用于复合材料损伤非线性超声检测的光纤传感器特性研究

Non destructive testing (NDT) of the internal damages of carbon fiber reinforced plastics is crucial to enhance the safety of aeronautic and astronautic crafts. Because conventional optical fiber grating sensors is difficult to achieve the ultrasonic NDT of the matrix cracks in composite materials, the society urgently needs the innovation of optical fiber sensing theories and techniques. The applicant proposed a phase-shifted fiber Bragg grating sensor with high sensitivity and broad bandwidth, which is promising to be the pioneer sensor in the world to accomplish nonlinear ultrasonic Lamb wave testing, and subsequently to evaluable matrix cracks. This project aims to explore the theory of the interactions among matrix crack, acoustic field and fiber Bragg grating, investigate the correlation mechanism among material health status, ultrasonic nonlinear coefficient and grating spectrum shift, and propose a novel concept of applying the high-performance optical grating sensing system for fulfilling nonlinear ultrasonic health monitoring of composite. Finally, models based on finite element method will be established, nonlinear Lamb wave will be detected by a phase-shift fiber Bragg grating based sensing system. The signals after data process will reflect the size and number of the matrix cracks, and be used to evaluate the health status of the composite. The investigation on properties of the novel optical fiber sensor for nonlinear ultrasonic testing of composite materials, as a revolutionary research, will be a synergy of powerful sensing technique and composite NDT technique, expecting to solve considerable fundamental problems in the field of material evaluation, and thus to enhance the safety of aeronautic and astronautic crafts.

碳纤维增强复合材料内部损伤的检测对于提高航空航天器的安全性能非常重要。普通光纤光栅传感器难以实现复合材料基底裂纹的无损探伤，因此急需在光纤传感理论和技术上有所创新。申请人提出具有高灵敏度和大超声带宽特性的相移光纤光栅传感器，有望在国际上首次实现非线性兰姆波的探测并进而评估复合材料内部的基底裂纹。此项目将探索基底裂纹——声场——光纤光栅的作用原理，研究材料健康状态——超声非线性参数——光谱变化的关联机制，提出使用相移光纤光栅传感器来实现复合材料的非线性超声探伤这一概念。最终建立起有限元分析模型，使用基于相移光纤光栅的传感设备来探测非线性兰姆波，结合信号处理以反映基底裂纹的大小和数量，并评估复合材料的健康状态。此研究将传感技术和材料探伤有机结合起来，全面研究用于复合材料损伤非线性超声检测的光纤传感器的特性，大幅提高光纤传感性能，以期解决材料探伤的关键难题，提高航空航天器的安全性。

碳纤维增强复合材料内部损伤的检测对于提高航空航天器的安全性能非常重要。普通光纤光栅传感器难以实现复合材料基体裂纹等微小损伤的探测，因此急需在光纤传感理论和技术上有所创新。课题组详细研究了相移光纤光栅的短有效栅长特性，阐明了该光栅提高应变测量空间分辨率和超声测量带宽的机理；结合平衡解调和闭环反馈控制，研发了灵敏度高、带宽大和稳定性好的传感系统；并针对超声探伤的需求对系统进行了优化，实现了应变/温度/超声多物理量探测，全角度敏感应变花超声探测和线形超声阵列探测。基于上诉创新的传感系统，课题组分别对金属材料和复合材料进行了非线性超声探测。探测到的二次谐波频率达到兆赫兹，幅值小于基波三个数量级。同时，建立了超声兰姆波受金属疲劳裂纹和复合材料基体裂纹影响的有限元模型，阐明了主导超声面内应变非线性成分增加的是微裂纹的呼吸作用而非材料的塑性破坏。通过小波变换等数据处理算法对光栅探测的兰姆波面内超声应变成分进行了模式分析和幅值提取，探测的相对非线性超声参数的增长表征了疲劳试验下铝板裂纹的长度和三点弯曲实验下复合材料基体裂纹的数目，理清了光栅布拉格波长漂移——相对超声非线性参数增加——材料微裂纹状态的关联机制。另外，还研究了输入超声频率和周期以及传感器位置排布对非线性超声探测特性的影响，指出适当提高频率可增加非线性参数对裂纹表征的敏感性。上述相移光纤光栅非线性超声探伤结果都通过对比传统压电陶瓷传感器的实验结果进行了充分的验证。本研究将传感技术和材料探伤有机结合起来，全面研究了用于复合材料损伤非线性超声检测的光纤传感器的特性，大幅提高了光纤超声传感性能，为材料微损伤的探测提供了新的解决方案。开发的声—光评测手段可应用于高端复合材料的损伤评测和失效机理研究，有助于提高航空航天器的安全性。