新型光纖傳感器及其在纖維復(fù)合材料的聲發(fā)射源定位研究.pdf

1、隨著纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天、交通運(yùn)輸、能源、航海與軍事等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)也引起科研人員的廣泛重視。傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)服役期間因受靜、動(dòng)載荷，疲勞而產(chǎn)生的損傷和破壞，亟待開發(fā)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的在線健康監(jiān)測(cè)。聲發(fā)射技術(shù)作為一種現(xiàn)代新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，與傳感器技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、信號(hào)采集與分析處理等多種技術(shù)相融合，在無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器通常為壓電陶瓷材料

2、，不僅易受電磁干擾，而且因?yàn)轶w積大而不適合埋藏于纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。本文研制了一種可埋藏在纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)的新型光纖聲發(fā)射傳感器，將其應(yīng)用于各向異性復(fù)合材料平板結(jié)構(gòu)的聲發(fā)射源定位研究，主要內(nèi)容如下：
　　首先，基于熔錐型光纖耦合器提出并研制了一種新型光纖聲發(fā)射傳感器。該傳感器采用細(xì)小的毛細(xì)玻璃管封裝，易埋藏于纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中。從振動(dòng)力學(xué)角度分析了傳感器的振動(dòng)特性，指出封裝管對(duì)傳感器內(nèi)耦合光纖的預(yù)拉伸力是影響傳感器對(duì)應(yīng)力波響應(yīng)的

3、主要因素。利用光波導(dǎo)理論分析了光纖聲發(fā)射傳感器的傳感原理，得出傳感器耦合區(qū)的光纖纖芯間距與傳感器對(duì)應(yīng)力波的敏感特性之間的關(guān)系。根據(jù)電子顯微鏡測(cè)量傳感器內(nèi)部光纖的細(xì)觀結(jié)構(gòu)尺寸，使用有限差分光束傳輸法模擬光纖傳感器中光波導(dǎo)的傳輸特性，仿真結(jié)果為提高傳感器的靈敏度提供參考。針對(duì)新型光纖聲發(fā)射傳感器，開發(fā)了聲發(fā)射源定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)程序中嵌入聲發(fā)射源定位算法，能夠及時(shí)準(zhǔn)確判斷聲發(fā)射源位置，提高測(cè)試效率。
　　其次，將光纖聲發(fā)射傳感器

4、埋藏在纖維復(fù)合材料層合板中，形成具有感知應(yīng)力波、識(shí)別聲發(fā)射源位置功能的智能纖維層合板，突破了傳統(tǒng)壓電聲發(fā)射傳感器體積大、不易埋藏在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的限制。結(jié)合商用壓電聲發(fā)射傳感器，對(duì)比測(cè)試了光纖聲發(fā)射傳感器對(duì)應(yīng)力波的幅頻響應(yīng)特性，證明新研制的光纖聲發(fā)射傳感器適用于低頻聲發(fā)射源監(jiān)測(cè)。該傳感器可以識(shí)別出具有波形特征的擴(kuò)展波(S0波)與彎曲波(A0波)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量出它們?cè)诓煌牧掀桨逯胁煌较虻膫鞑ニ俣龋瑸樽R(shí)別聲發(fā)射源位置提供信息。
　

5、　再次，研究了各向同性與各向異性材料平板的聲發(fā)射源定位方法，使用光纖聲發(fā)射傳感器及其源定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試與驗(yàn)證，包括聲發(fā)射源的線性定位和平面定位兩種方式。在研究聲發(fā)射源的線性定位方法中，將三個(gè)光纖聲發(fā)射傳感器以等間距線性陣列布局在纖維復(fù)合材料平板內(nèi)任意方向上，在無(wú)需應(yīng)力波傳播速度的前提下識(shí)別出聲發(fā)射源位置。將該方法應(yīng)用于長(zhǎng)為1.2 m的玻璃纖維風(fēng)機(jī)葉片模型，通過等間距的逐點(diǎn)測(cè)試，相對(duì)誤差不超過1.3％，驗(yàn)證了該線性定位方法較高的準(zhǔn)確

6、性。在研究聲發(fā)射源的平面定位方法中，使用代數(shù)算法對(duì)傳感器正方形布局測(cè)量的聲發(fā)射源坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示三個(gè)參量的代數(shù)算法在迭代運(yùn)算中易產(chǎn)生非線性誤差和非實(shí)數(shù)解。為解決以上缺點(diǎn)，建立了時(shí)間差為輸入的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。該算法適用于傳感器任意布局的源定位方法，具有較強(qiáng)的通用性。為削弱應(yīng)力波在各向異性的纖維復(fù)合材料中不同方向的傳播速度不一致對(duì)代數(shù)算法的影響，提出了傳感器菱形布局的源定位算法。該方法利用菱形兩個(gè)對(duì)角線方向的速度計(jì)算聲發(fā)射源位置

7、，實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射源在各向異性材料平板內(nèi)的高精度快速定位功能。
　　最后，使用落錘低速?zèng)_擊方法模擬冰雹和沙石等自然災(zāi)害和惡劣環(huán)境對(duì)碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行沖擊測(cè)試，應(yīng)用本文建立的光纖聲發(fā)射源定位系統(tǒng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的落錘沖擊源進(jìn)行定位研究。通過光纖聲發(fā)射傳感器的表面粘貼和埋藏兩種方式，準(zhǔn)確地識(shí)別出碳纖維復(fù)合材料層合板的沖擊源位置。分析預(yù)埋缺陷與沖擊損傷對(duì)聲發(fā)射源定位的影響程度，證明光纖聲發(fā)射傳感器陣列的測(cè)量結(jié)果與嵌入在源定位系統(tǒng)內(nèi)的代數(shù)算方