复合材料缺陷的压电-光纤混合传感器兰姆波检测方法研究

压电－光纤混合传感器因能综合发挥传感器各自的优势而在大型复合材料结构的兰姆波检测中得以发展。本项目采用PZT发射、（F-P或FBG）光纤传感器接收的兰姆波检测系统，应用解析法和数值法，深入研究有、无缺陷（如脱层）情况下层状复合材料板中超声兰姆波传播的频散特性，探索频率、板厚变化等对兰姆波频散特性的影响，分析兰姆波各较低阶模式在复合材料板中的位移和应力分布；考察影响光纤传感器（F-P或FBG）超声兰姆波传感信号灵敏度的因素；发展有效的信号处理方法提取兰姆波信号的特征。研究兰姆波模式信号的激发、传播、频散特性以及光纤传感器对兰姆波信号的最佳接收。根据以上研究结果，确定评价复合材料缺陷的最佳兰姆波模式及其相关参量，提出高灵敏度光纤超声兰姆波传感的理论和测试方案，建立不依赖于温度变化的复合材料缺陷评价指标，为压电－光纤混合传感器在复合材料缺陷兰姆波无损检测中的实际应用提供理论支撑。

压电-光纤混合传感器因能综合发挥传感器各自的优势而在大型复合材料结构的兰姆波无损检测中得以发展。本项目采用PZT发射、光纤传感器接收的超声兰姆波检测系统，提出高灵敏度兰姆波光纤传感的理论和测试方案，取得了一系列具有理论和实际价值的基础性研究成果。主要包括：①建立了光纤传感器超声兰姆波检测的理论模型，考察了影响超声兰姆波传感信号灵敏度的因素，为优化光纤传感器兰姆波测试系统提供理论依据；②谱有限元法分析层状各向异性复合材料板中兰姆波的频散特性和波结构，确定评价复合材料缺陷的最佳兰姆波模式及其相关参量（如频率和波长）；③有限元数值模拟兰姆波在含脱层损伤复合材料板中的传播，观察到了兰姆波遇缺陷所发生的反射、衍射以及模式转换现象；④采用匹配追踪方法有效去除兰姆波检测信号中的冗余信息和识别多个模态，改善了兰姆波特征信息的清晰度和特征提取的精度；⑤超声激励下光纤光栅传感体应变状态的仿真研究，为实验中传感体布置提供了指导；⑥研究了温度对兰姆波传播幅度的影响，得出的结论是：温度不影响两个基本模式幅度随频率变化的总体趋势，仅仅影响某一频率点的幅度大小，并且这种影响是很小的，实验中可不予考虑；⑦含脱层损伤复合材料的光纤传感器兰姆波检测的理论和实验研究。综合复合材料层压板中基于PZT的兰姆波发射和光纤布拉格（FBG）传感的兰姆波检测，构建了一个工况监测无损评价系统，将该系统用于探测正交铺设的碳纤维增强(CFRP)复合材料板中的脱层损伤。因为脱层的存在, 导致接收波形中出现新的模式。实验结果表明：采用新模式的到达时间作为指标，能够定量地评价复合材料层压板中脱层损伤的长度。本项目的研究成果为压电-光纤混合传感器在复合材料缺陷兰姆波无损检测中的实际应用提供了理论支撑。