毕业设计翻译 马云栋

1、在碳纤维复合材料的冲击损伤检测使用布拉格光纤光栅浩津田，Nobuyuki富山，keiurabe和junjitakatsubo仪器仪表研究所，国家高级工业研究所科学与技术研究中心，筑波，筑波305-8568，日本摘要光纤超声波传感系统与光纤构建根据光的强度调制光栅从纤维反射的布拉格光栅传感器。这种光纤系统包括光纤布拉格光栅用于感测和滤波，宽带光源，以及相片探测器损坏监控使用光纤系统的可行性进行了研究。用产生的瞬态超声波兰姆波压电陶瓷脉冲发生器中交叉帘布层的碳化纤维与可见冲击损伤。光纤光栅传感器的拉姆响应波通过受损区域传播与基准进行比较响应于一个完整的区域。该响应信号的频率特性为了评价与损伤兰姆波

2、相互作用进行了分析。此外，进行使用压电陶瓷传感器兰姆波检测用光纤布拉格光栅传感器的响应进行比较。该实验结果表明，光纤光栅传感器媲美超声波检测和压电陶瓷传感器证明了光纤系统能有效地冲击损伤检测碳化纤维。1. 说明由于其高的比强度和刚度，在过去的十年中纤维增强塑料（FRP）有广泛用于航空航天结构材料和汽车上的应用。然而，玻璃钢有一个严重的缺点，即抗压强度患后显着减少从冲击损坏。出于这个原因，冲击损伤检测关键是要确保FRP结构的完整性。更多的注意力被应用在被称为智能结构的结构体系，其结构性条件是由内置传感器进行监测。最近，智能结构中的应用技术FRP已被广泛研究 1-2。该结构健康状态监测方法的内置传

3、感器可以被分类为两种类型：无源和有源传感诊断。无源遥感是一种监视任何改变单纯用无源传感器的结构状况。在过去的几年中，许多研究已进行在无源传感与声发射传感器或光纤传感器3-8。有源遥感是一个相当新的概念结构健康监测。有源传感系统包含脉冲发生器和传感器，以便它可以产生一个超声波，然后监视其响应,材料的损坏影响超声波的传播特性。因此，损伤的存在下，可确定当检测超声波信号偏离的参考信号未损坏的结构。Chang等人已经证明有源传感诊断结构健康效益911。虽然压电陶瓷（PZT）装置已经常规地用作超声波传感器，在主动感测系统, 使用光纤布拉格光栅（FBG的）作为超声波传感器是非常有吸引力的。这是因为光纤光栅

4、是重量轻，体积小且不受电磁干扰，此外，他们可以很容易地重复使用12-13。基于FBG超声波检测的一些研究已经被报道 14-18 。据作者所知，但是，应用FBG的主动感应几乎没有报道。在本研究中，对损伤检测用的有源传感系统与一个FBG传感器的可行性进行了研究。一个具有可见损伤的跨层碳纤维被用作试样进行监测。一个PZT传感器在试样中传播并将所得FBG传感器响应进行记录。在响应信号的行为上的损伤的影响进行了研究。此外，用压电传感器的超声波检测方法与用光纤光栅传感器的响应进行比较。2光纤布拉格光栅2.1 光纤光栅的工作原理 12-13 光纤光栅是折射率的周期性扰动，这种扰动是沿着芯的暴露所形成的纤维强

5、烈光学干涉图案。当宽带光传送到光纤光栅，一个窄带谱与反射一个中心波长称为布拉格波长，而其他波长的光被通过光纤向前传输。图1示出了与光纤光栅和光强度的光学系统分配系统。在所描绘的光学循环图1是仅在一个光透射的光学元件方向通过一系列端口。在图1的情况下，光可以从端口1到端口2和端口2至端口3，但不从端口2至端口1的布拉格波长，B由下式给出等式： (1)其中n和是分别光纤的有效折射率芯和光栅周期. 材料的折射率和光栅的光栅周期随温度和应变的光纤光栅进行。在布拉格波长的相对偏移，B，一个沿纤维轴的应用应变恒定温度下条件是由方程（2）：B = 0.787B在无应变的布拉格波长为1550 nm条件下，从以

6、上方程强加的应变为1%导致一个FBG的布拉格波长12.2 nm的转变。当移动中的布拉格波长为正时，光纤光栅是拉长。相反地，当光纤光栅被压缩，布拉格波长转移到负。光功率对波长可以用光学光谱测量仪（OSA）测量。因此，应变可以通过从光纤光栅反射光的连接，例如3端口图1所示，在OSA的输入。2.2 使用FBG超声波检测原理 在微应变范围内，超声波的传播会引起高速应变变化。采样率OSA的是几赫兹处的最大值。由于低采样率，OSA不能侦测高速应变的变化引起的超声波，这种波的频率范围从100千赫到几兆赫。具有波长强度转换技术的FBG传感器可以检测到高速应变变化。从FBG考虑反射的光进行到光学滤波器，其透射率

7、的变化与波长。然后，光的强度发射通过过滤器依赖于FBG的布拉格光栅。换言之，光的强度，通过所发射的滤波器取决于施加到FBG的应变。光强可用光电检测器来测量。响应频率的光电探测器通常是在10 MHz。因此，高速应变变化可以通过使用光检测器的光学滤波器的光传输的测量来检测强度。为了检测在微应变微妙的应变变化范围，光学滤波器必须满足严格的光学特性透过率的变化，一窄波长范围包括传感光纤光栅的布拉格波长。FBG似乎适合光学滤波器因为他们有尖锐的波长特性的全半最大值（FWHM）通常是小于0.5 nm。雷斯等人已经表明，利用光纤光栅作为光学滤波器，FBG传感器可以检测超声波 16 。 考虑在图2所示的光学系

8、统（a）,这个系统从FBG传感器反射的光被发送到另一FBG进行过滤。通过过滤器发送的光变换为与光检测器的电压信号。我们在这里假设在无应变的FBG传感器具有一个稍长布拉格光纤光栅滤波器的波长比。图2（b）显示光纤光栅滤波器的透射率和反射率的变化，光纤光栅传感器具有不同的应变应用于FBG传感器。图中的实和虚曲线分别表示的反射率FBG传感器和FBG滤光器的透射率的。从FBG反射的光强度传感器是由反射所包围的区域代表的曲线。另一方面，光可通过过滤器被发送，这种滤波器是由透射曲线所包围的区域所标示。因此，该区域传感器的反射率与过滤器的透射率重叠对应于光穿过FBG滤波器透射强度。图2（b）表示面积阴影，当

9、传感器波长C被压缩，布拉格波长由光纤光栅传感器转移到更短。然后重叠区域减小，从而使通过所发射的过滤器的光的强度降低。当FBG传感器是细长的，布拉格波长向长波长移动T.重叠地区发展和传播的光的强度过滤器的增加。因此，使用图2所示的光学系统（a），超声波可以被检测。3.实验过程 实验装置采用的是如图3所示的，监测材料为290×190×1立方毫米碳纤维强化的环氧树脂层压板（T800H/3631），它的纤维体积分数为60，堆叠顺序为0/902S。可见，此层包含椭圆形65×15平方毫米通过球滴在冲击能量引入损坏7.35 J. 其中，图4显示了试样的破坏区在分裂和分层重叠使用

10、的为anASElight源（NTT-AT，ABF-03），宽带光的波长范围为1520至1620年纳米，这种光是经由光循环器传导到FBG传感器。光从传感器反射的逆行通过光循环，然后前往一个FBG滤波器。光传输通过过滤器使用被转换成电压信号的光电探测器（Thorlabs公司，PDA400）。 FBG传感器是附着在碳纤维复合材料的，使用粘合剂应变的表面仪表。在无应力状态，两个光纤光栅用于感测和过滤的光栅为10毫米长，约0.2纳米的FWHM和他们的布拉格波长，分别为1550.183和1550.173 纳米。波长特性的传感器和滤波器示于图5。超声波传播的薄板被称为兰姆波，对于该板的平面，可从位移分类成两

11、种模式：对称波被称为S模式和非对称波被称为A模式。在过去的研究中，我们报道了FBG传感器比模式波 19 对模式波更敏感。APZT换能器（的Panametrics，V-150），其生成S模式波被用作在本次研究，这种冲发生器的超声波脉冲器的直径为30毫米，其标准频率250千赫。兰姆波传播的特征在于试样厚度的乘积和激发的频率。只有所谓的S0波根本S模式的波传播时的乘积小于1兆赫毫米20。该产品是在0.25兆赫毫米条件实验的，使得试样仅有S0波传播。脉冲发生器（PAC，C-发出的信号秒杀101-HV）是输入到脉冲发生器的PZT和瞬态兰姆波生成的。该PZT脉冲被放在两个地方，其中产生的Lamb波通过受损

12、区域或只有到达FBG传感器之前完整的区域。从FBG传感器到PZT脉冲发生器的距离为105毫米。在采样率100 MHz下，光纤光栅的响应信号被记录了，数据采集512次。兰姆波的常规检测是由PZT传感器完成。为了与FBG传感器响应的比较，用压电传感器兰姆波进行检测。压电陶瓷传感器是相同的PZT换能器，它作为脉冲发生器被连接到光纤光栅传感器已连接的同一地点。PZT传感器信号是在相同的条件FBG传感器信号被记录下来。4.实验结果4.1光纤光栅传感器瞬态Lamb波的响应 随着脉冲信号，光纤光栅传感器Lamb波瞬态的响应传播是通过完整的或受损的区域，如图6所示。一个定义明确的反应证明了Lamb波通过完整区

13、域传播。应答信号后的尖峰信号为13.6s，输入到压电脉冲，第一周期为5.9S，波速S0，V，给出方程（3） 21 ：其中E和分别为是杨氏模量和密度。该CFRP的单向性和密度采用于表122。杨氏模量的交叉帘布的标本估计是从混合的规则83.1京帕。使用等式（3）所示，在完整的区S0波速为7270毫秒-1。然后预测距离S013.6S，波传播的距离约100毫米，其中与105毫米脉冲传感器间隔相同。这明确的反应证明了对应的S0波到达。在完整的地区，通过受损的区域，响应的瞬态兰姆波的传播，展示了三种不同的特征。首先，在初始响应轻微增加幅度从11.6微秒开始，比在完好区域的初始响应，这是2微秒较早开始的。第

14、二，在响应信号中周期的第一个周期将增加近一倍至12.4微秒。第三，响应信号的强度减弱，几乎是一半。最后两个不同特征的结果是从波的损伤引起的色散和衰减。在这里，我们考虑为什么响应兰姆波通过受损面积传播起步较早。如图所示，在图4中，分层蔓延到受损区域。该0层是从90层分离。因此，兰姆波受损区域内的波传播，预计分成0和90层。在0层波速和90层由方程估算（3）分别为10020和2350米-1。然后，在最短的时间到达，由公式（4）等式的第一项和第二项（4）对应分别通过受损区域和完好区域的其余部分。预测到达时间与11.6微秒的初始响应时间相吻合。由此可以推断，因此，11.6微秒的小的反响将对应于在S0波

15、通过0层中传播到达受损区域。注意响应的极性。正如在2.2节所解释的，FBG传感器是否被拉长或压缩可以从反应的极性发现。该响应信号瞬态兰姆波呈正增长的。在本实验中，与该过滤器相比传感器具有更长的布拉格波长。这是相同的布拉格波长条件如图2所示，其中的光的强度通过过滤器增加传输时的FBG传感器被拉长。因此，通过瞬态Lamb波的第一个到来时光想光栅传感器必须已经拉长。图7显示了频率域表示响应信号的第一周期期间。最高亮度分量统一了各项强度的分量。最大频率响应于完整区域和受损区域部件分别是150和90千赫。该3dB带宽范围分别是从80到240千赫和50至160千赫。与在完整的区域的反应比较，通过传播的兰姆

16、波响应受损区域具有窄和更低的频率特性。4.2 PZT传感器的响应 脉冲发生器信号和相应的PZT传感器响应是如图8所示。传播到兰姆波的响应通过完整的面积的周期为11.9微秒和第一周期是7.7微秒。另一方面，响应于通过受损区域兰姆波的传播开始是从9.8微秒，周期幅度显着增加，第一周期是14.8微秒。因为传感器尺寸的差异，初始响应的时间，第一次循环在PZT传感器响应期间不能简单地与那些FBG传感器响应比较。然而，下面应当指出。通过在兰姆波的传播的路线的差异，PZT传感器的所得反应表现出不同的行为。在观察到FBG传感器响应，特征响应行为是相同的。注意开始响应的兰姆波通过受损区域，其传播对应于兰姆波内传

17、递0层损坏的区域。该PZT传感器显示了一个不显眼的响应而FBG传感器显示了一个小而可辨响应。结果证明FBG传感器比兰姆波传递的0层受损区域更敏感。 在第一个周期期间PZT传感器响应的频率特性示图9所示。在对完整区域的最大响应频率分量和受损区域分别是130和80千赫。该-3dB带宽范围分别是从60到210千赫和40至130千赫。从FBG传感器观察，该PZT传感器应答特性在频率损害的影响上是相同的。从实验的结果上可以作为超声波传感器的光纤光栅与常规的PZT器件使用。5. 结论 超声检测的光纤光栅传感系统已经设计建造好。该系统应用于材料的有源传感诊断。压电脉冲产生的Lamb在CFRP中传播时会有冲击

18、损伤。光纤光栅传感器响应的瞬态兰姆波传播通过完整的区域或受损区域时被记录和分析。与完整的区域的参考响应相比，Lamb波传播通过受损区域的反应表现出不同的行为，有较小和较低的频率特性。实验结果表明，光纤光栅传感系统可在碳纤维复合材料的冲击损伤超声检测中比传统的压电传感器更有效。参考文献1 Chang F K 2002 Structural Health Monitoring (Boca Raton,FL: Chemical Rubber Company)2 Davis L P 2002 Proc. SPIE 4701 204253 Chang C C and Sirkis J 1997 Impa

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