一种复合材料在线健康监测系统和监测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种复合材料在线健康监测系统和监测方法。
【背景技术】
[0002] 纤维复合材料具有高强度、低密度、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优点，是理想的航空航 天结构件制造材料，目前已大量应用于航空航天飞行器，尤其在飞机结构件中，发挥着极其 重要的作用。例如，波音787和空客A350XWB飞机中复合材料用量已经超过50%，这其中大 部分是碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。
[0003] 飞机在长期飞行过程中，由于疲劳、腐蚀、材料老化以及高空环境变化等不利因素 的影响，不可避免地产生损伤积累，另外，一些突发事件，如鸟撞、飞石、冰雹、雷击等也会造 成复合材料结构件损伤积累和扩展，这种损伤积累和扩展具有隐蔽性，给飞机造成了极大 的安全隐患，甚至可能引发飞机坠毁等突发性严重事故，造成无法挽回的损失。
[0004] 1988年发生一起航空事故，由于飞机蒙皮与壁板连接位置多处疲劳开裂损伤，导 致在24000英尺高空中，机体上半部分脱落。
[0005] 大量军用及民用飞机在超过其设计寿命很多年的情况下仍在运营，飞机复合材料 的健康监测研究对于这类飞机尤为重要，对其进行健康监测以确保安全运营，在一定程度 上延长了飞机的安全使用寿命。此外飞机复合材料健康监测不仅能满足乘客的安全感和舒 适感，增加飞机结构的功能性、智能性和灵活性，而且能够降低维修和检测的费用。
[0006] 常规复合材料健康监测主要是一些无损探伤方案，包括射线、超声、红外、涡流、微 波、激光全息照相技术、目视检测等。这些传统无损检测方法的特点是离线、静态、被动的。 到目前为止，受多方面技术和传感器条件的制约，我国尚未出现机载状态下对飞机载荷进 行长期（一个大修周期以上）监测的应用案例。
[0007] 金属应变片、应变线等虽然可以对复合材料做到一定的在线监测，然而这些传感 器在遭受外界雷击、冰雹、飞石等冲击后极易损毁，并且测量繁琐、易受电磁干扰，寿命短。 鉴于复合材料损伤多样化，以及应力或环境因素产生损伤在积累到一定程度以后会迅速扩 展而导致结构失效，使复合材料在线监测充满了挑战。传统健康监测旨在发现缺陷的位置、 大小等，而在线对复合材料的剩余强度进行评价，以及在局部强度评价的基础上，判断复合 材料整体的安全性的研究较少。
【发明内容】
[0008] 本发明为了解决上述问题，提出了一种复合材料在线健康监测系统和监测方法， 该方法解决复合材料难以长期在线监测的问题，实现对复合材料的在线健康监测，计算复 合材料的剩余强度，并对复合材料的安全性和剩余使用寿命进行预估。
[0009] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0010] 一种复合材料在线健康监测系统，包括光纤光栅解调仪、光纤耦合器、处理器和双 引线阵列式光纤光栅对传感器，其中，光源发出光信号，光信号经过光纤分为两路，分别通 过一个光纤耦合器传输到双引线阵列式光纤光栅对传感器的两端，形成两个兼具激光入射 和反射的端口，双引线阵列式光纤光栅对传感器中所有的光纤光栅均预埋设于复合材料内 部，光信号与光纤光栅相互作用后，反射光经过光纤耦合器进入光纤光栅解调仪，光纤光栅 解调仪连接处理器，处理器调用复合材料损伤数据库，分析复合材料的损伤类型、程度及其 分布，建立三维模型，输出复合材料的损伤分布，通过有限元分析计算复合材料剩余强度， 评估复合材料的健康情况。
[0011] 所述处理器包括光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库模块、CAD建模模 块、CAE有限元分析模块、复合材料健康整体评估模块和显示输出模块，其中，所述光纤光栅 信号解析模块，用于解析光纤光栅解调仪采集的信号；所述复合材料损伤数据库模块，用于 存储复合材料损伤数据；所述CAD建模模块，用于建立复合材料的三维模型，输出复合材料 的损伤分布；所述CAE有限元分析模块，用于计算复合材料剩余强度；所述复合材料健康整 体评估模块，用于根据复合材料的损伤分布和剩余强度，评估复合材料的健康情况；所述显 示输出模块，用于显示复合材料的三维模型和健康情况。
[0012] 所述双引线阵列式光纤光栅对传感器中的每个光纤光栅对都包括两条双引线阵 列式光纤光栅：一条温度光纤光栅和一条应变光纤光栅，温度光纤光栅用来测量温度，应变 光纤光栅用来测量应变；温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅平行、相邻排列，双引 线阵列式温度光纤光栅中的每个温度光栅单元与双引线阵列式应变光纤光栅的每个应变 光栅单元一一对应，从而使温度光纤和相邻的应变光纤组成了一个双引线阵列式光纤光栅 对。
[0013] 所述光源内置于光纤光栅解调仪内，产生连续调频激光，激光信号通过引线进入 光纤光栅，形成稳定的反射信号。
[0014] 所述双引线阵列式光纤光栅对传感器为双引线结构，每条光纤光栅都有两条引线 相连，每个光栅单元都有两条光路。在使用过程中若光纤意外断裂，只要光栅还有一条引线 与外部检测系统连接，就可以保持光纤通路，保证光纤光栅的存活和检测信号的传递，提高 了该监测系统的稳定性，是进行长期在线健康监测的保证。
[0015] 所述双引线阵列式光纤光栅对，优选包层直径35-45微米甚至更细径的光纤制作 阵列式光纤光栅，更细直径的光栅可以更大程度地减少光纤包埋对复合材料强度和刚度的 影响。
[0016] 所述双引线阵列式温度光纤、双引线阵列式应变光纤都包括多个刻有不同中心波 长的光栅单元，优选为6-16个光栅单元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元，多条 刻制了多个光栅的光纤可构成光纤光栅阵列。
[0017] 所述双引线阵列式光纤光栅监测复合材料服役过程的应变和温度变化，对疲劳、 裂纹、应力集中、雷击、鸟撞、冰雹、飞石等损伤模式都能有效监测。
[0018] 所述光纤耦合器为光纤光栅信号耦合器，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。
[0019] 所述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 方案，实现信号快速解调，满足健康监测需要，可以快速解调复合材料在疲劳、腐蚀、鸟撞、 雷击、热震等多种条件下的光栅信号。
[0020] 所述激光光源、光纤耦合器、光纤光栅传感器均通过光纤连接，光纤光栅解调仪和 光纤耦合器通过光纤连接，传输信号为光信号，光纤光栅解调仪和处理器通过数据线连接， 传输信号为数字信号。
[0021] 一种复合材料在线健康监测的方法，包括以下步骤：
[0022] (1)选择光纤刻制光栅，每条光纤刻制多个光栅单元，并对每个光栅单元编号，弓丨 线分别从传感器两端引出，形成双引线光纤光栅串，并对光栅的温度系数标定；
[0023] (2)选择两条光纤光栅组建光纤光栅对，一条光纤光栅用于测量温度，标记为T， 另一条光纤光栅测量应变，标记为S，标记T的光栅均外套套管，管口胶封；
[0024] (3)在复合材料固化成型前，在复合材料中根据需要按照一定的间距铺设m组光 纤光栅对，并给光纤对编号，构成双引线阵列式光纤光栅对传感器；
[0025] (4)复合材料固化成型后，把每条光纤光栅传感器的两端引线分别连接光纤耦合 器的对应端口，光纤耦合器通过光纤接入光纤光栅解调仪，光纤光栅解调仪通过数据线连 接处理器，处理器解析光纤光栅解调仪采集的信号，求解复合材料温度、应变和应力；
[0026] (5)建立复合材料的三维模型，输出复合材料的损伤分布，利用有限元分析计算复 合材料剩余强度，判断复合材料是否出现损伤，如若出现损伤，判断损伤位置及损伤类型， 输出损伤，计算复合材料剩余强度，进而评价复合材料健康程度。
[0027] 所述步骤（1)中，双引线光纤光栅传感器采用细直径光纤，引线分别从光纤光栅 两端引出，光纤刻有多个不同中心波长的光栅单元，光栅单元的中心波长从一侧到另一侧 逐渐增加，光栅单元通常按照等长度、等间距来刻制。
[0028] 所述步骤（2)中，光纤光栅对是由一条温度测量光栅T和一条应变测量光栅S组 成的，两条光纤光栅平行，保证温度光纤的光栅单元T kl和应变光纤的光栅单元S kl位置对 应。
[0029] 所述步骤（3)中，光纤对的铺设方向与紧邻的复合材料纤维铺层角度保持相同， 组成双矩阵光纤光栅传感器，温度光栅构成温度矩阵T[mXn]，应变光栅构成应变矩阵 S[mXn] 〇
[0030] 所述步骤（4)中求解复合材料温度的过程为：
[0031] 在一组光纤光栅对中，对温度光栅和应变光栅标定，设标定后温度光栅和应变光 栅的中心波长和温度拟合关系如下：
[0032]
[0033]
[0034] 其中，λ BT1为温度光栅在温度标定情况下的中心波长；λ BT2