/zh active Active
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