畢業(yè)設計翻譯 馬云棟

1、在碳纖維復合材料的沖擊損傷檢測使用布拉格光纖光柵浩津田，Nobuyuki富山，keiurabe和junjitakatsubo儀器儀表研究所，國家高級工業(yè)研究所科學與技術研究中心，筑波，筑波305-8568，日本摘要光纖超聲波傳感系統(tǒng)與光纖構建根據(jù)光的強度調制光柵從纖維反射的布拉格光柵傳感器。這種光纖系統(tǒng)包括光纖布拉格光柵用于感測和濾波，寬帶光源，以及相片探測器損壞監(jiān)控使用光纖系統(tǒng)的可行性進行了研究。用產生的瞬態(tài)超聲波蘭姆波壓電陶瓷脈沖發(fā)生器中交叉簾布層的碳化纖維與可見沖擊損傷。光纖光柵傳感器的拉姆響應波通過受損區(qū)域傳播與基準進行比較響應于一個完整的區(qū)域。該響應信號的頻率特性為了評價與損傷蘭姆波

2、相互作用進行了分析。此外，進行使用壓電陶瓷傳感器蘭姆波檢測用光纖布拉格光柵傳感器的響應進行比較。該實驗結果表明，光纖光柵傳感器媲美超聲波檢測和壓電陶瓷傳感器證明了光纖系統(tǒng)能有效地沖擊損傷檢測碳化纖維。1. 說明由于其高的比強度和剛度，在過去的十年中纖維增強塑料（FRP）有廣泛用于航空航天結構材料和汽車上的應用。然而，玻璃鋼有一個嚴重的缺點，即抗壓強度患后顯著減少從沖擊損壞。出于這個原因，沖擊損傷檢測關鍵是要確保FRP結構的完整性。更多的注意力被應用在被稱為智能結構的結構體系，其結構性條件是由內置傳感器進行監(jiān)測。最近，智能結構中的應用技術FRP已被廣泛研究 1-2。該結構健康狀態(tài)監(jiān)測方法的內置傳

3、感器可以被分類為兩種類型：無源和有源傳感診斷。無源遙感是一種監(jiān)視任何改變單純用無源傳感器的結構狀況。在過去的幾年中，許多研究已進行在無源傳感與聲發(fā)射傳感器或光纖傳感器3-8。有源遙感是一個相當新的概念結構健康監(jiān)測。有源傳感系統(tǒng)包含脈沖發(fā)生器和傳感器，以便它可以產生一個超聲波，然后監(jiān)視其響應,材料的損壞影響超聲波的傳播特性。因此，損傷的存在下，可確定當檢測超聲波信號偏離的參考信號未損壞的結構。Chang等人已經證明有源傳感診斷結構健康效益911。雖然壓電陶瓷（PZT）裝置已經常規(guī)地用作超聲波傳感器，在主動感測系統(tǒng), 使用光纖布拉格光柵（FBG的）作為超聲波傳感器是非常有吸引力的。這是因為光纖光柵

4、是重量輕，體積小且不受電磁干擾，此外，他們可以很容易地重復使用12-13。基于FBG超聲波檢測的一些研究已經被報道 14-18 。據(jù)作者所知，但是，應用FBG的主動感應幾乎沒有報道。在本研究中，對損傷檢測用的有源傳感系統(tǒng)與一個FBG傳感器的可行性進行了研究。一個具有可見損傷的跨層碳纖維被用作試樣進行監(jiān)測。一個PZT傳感器在試樣中傳播并將所得FBG傳感器響應進行記錄。在響應信號的行為上的損傷的影響進行了研究。此外，用壓電傳感器的超聲波檢測方法與用光纖光柵傳感器的響應進行比較。2光纖布拉格光柵2.1 光纖光柵的工作原理 12-13 光纖光柵是折射率的周期性擾動，這種擾動是沿著芯的暴露所形成的纖維強

5、烈光學干涉圖案。當寬帶光傳送到光纖光柵，一個窄帶譜與反射一個中心波長稱為布拉格波長，而其他波長的光被通過光纖向前傳輸。圖1示出了與光纖光柵和光強度的光學系統(tǒng)分配系統(tǒng)。在所描繪的光學循環(huán)圖1是僅在一個光透射的光學元件方向通過一系列端口。在圖1的情況下，光可以從端口1到端口2和端口2至端口3，但不從端口2至端口1的布拉格波長，B由下式給出等式： (1)其中n和是分別光纖的有效折射率芯和光柵周期. 材料的折射率和光柵的光柵周期隨溫度和應變的光纖光柵進行。在布拉格波長的相對偏移，B，一個沿纖維軸的應用應變恒定溫度下條件是由方程（2）：B = 0.787B在無應變的布拉格波長為1550 nm條件下，從以

6、上方程強加的應變?yōu)?%導致一個FBG的布拉格波長12.2 nm的轉變。當移動中的布拉格波長為正時，光纖光柵是拉長。相反地，當光纖光柵被壓縮，布拉格波長轉移到負。光功率對波長可以用光學光譜測量儀（OSA）測量。因此，應變可以通過從光纖光柵反射光的連接，例如3端口圖1所示，在OSA的輸入。2.2 使用FBG超聲波檢測原理 在微應變范圍內，超聲波的傳播會引起高速應變變化。采樣率OSA的是幾赫茲處的最大值。由于低采樣率，OSA不能偵測高速應變的變化引起的超聲波，這種波的頻率范圍從100千赫到幾兆赫。具有波長強度轉換技術的FBG傳感器可以檢測到高速應變變化。從FBG考慮反射的光進行到光學濾波器，其透射率

7、的變化與波長。然后，光的強度發(fā)射通過過濾器依賴于FBG的布拉格光柵。換言之，光的強度，通過所發(fā)射的濾波器取決于施加到FBG的應變。光強可用光電檢測器來測量。響應頻率的光電探測器通常是在10 MHz。因此，高速應變變化可以通過使用光檢測器的光學濾波器的光傳輸?shù)臏y量來檢測強度。為了檢測在微應變微妙的應變變化范圍，光學濾波器必須滿足嚴格的光學特性透過率的變化，一窄波長范圍包括傳感光纖光柵的布拉格波長。FBG似乎適合光學濾波器因為他們有尖銳的波長特性的全半最大值（FWHM）通常是小于0.5 nm。雷斯等人已經表明，利用光纖光柵作為光學濾波器，F(xiàn)BG傳感器可以檢測超聲波 16 。 考慮在圖2所示的光學系

8、統(tǒng)（a）,這個系統(tǒng)從FBG傳感器反射的光被發(fā)送到另一FBG進行過濾。通過過濾器發(fā)送的光變換為與光檢測器的電壓信號。我們在這里假設在無應變的FBG傳感器具有一個稍長布拉格光纖光柵濾波器的波長比。圖2（b）顯示光纖光柵濾波器的透射率和反射率的變化，光纖光柵傳感器具有不同的應變應用于FBG傳感器。圖中的實和虛曲線分別表示的反射率FBG傳感器和FBG濾光器的透射率的。從FBG反射的光強度傳感器是由反射所包圍的區(qū)域代表的曲線。另一方面，光可通過過濾器被發(fā)送，這種濾波器是由透射曲線所包圍的區(qū)域所標示。因此，該區(qū)域傳感器的反射率與過濾器的透射率重疊對應于光穿過FBG濾波器透射強度。圖2（b）表示面積陰影，當

9、傳感器波長C被壓縮，布拉格波長由光纖光柵傳感器轉移到更短。然后重疊區(qū)域減小，從而使通過所發(fā)射的過濾器的光的強度降低。當FBG傳感器是細長的，布拉格波長向長波長移動T.重疊地區(qū)發(fā)展和傳播的光的強度過濾器的增加。因此，使用圖2所示的光學系統(tǒng)（a），超聲波可以被檢測。3.實驗過程 實驗裝置采用的是如圖3所示的，監(jiān)測材料為290×190×1立方毫米碳纖維強化的環(huán)氧樹脂層壓板（T800H/3631），它的纖維體積分數(shù)為60，堆疊順序為0/902S?？梢姡藢影瑱E圓形65×15平方毫米通過球滴在沖擊能量引入損壞7.35 J. 其中，圖4顯示了試樣的破壞區(qū)在分裂和分層重疊使用

10、的為anASElight源（NTT-AT，ABF-03），寬帶光的波長范圍為1520至1620年納米，這種光是經由光循環(huán)器傳導到FBG傳感器。光從傳感器反射的逆行通過光循環(huán)，然后前往一個FBG濾波器。光傳輸通過過濾器使用被轉換成電壓信號的光電探測器（Thorlabs公司，PDA400）。 FBG傳感器是附著在碳纖維復合材料的，使用粘合劑應變的表面儀表。在無應力狀態(tài)，兩個光纖光柵用于感測和過濾的光柵為10毫米長，約0.2納米的FWHM和他們的布拉格波長，分別為1550.183和1550.173 納米。波長特性的傳感器和濾波器示于圖5。超聲波傳播的薄板被稱為蘭姆波，對于該板的平面，可從位移分類成兩

11、種模式：對稱波被稱為S模式和非對稱波被稱為A模式。在過去的研究中，我們報道了FBG傳感器比模式波 19 對模式波更敏感。APZT換能器（的Panametrics，V-150），其生成S模式波被用作在本次研究，這種沖發(fā)生器的超聲波脈沖器的直徑為30毫米，其標準頻率250千赫。蘭姆波傳播的特征在于試樣厚度的乘積和激發(fā)的頻率。只有所謂的S0波根本S模式的波傳播時的乘積小于1兆赫毫米20。該產品是在0.25兆赫毫米條件實驗的，使得試樣僅有S0波傳播。脈沖發(fā)生器（PAC，C-發(fā)出的信號秒殺101-HV）是輸入到脈沖發(fā)生器的PZT和瞬態(tài)蘭姆波生成的。該PZT脈沖被放在兩個地方，其中產生的Lamb波通過受損

12、區(qū)域或只有到達FBG傳感器之前完整的區(qū)域。從FBG傳感器到PZT脈沖發(fā)生器的距離為105毫米。在采樣率100 MHz下，光纖光柵的響應信號被記錄了，數(shù)據(jù)采集512次。蘭姆波的常規(guī)檢測是由PZT傳感器完成。為了與FBG傳感器響應的比較，用壓電傳感器蘭姆波進行檢測。壓電陶瓷傳感器是相同的PZT換能器，它作為脈沖發(fā)生器被連接到光纖光柵傳感器已連接的同一地點。PZT傳感器信號是在相同的條件FBG傳感器信號被記錄下來。4.實驗結果4.1光纖光柵傳感器瞬態(tài)Lamb波的響應 隨著脈沖信號，光纖光柵傳感器Lamb波瞬態(tài)的響應傳播是通過完整的或受損的區(qū)域，如圖6所示。一個定義明確的反應證明了Lamb波通過完整區(qū)

13、域傳播。應答信號后的尖峰信號為13.6s，輸入到壓電脈沖，第一周期為5.9S，波速S0，V，給出方程（3） 21 ：其中E和分別為是楊氏模量和密度。該CFRP的單向性和密度采用于表122。楊氏模量的交叉簾布的標本估計是從混合的規(guī)則83.1京帕。使用等式（3）所示，在完整的區(qū)S0波速為7270毫秒-1。然后預測距離S013.6S，波傳播的距離約100毫米，其中與105毫米脈沖傳感器間隔相同。這明確的反應證明了對應的S0波到達。在完整的地區(qū)，通過受損的區(qū)域，響應的瞬態(tài)蘭姆波的傳播，展示了三種不同的特征。首先，在初始響應輕微增加幅度從11.6微秒開始，比在完好區(qū)域的初始響應，這是2微秒較早開始的。第

14、二，在響應信號中周期的第一個周期將增加近一倍至12.4微秒。第三，響應信號的強度減弱，幾乎是一半。最后兩個不同特征的結果是從波的損傷引起的色散和衰減。在這里，我們考慮為什么響應蘭姆波通過受損面積傳播起步較早。如圖所示，在圖4中，分層蔓延到受損區(qū)域。該0層是從90層分離。因此，蘭姆波受損區(qū)域內的波傳播，預計分成0和90層。在0層波速和90層由方程估算（3）分別為10020和2350米-1。然后，在最短的時間到達，由公式（4）等式的第一項和第二項（4）對應分別通過受損區(qū)域和完好區(qū)域的其余部分。預測到達時間與11.6微秒的初始響應時間相吻合。由此可以推斷，因此，11.6微秒的小的反響將對應于在S0波

15、通過0層中傳播到達受損區(qū)域。注意響應的極性。正如在2.2節(jié)所解釋的，F(xiàn)BG傳感器是否被拉長或壓縮可以從反應的極性發(fā)現(xiàn)。該響應信號瞬態(tài)蘭姆波呈正增長的。在本實驗中，與該過濾器相比傳感器具有更長的布拉格波長。這是相同的布拉格波長條件如圖2所示，其中的光的強度通過過濾器增加傳輸時的FBG傳感器被拉長。因此，通過瞬態(tài)Lamb波的第一個到來時光想光柵傳感器必須已經拉長。圖7顯示了頻率域表示響應信號的第一周期期間。最高亮度分量統(tǒng)一了各項強度的分量。最大頻率響應于完整區(qū)域和受損區(qū)域部件分別是150和90千赫。該3dB帶寬范圍分別是從80到240千赫和50至160千赫。與在完整的區(qū)域的反應比較，通過傳播的蘭姆

16、波響應受損區(qū)域具有窄和更低的頻率特性。4.2 PZT傳感器的響應 脈沖發(fā)生器信號和相應的PZT傳感器響應是如圖8所示。傳播到蘭姆波的響應通過完整的面積的周期為11.9微秒和第一周期是7.7微秒。另一方面，響應于通過受損區(qū)域蘭姆波的傳播開始是從9.8微秒，周期幅度顯著增加，第一周期是14.8微秒。因為傳感器尺寸的差異，初始響應的時間，第一次循環(huán)在PZT傳感器響應期間不能簡單地與那些FBG傳感器響應比較。然而，下面應當指出。通過在蘭姆波的傳播的路線的差異，PZT傳感器的所得反應表現(xiàn)出不同的行為。在觀察到FBG傳感器響應，特征響應行為是相同的。注意開始響應的蘭姆波通過受損區(qū)域，其傳播對應于蘭姆波內傳

17、遞0層損壞的區(qū)域。該PZT傳感器顯示了一個不顯眼的響應而FBG傳感器顯示了一個小而可辨響應。結果證明FBG傳感器比蘭姆波傳遞的0層受損區(qū)域更敏感。 在第一個周期期間PZT傳感器響應的頻率特性示圖9所示。在對完整區(qū)域的最大響應頻率分量和受損區(qū)域分別是130和80千赫。該-3dB帶寬范圍分別是從60到210千赫和40至130千赫。從FBG傳感器觀察，該PZT傳感器應答特性在頻率損害的影響上是相同的。從實驗的結果上可以作為超聲波傳感器的光纖光柵與常規(guī)的PZT器件使用。5. 結論 超聲檢測的光纖光柵傳感系統(tǒng)已經設計建造好。該系統(tǒng)應用于材料的有源傳感診斷。壓電脈沖產生的Lamb在CFRP中傳播時會有沖擊

18、損傷。光纖光柵傳感器響應的瞬態(tài)蘭姆波傳播通過完整的區(qū)域或受損區(qū)域時被記錄和分析。與完整的區(qū)域的參考響應相比，Lamb波傳播通過受損區(qū)域的反應表現(xiàn)出不同的行為，有較小和較低的頻率特性。實驗結果表明，光纖光柵傳感系統(tǒng)可在碳纖維復合材料的沖擊損傷超聲檢測中比傳統(tǒng)的壓電傳感器更有效。參考文獻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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