新型光纖傳感器及其在纖維復合材料的聲發(fā)射源定位研究.pdf

1、隨著纖維增強復合材料在航空航天、交通運輸、能源、航海與軍事等領域的廣泛應用，復合材料的結構健康監(jiān)測也引起科研人員的廣泛重視。傳統(tǒng)的無損檢測技術已無法實時監(jiān)測復合材料結構服役期間因受靜、動載荷，疲勞而產生的損傷和破壞，亟待開發(fā)新技術實現先進復合材料結構的在線健康監(jiān)測。聲發(fā)射技術作為一種現代新興的無損檢測技術，與傳感器技術、測量技術、信號采集與分析處理等多種技術相融合，在無損檢測領域中具有廣闊的應用前景。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，而且因為體積大而不適合埋藏于纖維復合材料結構中。本文研制了一種可埋藏在纖維復合材料結構內的新型光纖聲發(fā)射傳感器，將其應用于各向異性復合材料平板結構的聲發(fā)射源定位研究，主要內容如下：
　　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。該傳感器采用細小的毛細玻璃管封裝，易埋藏于纖維復合材料結構中。從振動力學角度分析了傳感器的振動特性，指出封裝管對傳感器內耦合光纖的預拉伸力是影響傳感器對應力波響應的

3、主要因素。利用光波導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應力波的敏感特性之間的關系。根據電子顯微鏡測量傳感器內部光纖的細觀結構尺寸，使用有限差分光束傳輸法模擬光纖傳感器中光波導的傳輸特性，仿真結果為提高傳感器的靈敏度提供參考。針對新型光纖聲發(fā)射傳感器，開發(fā)了聲發(fā)射源定位監(jiān)測系統(tǒng)。在監(jiān)測系統(tǒng)程序中嵌入聲發(fā)射源定位算法，能夠及時準確判斷聲發(fā)射源位置，提高測試效率。
　　其次，將光纖聲發(fā)射傳感器

4、埋藏在纖維復合材料層合板中，形成具有感知應力波、識別聲發(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、不易埋藏在復合材料結構中的限制。結合商用壓電聲發(fā)射傳感器，對比測試了光纖聲發(fā)射傳感器對應力波的幅頻響應特性，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。該傳感器可以識別出具有波形特征的擴展波(S0波)與彎曲波(A0波)，通過實驗測量出它們在不同材料平板中不同方向的傳播速度，為識別聲發(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)測系統(tǒng)進行了測試與驗證，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，將三個光纖聲發(fā)射傳感器以等間距線性陣列布局在纖維復合材料平板內任意方向上，在無需應力波傳播速度的前提下識別出聲發(fā)射源位置。將該方法應用于長為1.2 m的玻璃纖維風機葉片模型，通過等間距的逐點測試，相對誤差不超過1.3％，驗證了該線性定位方法較高的準確

6、性。在研究聲發(fā)射源的平面定位方法中，使用代數算法對傳感器正方形布局測量的聲發(fā)射源坐標進行計算。實驗結果顯示三個參量的代數算法在迭代運算中易產生非線性誤差和非實數解。為解決以上缺點，建立了時間差為輸入的BP神經網絡算法。該算法適用于傳感器任意布局的源定位方法，具有較強的通用性。為削弱應力波在各向異性的纖維復合材料中不同方向的傳播速度不一致對代數算法的影響，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對角線方向的速度計算聲發(fā)射源位置

7、，實現了聲發(fā)射源在各向異性材料平板內的高精度快速定位功能。
　　最后，使用落錘低速沖擊方法模擬冰雹和沙石等自然災害和惡劣環(huán)境對碳纖維復合材料進行沖擊測試，應用本文建立的光纖聲發(fā)射源定位系統(tǒng)對碳纖維復合材料的落錘沖擊源進行定位研究。通過光纖聲發(fā)射傳感器的表面粘貼和埋藏兩種方式，準確地識別出碳纖維復合材料層合板的沖擊源位置。分析預埋缺陷與沖擊損傷對聲發(fā)射源定位的影響程度，證明光纖聲發(fā)射傳感器陣列的測量結果與嵌入在源定位系統(tǒng)內的代數算方