CN109001219A - 复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统及方法。其中，该系统包括：阵列式光纤光栅传感器，其预铺设于蜂窝夹芯板上面板和下面板的内部，用于检测蜂窝夹芯板的温度和应变水平；光纤光栅解调仪，其用于将产生的光信号经光纤耦合器进入阵列式光纤光栅传感器，且与光纤光栅相互作用后，波长与光纤光栅传感器光栅区中心波长相同的特定窄带波经光纤耦合器反射回来进行信号解调；处理器，其被配置为识别出监测点处损伤类型及损伤程度，从而预测复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

Description

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统及方法

技术领域

本发明属于复合材料监测领域，尤其涉及一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统及方法。

背景技术

复合材料蜂窝夹芯板因其具有高比强度、高比模量以及轻质、耐腐蚀、可设计性强等优势而广泛应用于航空航天领域，尤其在飞机结构件中的应用不断增加。近年来，复合材料蜂窝夹芯板的优势日益突出，其应用已扩展到汽车、高铁、船舶等民用领域。

飞行器结构在飞行过程中容易受到飞鸟和冰雹等的撞击，在检修过程中容易受到跌落工具和碎片的冲击。受到低速冲击后，表面可能没有任何痕迹，但是材料内部可能产生分层、开裂等损伤，结构的完整性已经受损。实验研究表明，复合材料蜂窝夹芯结构受到低速冲击损伤后，其拉伸、压缩、剪切和弯曲剩余强度将会严重降低，复合材料夹芯结构的安全性因此受到严重威胁。而相对于层合板而言，夹芯结构的损伤检测更加困难，夹芯结构的芯材会掩盖内部损伤或者阻碍无损检测的实施。复合材料蜂窝夹芯板在各个领域的应用日趋广泛，在线实时监测其使役过程中的冲击损伤位置、损伤程度、损伤面积等对结构安全具有重要意义。

常用于复合材料损伤检测的方法及其存在的缺陷为：

(1)超声波法：超声波在复合材料中衰减大，难以穿透，较难检验其内部缺陷。

(2)X射线法：X射线法对平面缺陷的射线能量变化小，底片对比度低，检测困难；

(3)微波法：微波法较适于较大缺陷的检测。

(4)声发射法：声发射法难以区分损伤产生的信号与噪声。

(5)目视法：目视法受人为因素影响较大。

传统的这些检测方法存在固有缺点，限制了其实际应用。

复合材料结构的在线监测比较困难，不仅要求传感器灵敏精确，可以准确监测内部损伤；而且要求传感器不影响复合材料结构件的完整性，并保证其强度和刚度；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。光纤光栅传感器以其质量轻、体积小、灵敏度高、可分布式、耐腐蚀等优点在航空航天和大型土木工程结构的健康监测、智能控制方面得到广泛应用。

飞行器结构的在线应力监测可以靠表面粘贴压电式传感器和表面粘贴式光纤光栅传感器实现。表面粘贴压电式传感器仅能监测结构表面的应力应变水平，无法监测尺寸较厚的复合材料结构内部微裂纹，同时应变片需要电缆引出实现信号的读取，若应变片数量较多，则重量较大，增加了结构件的负荷。表面粘贴式光纤光栅传感器具有结构简单、易于安装、应用广泛的优点，但光栅区易脆断，光纤抗剪切性能差，且容易产生应变传递损耗，同时，当待测结构件模量较小时，光纤光栅传感器会起到加强筋的作用，影响测量精度。

综上所述，亟需提供一种测量精确、简单方便、不影响夹芯板性能的复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统及方法。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，其具有测量精确、简单方便、不影响夹芯板性能的优点。

本发明的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，包括：阵列式光纤光栅传感器，其预铺设于蜂窝夹芯板上面板和下面板的内部，用于监测蜂窝夹芯板的温度和应变水平；及

光纤光栅解调仪，其用于将产生的光信号经光纤耦合器进入阵列式光纤光栅传感器，且与光纤光栅相互作用后，波长与光纤光栅传感器光栅区中心波长相同的特定窄带波经光纤耦合器反射回来进行信号解调；及

处理器，其被配置为执行以下步骤：

接收光纤光栅解调仪解调出来的信号；

从解调出的信号中提取冲击信号特征值；

根据冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式，得到监测点处的损伤因子；

比较当前损伤因子与损伤因子数据库，识别出监测点处损伤类型及损伤程度，从而预测出复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

进一步的，所述处理器，还被配置为：

根据光纤光栅解调仪输出的光谱图，利用直线结构元素和余弦结构元素相结合的信号峰值点和起止点检测算法，提取所有样本信号的中心波长，并计算出中心波长偏移量，作为冲击信号特征值；

根据冲击样本的每种损伤情况均对应其相应的损伤因子，建立冲击样本的特征值和冲击损伤因子的特征向量，进而得到冲击样本信号的特征集合；

根据特征集合中的特征向量，利用高斯拟合算法，拟合出冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系，得到冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式。

进一步的，所述阵列式光纤光栅传感器包括平行且相邻排列的温度光纤光栅和应变光纤光栅；温度光纤光栅用来补偿温度变化对应变光纤光栅中心波长偏移的影响；应变光纤光栅通过监测待测点的应变，使光栅的中心波长发生偏移。

本发明利用阵列式光纤光栅传感器通过测量光栅中心波长的偏移量实现对被测量的检测，当监测点的应变及温度改变时，光栅中心波长随之改变，故可将中心波长偏移量作为其特征值，最终建立出特征值与冲击损伤的关系。

进一步的，所述阵列式光纤光栅传感器中的光纤包层直径小于等于复合材料结构中单层复合材料铺层的厚度。

光纤光栅传感器优选细直径光纤，更细直径的光纤可以更大程度地减少光纤光栅传感器内植对复合材料强度和刚度的影响。

本发明未对光纤光栅传感器阵列中每条光纤通路的光栅区数量及光纤光栅传感器的数量进行限定，可根据具体需求自行设计光纤光栅传感器阵列的铺排方式及每条光纤通路的光栅区数量，但传感器密度不宜过大，否则不同传感器间会相互影响。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，可有效减少测量通路，降低测量系统重量。

进一步的，所述光纤光栅解调仪内置宽度可调光源，用于产生连续调频激光，且通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。

本发明的第二目的是提供一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的制备方法。

本发明的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的制备方法，包括：

步骤(1)：采用二次成型方法来制备内植光纤光栅传感器的复合材料蜂窝夹芯板；

其具体步骤如下：

步骤(1.1)：选择与面板尺寸相适应的模框，根据传感器铺设位置在模框四条侧壁的相应位置开设引线凹槽，模框表面用耐高温的高分子薄膜均匀缠绕包裹；

步骤(1.2)：将模框置于预先涂好脱模剂的下模板上并固定，按照预先设计的铺层顺序将复合材料铺层铺设于模框中，并将光纤光栅传感器阵列预先铺设于复合材料铺层之间，用聚四氟乙烯胶带缠绕在光纤引线端，既利于开模，又可对光纤引线进行保护；引线从模框的凹槽中引出；

步骤(1.3)：面板预固化成型：将预先涂好脱模剂的上模板置于复合材料铺层上，在一定的压力及温度下使得内植光纤光栅传感器的复合材料铺层进行预固化成型，制备出复合材料蜂窝夹芯结构的上面板；

步骤(1.4)：重复上述步骤制备复合材料蜂窝夹芯结构的下面板；

步骤(1.5)：复合材料蜂窝夹芯板二次固化成型：将蜂窝置于预压实固化的上面板和下面板之间，边缘对齐后，置于预先涂好脱模剂的上下模板之间，在一定的压力及温度下进行二次固化成型；

步骤(2)：复合材料蜂窝夹芯板固化成型后，将每条光纤光栅传感器的引线通过耦合器分别接入光纤光栅解调仪的对应端口，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，检查信号强度和稳定性，保存各光路初始光谱图。

进一步的，在所述步骤(1.2)中，光纤光栅传感器阵列的设计过程包括：

步骤(1.2.1)：选择包层直径小于等于复合材料结构中单层复合材料铺层厚度的光纤刻制光栅；

步骤(1.2.2)：根据结构件类型及监测精度要求选择每条光纤通路的光栅区数量及光纤光栅传感器的数量，并确定其铺设方式，组建阵列式光纤光栅传感器。

进一步的，所述步骤(1.2)中，光纤光栅传感器铺设在距离复合材料夹芯板冲击监测点10mm处，且光纤光栅传感器铺设方向与其紧邻的复合材料铺层中纤维方向相同，以保证传感器的存活率及性能稳定。

进一步的，温度光纤光栅传感器的光栅外套外径0.7mm且壁厚0.2mm的毛细钢管，管口胶封；应变光纤光栅与温度光纤光栅平行且相距5-10mm排列。

进一步的，所述步骤(1.3)中，预固化工艺为70-90℃、0.5MPa压力下固化15-20min，保温结束后立即卸压，使预固化的层合板在不开模的情况下自然冷却至室温，上面板和下面板的预固化成型方式相同；预固化度为15％-35％，若预固化度太小，会导致面板刚度过低；若预固化度太大，则会造成面板/蜂窝界面粘结强度低。

预固化原则为：预固化后，既要保证复合材料面板有一定刚度，使其脱模时有一定形状，又要保证在二次固化成型过程中面板与芯子的粘结性，一般预固化度为15％-35％。本发明对复合材料面板的面内尺寸和纤维预浸料中纤维的铺设方向未做限定，可根据具体需求确定。

进一步的，所述步骤(1.5)中，二次固化的压力不宜过大，要小于蜂窝所能承受的最大压力，二次固化工艺为先升温至80℃，在0.05-0.25MPa压力下固化30min，再升温至130℃，在0.05-0.25MPa压力下固化60min。

进一步的，在蜂窝与面板之间加一层胶膜，以增加面板/蜂窝界面粘结强度。

进一步的，为了使固化后层合板内的残余应力缓慢释放，防止层合板过度变形，在二次固化加热结束后暂不卸压，直至冷却至室温。

本发明的第三目的是提供一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的监测方法。

本发明的复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的监测方法，该方法适用于处理器，包括：

接收光纤光栅解调仪解调出来的信号；

从解调出的信号中提取冲击信号特征值；

根据冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式，得到监测点处的损伤因子；

比较当前损伤因子与损伤因子数据库，识别出监测点处损伤类型及损伤程度，从而预测出复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

进一步的，获取冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式的具体过程包括：

根据光纤光栅解调仪输出的光谱图，利用直线结构元素和余弦结构元素相结合的信号峰值点和起止点检测算法，提取所有样本信号的中心波长，并计算出中心波长偏移量，作为冲击信号特征值；

根据冲击样本的每种损伤情况均对应其相应的损伤因子，建立冲击样本的特征值和冲击损伤因子的特征向量，进而得到冲击样本信号的特征集合；

根据特征集合中的特征向量，利用高斯拟合算法，拟合出冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系，得到冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明提供的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤监测系统，解决了复合材料蜂窝夹芯板使役过程中各位置处的冲击损伤在线监测需求，具有测量精确、简单方便、不影响夹芯板性能的特点。

(2)本发明所述内植光纤光栅传感器的复合材料蜂窝夹芯板的制造过程采用了二次固化工艺，并采用开设凹槽的模框对传感器的引线加以保护，工艺简单稳定，对复合材料层间及面板/蜂窝界面的强度和刚度几乎不产生影响，且可监测内部冲击损伤，保证了光纤光栅传感器的监测精度和稳定性，具有广阔的市场前景和巨大的经济效益。

(3)本发明提供的复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤在线监测系统及方法，利用光纤光栅传感器监测冲击信号，提取冲击信号特征值，建立特征值与冲击损伤的关系，将待测样本特征值代入关系式中，最终确定复合材料夹芯结构在监测点的冲击损伤类型和损伤程度，从而预测出整体结构的损伤分布情况。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统结构示意图。

图2是本发明的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统中处理器的数据处理流程图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，由于复合材料面板具有很高的强度，而蜂窝芯子强度相对较低，为了达到较好的成型效果，既保证层合板的层间有很高的粘结强度，又使蜂窝芯子在成型过程中不被破坏，故复合材料蜂窝夹芯板的制备采用二次成型法，即将碳纤维/环氧树脂预浸料及光纤光栅传感器铺设完成后，先分别将上下面板预压实固化成型，然后将蜂窝芯子放在上下面板之间，组合好后进行二次固化成型。

此外，面板在固化成型过程中存在严重内应力，会使光纤光栅传感器杂化，影响冲击损伤监测结果。而在预固化后，面板已有一定刚度，在二次固化成型过程中光纤光栅传感器仍可保持初始状态，故采用二次成型法。

一、复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统

图1是本发明的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统结构示意图。

本发明的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，包括：

(1)阵列式光纤光栅传感器

阵列式光纤光栅传感器预铺设于蜂窝夹芯板上面板和下面板的内部，用于监测蜂窝夹芯板的温度和应变水平。

在具体实施中，所述阵列式光纤光栅传感器包括平行且相邻排列的温度光纤光栅和应变光纤光栅；温度光纤光栅用来补偿温度变化对应变光纤光栅中心波长偏移的影响；应变光纤光栅通过监测待测点的应变，使光栅的中心波长发生偏移。

具体地，利用阵列式光纤光栅传感器通过测量光栅中心波长的偏移量实现对被测量的检测，当监测点的应变及温度改变时，光栅中心波长随之改变，故可将中心波长偏移量作为其特征值，最终建立出特征值与冲击损伤的关系。

其中，所述阵列式光纤光栅传感器中的光纤包层直径小于等于复合材料结构中单层复合材料铺层的厚度。

例如：阵列式光纤光栅传感器中的光纤包层直径为35-45微米甚至更细径。

光纤光栅传感器优选细直径光纤，更细直径的光纤可以更大程度地减少光纤光栅传感器内植对复合材料强度和刚度的影响。

本发明未对光纤光栅传感器阵列中每条光纤通路的光栅区数量及光纤光栅传感器的数量进行限定，可根据具体需求自行设计光纤光栅传感器阵列的铺排方式及每条光纤通路的光栅区数量，但传感器密度不宜过大，否则不同传感器间会相互影响。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，可有效减少测量通路，降低测量系统重量。

(2)光纤光栅解调仪

光纤光栅解调仪用于将产生的光信号经光纤耦合器进入阵列式光纤光栅传感器，且与光纤光栅相互作用后，波长与光纤光栅传感器光栅区中心波长相同的特定窄带波经光纤耦合器反射回来进行信号解调。

其中，所述光纤光栅解调仪内置宽度可调光源，用于产生连续调频激光，且通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。

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特点，实现信号快速解调，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，供信号处理器分析处理。

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，是结构紧凑、损耗小、偏振无关的光纤耦合器。

(3)处理器

如图2所示，处理器被配置为执行以下步骤：

接收光纤光栅解调仪解调出来的信号；

从解调出的信号中提取冲击信号特征值；

根据冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式，得到监测点处的损伤因子；

比较当前损伤因子与损伤因子数据库，识别出监测点处损伤类型及损伤程度，从而预测出复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

其中，冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式的计算过程为：

根据光纤光栅解调仪输出的光谱图，利用直线结构元素和余弦结构元素相结合的信号峰值点和起止点检测算法，提取所有样本信号的中心波长，并计算出中心波长偏移量，作为冲击信号特征值；

根据冲击样本的每种损伤情况均对应其相应的损伤因子，建立冲击样本的特征值和冲击损伤因子的特征向量，进而得到冲击样本信号的特征集合；

根据特征集合中的特征向量，利用高斯拟合算法，拟合出冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系，得到冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式。

在具体实施中，接收光纤光栅解调仪的信号，通过监测光纤光栅传感器信号光谱图的中心波长提取冲击信号特征值的步骤，可在信号处理器内完成；

根据冲击信号特征值，在线分析结构件的损伤类型、损伤程度和损伤分布情况的步骤，可在计算机终端完成。

本发明提供的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤监测系统，解决了复合材料蜂窝夹芯板使役过程中各位置处的冲击损伤在线监测需求，具有测量精确、简单方便、不影响夹芯板性能的特点。

本发明提供的复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤在线监测系统，利用光纤光栅传感器监测冲击信号，提取冲击信号特征值，建立特征值与冲击损伤的关系，将待测样本特征值代入关系式中，最终确定复合材料夹芯结构在监测点的冲击损伤类型和损伤程度，从而预测出整体结构的损伤分布情况。

二、复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的制备方法

本发明的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的制备方法，包括：

步骤(1)：采用二次成型方法来制备内植光纤光栅传感器的复合材料蜂窝夹芯板；

其具体步骤如下：

步骤(1.1)：选择与面板尺寸相适应的模框，根据传感器铺设位置在模框四条侧壁的相应位置开设引线凹槽，模框表面用耐高温的高分子薄膜均匀缠绕包裹；

步骤(1.2)：将模框置于预先涂好脱模剂的下模板上并固定，按照预先设计的铺层顺序将复合材料铺层铺设于模框中，并将光纤光栅传感器阵列预先铺设于复合材料铺层之间，用聚四氟乙烯胶带缠绕在光纤引线端，既利于开模，又可对光纤引线进行保护；引线从模框的凹槽中引出；

其中，光纤光栅传感器阵列的设计过程包括：

步骤(1.2.1)：选择包层直径小于等于复合材料结构中单层复合材料铺层厚度的光纤刻制光栅；

步骤(1.2.2)：根据结构件类型及监测精度要求选择每条光纤通路的光栅区数量及光纤光栅传感器的数量，并确定其铺设方式，组建阵列式光纤光栅传感器。

而且，光纤光栅传感器铺设在距离复合材料夹芯板冲击监测点10mm处，且光纤光栅传感器铺设方向与其紧邻的复合材料铺层中纤维方向相同，以保证传感器的存活率及性能稳定。

温度光纤光栅传感器的光栅外套外径0.7mm且壁厚0.2mm的毛细钢管，管口胶封；应变光纤光栅与温度光纤光栅平行且相距5-10mm排列。

步骤(1.3)：面板预固化成型：将预先涂好脱模剂的上模板置于复合材料铺层上，在一定的压力及温度下使得内植光纤光栅传感器的复合材料铺层进行预固化成型，制备出复合材料蜂窝夹芯结构的上面板；

其中，预固化工艺为70-90℃、0.5MPa压力下固化15-20min，保温结束后立即卸压，使预固化的层合板在不开模的情况下自然冷却至室温；预固化度为15％-35％。

预固化原则为：预固化后，既要保证复合材料面板有一定刚度，使其脱模时有一定形状，又要保证在二次固化成型过程中面板与芯子的粘结性，一般预固化度为15％-35％。本发明对复合材料面板的面内尺寸和纤维预浸料中纤维的铺设方向未做限定，可根据具体需求确定。

步骤(1.4)：重复上述步骤制备复合材料蜂窝夹芯结构的下面板；

步骤(1.5)：复合材料蜂窝夹芯板二次固化成型：将蜂窝置于预压实固化的上面板和下面板之间，边缘对齐后，置于预先涂好脱模剂的上下模板之间，在一定的压力及温度下进行二次固化成型；

其中，二次固化的压力不宜过大，要小于蜂窝所能承受的最大压力，二次固化工艺为先升温至80℃，在0.05-0.25MPa压力下固化30min，再升温至130℃，在0.05-0.25MPa压力下固化60min。

在蜂窝与面板之间加一层胶膜，以增加面板/蜂窝界面粘结强度。

为了使固化后层合板内的残余应力缓慢释放，防止层合板过度变形，在二次固化加热结束后暂不卸压，直至冷却至室温。

步骤(2)：复合材料蜂窝夹芯板固化成型后，将每条光纤光栅传感器的引线通过耦合器分别接入光纤光栅解调仪的对应端口，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，检查信号强度和稳定性，保存各光路初始光谱图。

下面针对300mm×300mm，[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]_score[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]_s碳纤维复合材料蜂窝夹芯板的低速冲击损伤在线监测系统的制备方法为例：

实施例一

该实施例中，采用热模压机对碳纤维复合材料蜂窝夹芯板固化成型。

(1)设计阵列式光纤光栅传感器铺排方式，具体步骤如下：

a.选择包层直径45微米的光纤刻制光栅，且每条光纤通路包含一个光栅区；

b.设计阵列式光纤光栅传感器铺设方式：

上下面板中的光纤光栅传感器阵列各包括1个温度光纤光栅传感器和4个应变光纤光栅传感器。

上面板中11、12层预浸料之间0°方向中线的1/2处、1/4处分别植入一个应变光纤光栅传感器，其0°方向中线的1/2处与应变光栅平行、且距其8mm植入一个温度光纤光栅传感器。15、16层预浸料之间90°方向中线的1/2处、1/4处分别植入一个应变光纤光栅传感器。其中温度光纤光栅用于补偿温度改变对应变光纤光栅的影响，提高测量的准确性。

为了避免在后续冲击过程中1/2位置处的光纤光栅被破坏，将光栅区边缘铺设在距层合板中心10mm处。下面板中传感器植入位置与上面板对称分布。

(2)采用二次成型方法，制备内植光纤光栅传感器的复合材料蜂窝夹芯板，具体步骤如下：

a.选择尺寸为300mm×300mm×3.3mm的模框，并在模框四条侧壁的中间位置处加工宽10mm、深1.5mm的引线凹槽，模框表面用耐高温的高分子薄膜均匀缠绕包裹；

b.铺设预浸料及光纤光栅传感器：将模框置于预先涂好脱模剂的下模板上并固定，并将面内尺寸为300mm×300mm的碳纤维/环氧树脂预浸料按照[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]_s的铺层方式铺设于模框中，单层预浸料厚度为0.15mm。将光纤光栅传感器按照步骤(1)中的设计方式铺设于预浸料的不同铺层和不同位置处，并用聚四氟乙烯胶带缠绕在光纤引线端，既利于开模，又可对光纤引线进行保护；引线从模框的凹槽中引出；

c.上面板预固化成型：将预先涂好脱模剂的上模板置于复合材料铺层上，将内植光纤光栅传感器的碳纤维预浸料铺层放入热模压机的加热板之间，在加热加压条件下进行预固化成型。预固化工艺为在80℃、0.5MPa压力下固化20min，保温结束后立即卸压，使预固化的层合板在不开模的情况下自然冷却至室温；

d.重复步骤(2)中的a、b、c将下面板预固化成型；

e.复合材料蜂窝夹芯板二次固化成型：将面内尺寸为300mm×300mm、厚度为12.75mm的蜂窝芯子置于预压实固化的上下面板之间，且蜂窝与面板之间加一层胶膜以增加界面粘结强度，边缘对齐后，置于预先涂好脱模剂的上下模板之间，并放入热模压机的加热板之间，在加热加压条件下进行二次固化成型。

二次固化工艺为先升温至80℃，在0.08MPa压力下固化30min，再升温至130℃，在0.08MPa压力下固化60min。为了使固化后层合板内的残余应力缓慢释放，防止层合板过度变形，在二次固化加热结束后暂不卸压，直至冷却至室温；

f.复合材料蜂窝夹芯板固化成型后，将每条光纤光栅传感器的引线通过光纤耦合器分别接入光纤光栅解调仪的对应端口，光纤光栅解调仪通过数据线连接信号处理器，信号处理器通过数据线连接计算机终端。

(3)将碳纤维复合材料蜂窝夹芯板置于冲击试验机上，用夹板固定好后，选取质量5.36kg、压头直径16mm的半球形冲头，分别用不同的冲击能量对样本及待测件进行一次低速冲击实验，在线实时监测复合材料蜂窝夹芯板不同位置以及不同铺层处的低速冲击损伤。

实施例二

与实施例一的不同之处在于：复合材料蜂窝夹芯板预固化+二次固化成型均采用热压罐法。

a.选择尺寸为300mm×300mm×3.3mm的模框，并在模框四条侧壁的中间位置处加工宽10mm、深1.5mm的引线凹槽，模框表面用耐高温的高分子薄膜均匀缠绕包裹；

b.铺设预浸料及光纤光栅传感器：将隔离膜覆盖在预先涂好脱模剂的模具表面，将模框置于隔离膜上并固定，并将面内尺寸为300mm×300mm的碳纤维/环氧树脂预浸料按照[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]_s的铺层方式铺设于模框中，单层预浸料厚度为0.15mm。将光纤光栅传感器按照实施例一中步骤(1)的设计方式铺设于预浸料的不同铺层和不同位置处，并用聚四氟乙烯胶带缠绕在光纤引线端，既利于开模，又可对光纤引线进行保护；引线从模框的凹槽中引出；

c.上面板预固化成型：将隔离膜覆盖在内植光纤光栅传感器的碳纤维预浸料铺层的表面，将传感器的引线从真空袋中引出，和各种辅助材料组合后，密封于真空袋内，再将真空袋系统放入热压罐中。将真空袋抽真空，使袋内压力为0.1MPa，在加热加压条件下进行预固化成型。预固化工艺为在80℃、0.5MPa压力下固化20min，保温结束后立即卸压，使预固化的层合板在不开模的情况下自然冷却至室温；

d.重复步骤a、b、c将下面板预固化成型；

e.复合材料蜂窝夹芯板二次固化成型：将蜂窝芯子置于预压实固化的上下面板之间，且蜂窝与面板之间加一层胶膜以增加界面粘结强度，边缘对齐后，将隔离膜分别贴于夹芯结构的上下表面，将其置于附有脱模剂的模具表面，传感器的引线从真空袋中引出，和各种辅助材料组合后，密封于真空袋内，再将真空袋系统放入热压罐中。将真空袋抽真空，使袋内压力为0.1MPa，在加热加压条件下进行二次固化成型。二次固化工艺为先升温至80℃，0.08MPa下固化30min，再升温至130℃，0.08MPa下固化60min。

f.固化完成后，待冷却至室温将真空袋系统移出热压罐，去除各种辅助材料，并将其裁剪成所需的尺寸，即可得到本发明所述预埋内植光纤光栅传感器的复合材料蜂窝夹芯板。

本发明所述内植光纤光栅传感器的复合材料蜂窝夹芯板的制造过程采用了二次固化工艺，并采用开设凹槽的模框对传感器的引线加以保护，工艺简单稳定，对复合材料层间及面板/蜂窝界面的强度和刚度几乎不产生影响，且可监测内部冲击损伤，保证了光纤光栅传感器的监测精度和稳定性，具有广阔的市场前景和巨大的经济效益。

三、复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的监测方法

本发明的复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的监测方法，该方法适用于处理器，包括：

接收光纤光栅解调仪解调出来的信号；

从解调出的信号中提取冲击信号特征值；

根据冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式，得到监测点处的损伤因子；

比较当前损伤因子与损伤因子数据库，识别出监测点处损伤类型及损伤程度，从而预测出复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

具体地，获取冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式的具体过程包括：

根据光纤光栅解调仪输出的光谱图，利用直线结构元素和余弦结构元素相结合的信号峰值点和起止点检测算法，提取所有样本信号的中心波长，并计算出中心波长偏移量，作为冲击信号特征值；

根据冲击样本的每种损伤情况均对应其相应的损伤因子，建立冲击样本的特征值和冲击损伤因子的特征向量，进而得到冲击样本信号的特征集合；

根据特征集合中的特征向量，利用高斯拟合算法，拟合出冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系，得到冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式。下面针对300mm×300mm，[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]_score[-45₂/0₂/45₂/90₂/0/90/0]_s碳纤维复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的监测方法为例：

该实施例中，阵列式光纤光栅传感器的铺排方式与上述实施例相同。

(1)记录初始时刻所有样本信号的中心波长：将样本分别标记为1，2，3，……，n，把碳纤维复合材料蜂窝夹芯板中内植的每条光纤光栅传感器的引线通过耦合器分别接入光纤光栅解调仪的对应端口，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，检查信号强度和稳定性后，保存各光路初始时刻的光谱图，信号处理器利用直线结构元素和余弦结构元素相结合的信号峰值点和起止点检测算法，提取所有样本信号初始时刻的中心波长x_i0。

(2)提取冲击样本信号特征值：将碳纤维复合材料蜂窝夹芯板样本置于冲击试验机上，用夹板固定好后，选取质量5.36kg、压头直径16mm的半球形冲头，分别使用不同的冲击能量对n个样本进行低速冲击实验，保存冲击时T时刻各光路的光谱图，并提取所有样本信号的中心波长x_iT，处理器即可计算出各样本信号中心波长的偏移量x_i＝x_iT－x_i0；i＝1，2，3，……，n，作为冲击样本信号的特征值。

(3)根据冲击样本的每种损伤情况均对应其相应的损伤因子，取样由冲击样本特征值和冲击损伤因子构成的一组特征向量(x_i,y_i)；i＝1，2，3，……，n，即得冲击样本信号的特征集合。

参数a和b为拟合关系式待估值，利用高斯拟合算法，将特征向量(x_i,y_i)代入冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系式两边取对数后得ln(1-y_i)＝1+lna-bx_i-lnx_i，令

ln(1-y_i)＝z_i

1+lna＝R₀

-b＝R₁

-1＝R₂

由离散数据点可得矩阵

则有Z＝XR，

根据拟合的最小二乘准则，构成矩阵R的广义最小二乘解为R＝(X^TX)^-1X^TZ，即可求得参数a、b，从而得到冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系式

(4)计算待测件的冲击损伤因子：选取质量5.36kg，压头直径16mm的半球形冲头，对待测件进行一次低速冲击实验，冲击能量6.67J，处理器可记录待测件冲击信号的光谱图，并提取其中心波长，计算出中心波长偏移量，即特征值x_i，代入冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式，即可得到待测件的冲击损伤因子。

(5)识别监测点处的损伤类型及损伤程度：比较当前损伤因子与损伤因子数据库，根据损伤因子与损伤情况的对应关系，识别出监测点处的损伤类型及损伤程度。综合考虑各监测点处的损伤类型及损伤程度，预测出复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

本发明提供的复合材料蜂窝夹芯板冲击损伤在线监测方法，利用光纤光栅传感器监测冲击信号，提取冲击信号特征值，建立特征值与冲击损伤的关系，将待测样本特征值代入关系式中，最终确定复合材料夹芯结构在监测点的冲击损伤类型和损伤程度，从而预测出整体结构的损伤分布情况。

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)

1.一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，其特征在于，包括：阵列式光纤光栅传感器，其预铺设于蜂窝夹芯板上面板和下面板的内部，用于监测蜂窝夹芯板的温度和应变水平；及

光纤光栅解调仪，其用于将产生的光信号经光纤耦合器进入阵列式光纤光栅传感器，且与光纤光栅相互作用后，波长与光纤光栅传感器光栅区中心波长相同的特定窄带波经光纤耦合器反射回来进行信号解调；及

处理器，其被配置为执行以下步骤：

接收光纤光栅解调仪解调出来的信号；

从解调出的信号中提取冲击信号特征值；

根据冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式，得到监测点处的损伤因子；

比较当前损伤因子与损伤因子数据库，识别出监测点处损伤类型及损伤程度，从而预测出复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

2.如权利要求1所述的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，其特征在于，所述处理器，还被配置为：

根据光纤光栅解调仪输出的光谱图，利用直线结构元素和余弦结构元素相结合的信号峰值点和起止点检测算法，提取所有样本信号的中心波长，并计算出中心波长偏移量，作为冲击信号特征值；

根据冲击样本的每种损伤情况均对应其相应的损伤因子，建立冲击样本的特征值和冲击损伤因子的特征向量，进而得到冲击样本信号的特征集合；

根据特征集合中的特征向量，利用高斯拟合算法，拟合出冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系，得到冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式。

3.如权利要求1所述的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，其特征在于，所述阵列式光纤光栅传感器包括平行且相邻排列的温度光纤光栅和应变光纤光栅；温度光纤光栅用来补偿温度变化对应变光纤光栅中心波长偏移的影响；应变光纤光栅通过监测待测点的应变，使光栅的中心波长发生偏移。

4.如权利要求1所述的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，其特征在于，所述阵列式光纤光栅传感器中的光纤包层直径小于等于复合材料结构中单层复合材料铺层的厚度。

5.如权利要求1所述的一种复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统，其特征在于，所述光纤光栅解调仪内置宽度可调光源，用于产生连续调频激光，且通过引线进入光纤光栅，形成稳定的反射信号。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的制备方法，其特征在于，包括：

步骤(1)：采用二次成型方法制备内植光纤光栅传感器的复合材料蜂窝夹芯板；

其具体步骤如下：

步骤(1.1)：选择与面板尺寸相适应的模框，根据传感器铺设位置在模框四条侧壁的相应位置开设引线凹槽，模框表面用耐高温的高分子薄膜均匀缠绕包裹；

步骤(1.2)：将模框置于预先涂好脱模剂的下模板上并固定，按照预先设计的铺层顺序将复合材料铺层铺设于模框中，并将光纤光栅传感器阵列预先铺设于复合材料铺层之间，用聚四氟乙烯胶带缠绕在光纤引线端，既利于开模，又可对光纤引线进行保护；引线从模框的凹槽中引出；

步骤(1.3)：面板预固化成型：将预先涂好脱模剂的上模板置于复合材料铺层上，在一定的压力及温度下使得内植光纤光栅传感器的复合材料铺层进行预固化成型，制备出复合材料蜂窝夹芯结构的上面板；

步骤(1.4)：重复上述步骤制备复合材料蜂窝夹芯结构的下面板；

步骤(1.5)：复合材料蜂窝夹芯板二次固化成型：将蜂窝置于预压实固化的上面板和下面板之间，边缘对齐后，置于预先涂好脱模剂的上下模板之间，在一定的压力及温度下进行二次固化成型；

步骤(2)：复合材料蜂窝夹芯板固化成型后，将每条光纤光栅传感器的引线通过耦合器分别接入光纤光栅解调仪的对应端口，光纤光栅解调仪通过数据线连接处理器，检查信号强度和稳定性，保存各光路初始光谱图。

7.如权利要求6所述的复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的制备方法，其特征在于，在所述步骤(1.2)中，光纤光栅传感器阵列的设计过程包括：

步骤(1.2.1)：选择包层直径小于等于复合材料结构中单层复合材料铺层厚度的光纤刻制光栅；

步骤(1.2.2)：根据结构件类型及监测精度要求选择每条光纤通路的光栅区数量及光纤光栅传感器的数量，并确定其铺设方式，组建阵列式光纤光栅传感器。

8.如权利要求6所述的复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的制备方法，其特征在于，所述步骤(1.2)中，光纤光栅传感器铺设在距离复合材料夹芯板冲击监测点10mm处，且光纤光栅传感器铺设方向与其紧邻的复合材料铺层中的纤维方向相同，以保证传感器的存活率及性能稳定；

或/和

温度光纤光栅传感器的光栅外套外径0.7mm且壁厚0.2mm的毛细钢管，管口胶封；应变光纤光栅与温度光纤光栅平行且相距5-10mm排列；

或/和

所述步骤(1.3)中，预固化工艺为70-90℃、0.5MPa压力下固化15-20min，保温结束后立即卸压，使预固化的层合板在不开模的情况下自然冷却至室温，上面板和下面板的预固化成型方式相同；预固化度为15％-35％；

或/和

所述步骤(1.5)中，二次固化的压力小于蜂窝所能承受的最大压力，二次固化工艺为先升温至80℃，在0.05-0.25MPa压力下固化30min，再升温至130℃，在0.05-0.25MPa压力下固化60min；

或/和

在蜂窝与面板之间加一层胶膜，以增加面板/蜂窝界面粘结强度；

或/和

为了使固化后层合板内的残余应力缓慢释放，防止层合板过度变形，在二次固化加热结束后暂不卸压，直至冷却至室温。

9.一种如权利要求1-5中任一项所述的复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤在线监测系统的监测方法，该方法适用于处理器，其特征在于，包括：

接收光纤光栅解调仪解调出来的信号；

从解调出的信号中提取冲击信号特征值；

根据冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式，得到监测点处的损伤因子；

比较当前损伤因子与损伤因子数据库，识别出监测点处损伤类型及损伤程度，从而预测出复合材料蜂窝夹芯板结构件整体的损伤分布情况。

10.如权利要求9所述的监测方法，其特征在于，获取冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式的具体过程包括：

根据光纤光栅解调仪输出的光谱图，利用直线结构元素和余弦结构元素相结合的信号峰值点和起止点检测算法，提取所有样本信号的中心波长，并计算出中心波长偏移量，作为冲击信号特征值；

根据冲击样本的每种损伤情况均对应其相应的损伤因子，建立冲击样本的特征值和冲击损伤因子的特征向量，进而得到冲击样本信号的特征集合；

根据特征集合中的特征向量，利用高斯拟合算法，拟合出冲击样本的特征值和冲击损伤因子的关系，得到冲击样本特征值-冲击损伤因子关系式。