CN109916741B - 一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，属于复合材料的结构健康检测技术领域。包括步骤：S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料进行冲击实验；S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况等。本发明基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，本算法利用波长梯度变化量来确定复合材料冲击裂纹的产生，并通过光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度来判断冲击裂纹的密度，具有较高的识别率与计算效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，属于复合材料的结构健康检测技术领域。
背景技术
先进复合材料具有高比强、高比模、耐腐蚀、抗疲劳以及大面积整体成型等优点，因而被广泛应用于航空航天等领域。飞机复合材料结构承受的低速冲击，如工具掉落、跑道碎片、鸟撞、地面车辆撞击飞机等，会对结构造成几乎不可见的冲击损伤。飞机复合材料结构的冲击事件往往无法预见，冲击造成的不可见损伤可能会在计划维修之前发生失效，导致飞行事故发生。
复合材料结构健康监测传感器需要在各种恶劣的环境下，探测在不同激励条件下结构的各种响应，并要长期连续记录结构载荷和损伤情况，对传感器信号稳定性、灵敏度、耐腐蚀性和使用寿命要求严格。传统的应变传感器主要是电阻应变片，但电阻应变片是有源器件，易受电磁场影响，防水性能、长期稳定性能与抗腐蚀性能较差，导致传感器的灵敏度和准确度较低。另外，电阻应变片与复合材料结构兼容性差，通常粘贴于复合材料表面，很难埋入复合材料结构内，不能检测复合材料内部损伤，不易实现与结构的整体化集成。与传统应变片传感器相比，光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器具有抗电磁干扰、防水性能强、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、可实现分布式测量等优点，因而备受人们关注。此外，光纤光栅直径小，可以较方便地埋入碳纤维预浸料或干态纤维织物中，且与基体材料兼容性良好，从而满足复合材料结构健康监测对传感器提出的微型化、可靠性高的特殊要求。
目前，国内外基于FBG传感器的复合材料结构健康监测技术研究主要集中在复合材料固化过程监测、冲击定位监测、损伤识别等几个方面。对于飞行器复合材料的实时在线结构健康监测技术主要关注的是冲击定位监测、损伤识别研究，包括FBG传感器在复合材料中的安装铺设，但对复合材料冲击定位与裂纹检测算法的研究较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，本算法可以确定复合材料冲击裂纹的产生并判断出裂纹的密度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，包括如下步骤：
步骤S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料进行冲击实验；
步骤S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；
步骤S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；
步骤S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；
步骤S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况；
步骤S6，若复合材料出现裂纹则记录下S3所对应的光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量及复合材料属性，否则跳转到S1继续冲击实验；
步骤S7，对复合材料进行冲击实验，并计算光纤光栅传感器的反射光谱的波长梯度变化；
步骤S8，提取S6中的冲击样本波长梯度数据；
步骤S9，比较S7与S8的波长梯度数据判断复合材料是否出现裂纹，若是则记录下本检测实验的光纤光栅传感器反射光谱，并计算光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度，若不是则跳转到S7；
步骤S10，高清数字照相机对复合材料检测样本进行实时照相采样，并对其进行裂纹密度识别；
步骤S11，将S9输出的光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度与S10高清数字照相机判断出的裂纹密度送入最小二乘拟合算法模块；
步骤S12，重复以上步骤在大量实验数据的基础上，拟合得到基于光纤光栅传感的复合材料裂纹密度响应数学模型。
较优的，所述步骤S3中，当复合材料受到冲击损伤出现裂纹时，埋入固化在复合材料中光纤光栅传感器的反射光谱波长必然发生突变，通过计算波长梯度变化量来准确反映这种变化。
较优的，所述步骤S9中，当判断出复合材料产生裂纹时，埋入复合材料中的光纤光栅传感器将受到不均匀的拉伸作用，光纤布拉格光栅将产生啁啾化，光纤光栅传感器的反射光谱宽度扩展变宽，设定以离波峰高度1/2位置的光谱宽度为依据计算光谱归一化扩展宽度。
本发明的有益效果是：本发明基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法，本算法利用波长梯度变化量来确定复合材料冲击裂纹的产生，并通过光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度来判断冲击裂纹的密度，具有较高的识别率与计算效率。
附图说明
图1为本发明实施例的FBG埋入复合材料及冲击实验数据采集示意图；
图2是本发明实施例的裂纹判决算法示意图；
图3是本发明实施例的裂纹密度响应算法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白清楚，以下结合附图及实施例，对本发明的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法进行进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合各个附图，依次对本发明的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测算法做进一步的详细描述。
实施例1：如图1所示，本发明所描述的FBG埋入复合材料及冲击实验数据采集方案，本发明采用碳纤维复合材料，铺层顺序为[45/0/-45/90]_2S，把光纤光栅传感器埋入固化复合材料中，采用碳纤维预浸料热压罐成型工艺，光纤光栅解码仪采样率为50千赫兹。本发明采用碳纤维环氧树脂复合材料试样，建立不同尺寸、不同铺设层数、不同的冲击力度并按一定的尺寸来划分冲击网格，可选择：复合材料层数为6层、9层、12层，复合材料尺寸为200mm×200mm、400mm×400mm、 600mm×600mm、800mm×800mm、1000mm×1000mm，冲击能量为0.5J、1J、2J、3J、 4J、5J、6J、7J、8J、9J、10J。把FBG传感器埋入复合材料层板的四个对角，并在每个冲击网格内埋入FBG用于检测冲击损伤。通过FBG引出光纤采集复合材料的冲击样本数据，即为步骤S1；
如图2所示，裂纹判决算法流程，包括如下几个步骤：
步骤S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；
步骤S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；
步骤S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；
步骤S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况；
步骤S6，若复合材料出现裂纹则记录下S3所对应的光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量及复合材料属性，否则跳转到S1继续冲击实验；
较优的，所述步骤S3中，当复合材料受到冲击损伤出现裂纹时，埋入固化在复合材料中光纤光栅传感器的反射光谱波长必然发生突变，通过计算波长梯度变化量来准确反映这种变化。
如图3所示，裂纹密度响应算法流程，包括如下几个步骤：
步骤S7，对复合材料进行冲击实验，并计算光纤光栅传感器的反射光谱的波长梯度变化；
步骤S8，提取S6中的冲击样本波长梯度数据；
步骤S9，比较S7与S8的波长梯度数据判断复合材料是否出现裂纹，若是则记录下本检测实验的光纤光栅传感器反射光谱，并计算光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度，若不是则跳转到S7；
步骤S10，高清数字照相机对复合材料检测样本进行实时照相采样，并对其进行裂纹密度识别；
步骤S11，将S9输出的光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度与S10高清数字照相机判断出的裂纹密度送入最小二乘拟合算法模块；
步骤S12，重复以上步骤在大量实验数据的基础上，拟合得到基于光纤光栅传感的复合材料裂纹密度响应数学模型。
较优的，所述步骤S9中，当判断出复合材料产生裂纹时，埋入复合材料中的光纤光栅传感器将受到不均匀的拉伸作用，光纤布拉格光栅将产生啁啾化，光纤光栅传感器的反射光谱宽度扩展变宽，设定以离波峰高度1/2位置的光谱宽度为依据计算光谱归一化扩展宽度。
最后应当说明的是，很显然，本领域的技术人员可以对本发明进行改动变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明也意图包含这些改动和变型。
Claims (3)
1.一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤S1，把光纤光栅传感器埋入固化到复合材料中，并对复合材料进行冲击实验；
步骤S2，采集冲击实验的光纤光栅传感器光谱数据；
步骤S3，计算光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量；
步骤S4，高清数字照相机对复合材料冲击样本进行实时照相采样；
步骤S5，根据高清数字照相机判断识别复合材料裂纹情况；
步骤S6，若复合材料出现裂纹则记录下S3所对应的光纤光栅传感器反射光谱的波长梯度变化量及复合材料属性，否则跳转到S1继续冲击实验；
步骤S7，对复合材料检测样本进行冲击实验，并计算光纤光栅传感器的反射光谱的波长梯度变化；
步骤S8，提取S6中的冲击样本波长梯度数据；
步骤S9，比较S7与S8的波长梯度数据判断复合材料是否出现裂纹，若是则记录下本检测实验的光纤光栅传感器反射光谱，并计算光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度，若不是则跳转到S7；
步骤S10，高清数字照相机对复合材料检测样本进行实时照相采样，并对其进行裂纹密度识别；
步骤S11，将S9输出的光纤光栅传感器反射光谱的归一化扩展宽度与S10高清数字照相机判断出的裂纹密度送入最小二乘拟合算法模块；
步骤S12，重复以上步骤在大量实验数据的基础上，拟合得到基于光纤光栅传感的复合材料裂纹密度响应数学模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，当复合材料受到冲击损伤出现裂纹时，埋入固化在复合材料中光纤光栅传感器的反射光谱波长必然发生突变，通过计算波长梯度变化量来准确反映这种变化。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤光栅传感的复合材料冲击裂纹检测方法，其特征在于，所述步骤S9中，当判断出复合材料产生裂纹时，埋入复合材料中的光纤光栅传感器将受到不均匀的拉伸作用，光纤布拉格光栅将产生啁啾化，光纤光栅传感器的反射光谱宽度扩展变宽，设定以离波峰高度1/2位置的光谱宽度为依据计算光谱归一化扩展宽度。
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