[發明專利]一種用啁啾光柵定位碳纖維復合材料橫向裂紋的方法

無效

• 申請號: 200910010458.4
• 申請日: 2009-02-26
• 公開（公告）號: CN101819160A
• 公開（公告）日: 2010-09-01
• 發明（設計）人: 盧少微;王柏臣;陳平
• 申請（專利權）人: 沈陽航空工業學院
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88;G01N21/55
• 代理公司: 沈陽維特專利商標事務所 21229
• 代理人: 甄玉荃

技術領域

本發明涉及一種無損檢測方法，尤其是一種用啁啾光柵定位碳纖 維復合材料橫向裂紋的方法，屬于材料科學領域。

背景技術

碳纖維復合材料在服役過程中易產生裂紋、纖維斷裂、分層等多 形式的損傷，其中非軸向層的橫向裂紋是最易發生的一種損傷模式， 當橫向裂紋密度增加到一定程度會誘發分層等其他損傷模式的產生， 最終導致結構失效。為保證結構安全，需要一種有效的結構健康監測 技術，使裂紋累計在尚未達到威脅結構安全之前就能夠實時監測復合 材料結構的裂紋產生及擴展情況，保證其安全運行。傳統復合材料無 損監測方法成本較高、設備復雜且難以實現在線監測。

光纖FBG光柵因其具有直徑小、柔韌易彎曲、抗電磁干擾、優良的 可埋入性、波分時分復用和分布式傳感等優點，成為智能材料與結構 的首選傳感方式。FBG光柵傳感器是一種通過布拉格反射波長的移 動來感應外界微小應變變化的敏感元件，具有對結構應力、應變進行 高精度絕對測量和準分布式數字測量的優點。

線形啁啾光柵是非均勻光纖光柵的一種，其柵格周期沿纖芯軸向 單調、連續、線性變化。一根線性啁啾光柵可看作是柵格周期各不相 同的多個光柵微元相連而成，各光柵微元對不同波長的光進行選擇性 反射。整個光柵的反射譜可以看作各個微元反射作用的總和，表現為 其反射譜具有一定的寬度。其反射譜波長與光柵位置是一一對應的， 所以當光柵所處位置的應變場發生變化時，啁啾光柵反射光譜變化與 光柵位置是一一對應的，啁啾光柵反射光譜可表示為沿光柵位置的函 數。所以復合材料裂紋的位置和擴展可通過與啁啾光柵相對應的波長 處反射光譜局部光強的下降來進行確定的。

發明內容

針對上述現有技術的不足，本發明在復合材料應力集中部位埋入 啁啾光柵傳感器，通過實時監測光柵反射光譜的變化情況，實現對復 合材料內部裂紋的準確定位監測，從而為復合材料結構的疲勞評估和 安全使用奠定了基礎。

為實現上述目的，本發明采用的技術方案是：一種用啁啾光柵定 位碳纖維復合材料橫向裂紋的方法，其步驟如下：

(1)制作碳纖維復合材料正交層板，其鋪層次序為[0°₂/90°₄/0°₂]， 啁啾光柵傳感器被埋入碳纖維復合材料正交層板2的0°層內，與90°層 相鄰。

(2)啁啾光柵傳感器通過光纖和耦合器相連，然后耦合器通過 光纖和寬帶光源相連，耦合器通過光纖和光纖傳感分析儀相連，光纖 傳感分析儀通過普通數據線和計算機分析系統相連。

(3)恒溫條件下，碳纖維復合材料正交層板的試件在準靜態拉 伸試驗中，利用光纖傳感分析儀監測啁啾光柵反射光譜，然后輸入計 算機分析系統。

(4)在坐標系中調整啁啾光柵長度與埋入前的啁啾光柵反射光 譜的FWQM(帶寬)相一致，此時啁啾光柵反射光譜中，光強(反 射率)下降的點對應的波長位置及波長對應的光柵位置，就是復合材 料90°層內橫向裂紋產生的位置。

本發明方法簡單，成本低廉，可以實時檢測出碳纖維復合材料中 的橫向裂紋。

附圖說明

圖1為本發明的工作原理簡圖。

具體實施方式

在圖1中，符號1代表啁啾光柵傳感器；符號2代表復合材料正 交層板；符號3代表耦合器；符號4代表光纖；符合5代表寬帶光源； 符號6代表光纖傳感分析儀；符號7代表計算機分析系統。

如圖1所示：一種用啁啾光柵定位碳纖維復合材料橫向裂紋的方 法，其步驟如下：

(1)制作碳纖維復合材料正交層板2，其鋪層次序為 [0°₂/90°₄/0°₂]，啁啾光柵傳感器1被埋入碳纖維復合材料正交層板2 的0°層內，與90°層相鄰。

(2)啁啾光柵傳感器1通過光纖4和耦合器3相連，然后耦合 器3通過光纖4和寬帶光源5相連，耦合器3通過光纖4和光纖傳感 分析儀6相連，光纖傳感分析儀6通過普通數據線和計算機分析系統 7相連。

(3)恒溫條件下，碳纖維復合材料正交層板2的試件在準靜態 拉伸試驗中，利用光纖傳感分析儀6監測啁啾光柵反射光譜，然后輸 入計算機分析系統7。