專利名稱：碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。
背景技術：
基于質量輕、強度高、設計靈活性強等特點，作為一種具有較強耐久性、較高可靠性的高性能結構，碳纖維結構解決了以往單一性能材料無法跨越的技術難關，成為了航空、航天等高科技領域不斷發(fā)展的主流趨勢，廣泛應用于飛機的垂直安定面、機身、機翼等結構。然而，該類材料在制造和長期的服役過程中，可能產生內部斷點、裂紋、脫層等形式的結構損傷，若不及時發(fā)現和采取相應維護措施，將會導致整個結構的迅速破壞，造成重大事故隱患。斷裂損傷是結構主要損傷形式之一，對斷裂損傷的監(jiān)測研究具有積極意義。目前無損探測碳纖維結構斷裂狀態(tài)的方法包括射線探測法、超聲波探測法、聲發(fā)射探測法等。射線探測法的優(yōu)點是圖像比較直觀、對缺陷尺寸和性質的判斷比較容易，但其對微小裂紋的探測靈敏度低，探測費用較高。超聲波探測法具有可探測厚度大、檢測靈敏度高、成本低等特點，但其探測時有一定的近場盲區(qū)，且探測試件易被污染。與上述探測方法相比，聲發(fā)射探測具有靈敏度高，檢查覆蓋面積大，漏檢率低及可在被測試件運行中進行探測的優(yōu)點，因此，該方法被廣泛應用于碳纖維結構的斷裂損傷監(jiān)測，是結構健康監(jiān)測領域現階段乃至將來一段時期內的主流技術。由于光纖傳感系統(tǒng)具有質量輕、體積小、耐腐蝕、易于遠程遙測和實現分布式測量等優(yōu)點，使得基于光纖傳感的結構健康監(jiān)測技術成為當前國內外航空領域研究者們重點關注的新熱點。20世紀70年代，美國弗吉尼亞理工學院州立大學的Claus等首次把光纖埋入了增強結構碳纖維，使得材料具有傳感和探測斷裂損傷的功能。隨后，格魯門公司采用光纖光柵傳感器監(jiān)控F-18機翼的損傷和應變，馬丁公司把光纖光柵傳感網絡應用在X-33航天飛機的應力及溫度監(jiān)控上，DALTA II火箭的結構發(fā)動機箱上應用了基于光纖光柵傳感器網絡的健康監(jiān)測系統(tǒng)。但上述應用均未實現對碳纖維結構斷裂的全過程監(jiān)測。

發(fā)明內容
發(fā)明目的:為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)及其監(jiān)測方法。技術方案:一種碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)，包括計算機、光纖光柵分析儀、Y型光纖耦合器、FBG應變傳感探頭、FBG應變波傳感探頭、第一耦合器接頭、第一傳感光纖、第二耦合器接頭和第二傳感光纖；計算機和光纖光柵分析儀相連，Y型光纖耦合器包括一個Y型光纖稱合器輸入端和兩個Y型光纖稱合器輸出端，Y型光纖稱合器輸入端與光纖光柵分析儀相連；兩個Y型光纖耦合器輸出端，其中一個Y型光纖耦合器輸出端依次與第一耦合器接頭、第一傳感光纖、FBG應變傳感探頭相連，另一個Y型光纖耦合器輸出端依次與第二耦合器接頭、第二傳感光纖、FBG應變波傳感探頭相連。為了提高檢測的準確性，所述FBG應變傳感探頭包括第一傳感光纖、設在第一傳感光纖纖芯內部的FBG應變傳感柵區(qū)以及設在FBG應變傳感探頭表層的全膠黏膠層，使用時，膠黏膠層與被測試件全膠接耦合。為了避免監(jiān)測過程中FBG應變波傳感探頭量程的限制，所述FBG應變波傳感探頭包括第二傳感光纖、設在第二傳感光纖纖芯內部的FBG應變波傳感柵區(qū)、用來固定FBG應變波傳感探頭的柵區(qū)固定架以及設在FBG應變波傳感探頭表層的局部黏膠點，使用時，局部黏膠點與被測試件局部膠接耦合。為了進一步提高檢測的準確性，所述FBG應變傳感探頭和FBG應變波傳感探頭均為兩個以上，且為分布式網絡排布。上述傳感系統(tǒng)，包括應力松弛前的FBG應變傳感裝置、應力松弛過程中的FBG應變波傳感裝置，上述裝置內部均有配套的傳感方案，進而實現對碳纖維結構拉伸件拉伸斷裂過程的全程監(jiān)測；應力松弛前的FBG應變傳感裝置中CFRP拉伸件和FBG傳感探頭之間采用全膠接耦合，以提高應變靈敏性；應力松弛過程中的FBG應變波傳感裝置采用脫膠式局部耦合，避免由于應變量程過大而導致傳感裝置提前失效；在監(jiān)測過程中，FBG傳感探頭始終為分布式網絡排布，有效控制傳感器網絡冗余問題。分布式FBG碳纖維結構拉伸斷裂監(jiān)測系統(tǒng)的組成是:在同一根光纖上可以制備多個在線FBG應變傳感探頭和FBG應變波傳感探頭，且不同根光纖可并聯，有效控制傳感器網絡冗余問題。上述的碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的方法，包括如下步驟:
A、第一階段監(jiān)測:當碳纖維結構內部斷裂不斷進行時，通過FBG應變傳感探頭應變變化而引起的FBG峰值改變，進而實現對碳纖維結構拉伸件宏觀彈性模量變化情況的監(jiān)測，當FBG中心波長的拉伸變化速率趨于穩(wěn)定，碳纖維結構拉伸件宏觀彈性模量趨于恒定時，試件逐漸達到損傷臨界狀態(tài)，隨著拉伸的不斷進行，應力松弛現象逐漸發(fā)生，FBG應變波傳感器的峰值出現跳變，進入下一階段測量；
B、第二階段監(jiān)測:此階段，由于拉伸的不斷進行，碳纖維結構拉伸試件內部的應力松弛現象不斷發(fā)生，通過監(jiān)測待測試件在拉伸斷裂過程中由于應力松弛導致不同位置的應變波響應情況，進而獲得所測碳纖維結構拉伸試件內部斷裂分布情況，即斷裂狀態(tài)，實現對斷裂位置的實時監(jiān)測。上述FBG應變傳感探頭應變變化實際上為FBG應變傳感柵區(qū)表面的應變變化。上述檢測方法利用FBG反射光譜法進行監(jiān)測；在待監(jiān)測的CFRP (碳纖維增強結構拉伸件和FBG (光纖布拉格光柵的縮寫)傳感探頭之間采用全膠接耦合和脫膠式局部耦合；在監(jiān)測過程中，FBG傳感探頭始終為分布式網絡排布。上述步驟A中，利用FBG傳感柵區(qū)對CFRP拉伸件表面應變變化的敏感性質，通過測量拉伸過程中由于結構內部斷裂、分層引起FBG中心波長變化速率減小程度，檢測超出彈性段的CFRP試件宏觀彈性模量變化情況及其內部斷裂狀態(tài)。上述監(jiān)測方法，第一階段的監(jiān)測參量為表征結構拉伸件剛度的特征參數，即:試件的宏觀彈性模量。利用彈性模量作為表征參數，將FBG光譜特性與應力松弛前的碳纖維結構拉伸件剛度變化狀態(tài)監(jiān)測相結合，實現對結構斷裂飽和狀態(tài)之前的損傷情況進行實時、在線監(jiān)測。上述監(jiān)測方法，第二階段的監(jiān)測參量為應力松弛過程中拉伸件表面應變波狀態(tài)，進入臨界狀態(tài)后，利用拉伸件表面應變波狀態(tài)作為表征參數，通過監(jiān)測待測試件在拉伸斷裂過程中由于應力松弛導致不同位置的應變波響應情況，進而獲得所測CFRP拉伸試件內部斷裂分布情況，即斷裂狀態(tài)，實現對斷裂位置的實時監(jiān)測。上述方法，為了監(jiān)測的準確性及方便性，以損傷臨界狀態(tài)作為階段分化點，對損傷臨界狀態(tài)前CFRP試件宏觀彈性模量變化情況和損傷臨界狀態(tài)后由于應力松弛導致應變波響應情況進行監(jiān)測。損傷臨界狀態(tài)前CFRP試件宏觀彈性模量隨內部損傷的增加而減小，且在靠近損傷臨界狀態(tài)時，出現CFRP拉伸試件宏觀彈性模量趨于恒定狀態(tài)。上述方法，為了提高監(jiān)測的準確性，應力松弛前用FBG應變傳感探頭和應力松弛過程中用FBG應變波傳感探頭，其中應力松弛前的FBG應變傳感探頭與待測的碳纖維結構之間采用全膠接耦合，應力松弛過程中的FBG應變波傳感探頭與待測的碳纖維結構之間采用局部膠接耦合。上述的應力松弛前的FBG應變傳感數據分析中，通過對FBG傳感曲線進行局部數據段的斜率變化分析，進而可得到碳纖維結構的宏觀彈性模量的變化情況。本發(fā)明所述碳纖維結構是指碳纖維復合材料。本發(fā)明未特別限定的技術均為現有技術。有益效果:將碳纖維結構拉伸件斷裂過程監(jiān)測分為兩個階段，即:以損傷臨界狀態(tài)作為階段分化點，對損傷臨界狀態(tài)前CFRP試件宏觀彈性模量變化情況和損傷臨界狀態(tài)后由于應力松弛導致應變波響應情況的進行監(jiān)測，延長了碳纖維結構拉伸件斷裂狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的有效工作時間；利用FBG對表面應變變化分辨率高、響應快、高通量、敏感、特異、簡便、對樣品本身無損傷等優(yōu)點，實現碳纖維結構件拉伸斷裂過程的監(jiān)測，確定結構拉伸件的內部斷裂狀態(tài)和斷裂位置，可應用于航空、艦船等領域的碳纖維結構拉伸斷裂狀況監(jiān)測；同時由于采用了光纖作為傳感基體，又具有抗電磁干擾能力強、耐高壓、耐腐蝕、可實現分布式測量以及遠程遙測監(jiān)控等優(yōu)點；通過簡化傳感系統(tǒng)結構且采用光譜檢測技術，可提高測量精度，克服光強測量易受光源不穩(wěn)定影響的缺點；通過采用相應的封裝及保護方式，可避免由于溫度、濕度等外界因素對FBG傳感系統(tǒng)所帶來的影響，保證斷裂狀態(tài)監(jiān)測的可靠性和耐久性。


圖1是碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)示意 圖2是Y型光纖耦合器示意 圖3是應力松弛前的FBG應變傳感探頭示意 圖4是應力松弛過程中的FBG應變波傳感探頭示意 圖5是分布式碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)示意 圖中，I為光纖光柵分析儀，2為Y型光纖I禹合器,31為第一I禹合器接頭,32為第二f禹合器接頭，41為第一傳感光纖，42為第二傳感光纖，5為FBG應變傳感探頭，6為FBG應變波傳感探頭，7為計算機，8為Y型光纖稱合器輸入端,9為Y型光纖稱合器輸出端，10為第一傳感柵區(qū)，16為第二傳感柵區(qū)，11為全膠黏膠層，12為第一纖芯，15為第二纖芯，13為柵區(qū)固定架，14為局部黏膠點。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。如圖1-5所示，碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)，包括計算機7、光纖光柵分析儀1、Y型光纖耦合器2、第一耦合器接頭31、第二耦合器接頭32、第一傳感光纖41、第二傳感光纖42、FBG應變傳感探頭5和FBG應變波傳感探頭6 ;計算機7和光纖光柵分析儀I相連，Y型光纖耦合器2包括一個Y型光纖耦合器輸入端8和兩個Y型光纖耦合器輸出端9, Y型光纖I禹合器輸入端8與光纖光柵分析儀I相連；兩個Y型光纖I禹合器輸出端9,其中一個Y型光纖I禹合器輸出端9依次與第一I禹合器接頭31、第一傳感光纖41、FBG應變傳感探頭5相連，另一個Y型光纖耦合器輸出端9依次與第二耦合器接頭32、第二傳感光纖42、FBG應變波傳感探頭6相連。光纖光柵分析儀I (可米用si425型光纖光柵分析儀)中內置光源,進入Y型光纖耦合器輸入端8(如圖2所示)，傳播到Y型光纖耦合器輸出端9，再通過第一耦合器接頭31，經過第一傳感光纖41傳播到FBG應變傳感探頭5或通過第二耦合器接頭32，經過第二傳感光纖42傳播到FBG應變波傳感探頭6，與待測試件的表面應變相互作用產生耦合效應，在經過FBG應變傳感探頭5或FBG應變波傳感探頭6中，柵區(qū)的反射作用后形成反射光線通過Y型光纖耦合器2的反射端進入光纖光柵解調儀1，再經過計算機7處理輸出反射光波長與變化參量之間的關系曲線，從而實現了整個測量光路部分的全光纖化。根據FBG光譜輸出特性，通過不同中心波長的FBG可對碳纖維結構拉伸試件實現多位點探測的分布式碳纖維結構拉伸斷裂監(jiān)測系統(tǒng)。當FBG應變傳感探頭5或FBG應變波傳感探頭6處于不同測試位置時，不同的待測位置的應變分布情況與傳感器相互作用，從而引起各個FBG傳感器中心波長的變化。通過對傳感器輸出FBG光譜的不同中心波長的檢測，可得到分布式檢測的信號。圖3是應力松弛前的FBG應變傳感探頭5示意圖，所述FBG應變傳感探頭5包括設在第一傳感光纖41內部的纖芯、設在第一傳感光纖41纖芯內部的第一傳感柵區(qū)10以及設在FBG應變傳感探頭5表層的全膠黏膠層11，利用FBG敏感柵區(qū)對光的反射作用，將傳輸過來的特定波長光反射回去，通過全膠黏膠層11使其與被測試件全膠接耦合。研究碳纖維結構拉伸件的斷裂飽和程度與試件宏觀彈性模量的影響，利用FBG傳感柵區(qū)對CFRP拉伸件表面應變變化的敏感性質，通過測量拉伸過程中由于結構內部斷裂、分層引起FBG中心波長的變化速率，檢測超出彈性段的CFRP試件宏觀彈性模量變化情況及其內部斷裂狀態(tài)，即:當CFRP內部斷裂不斷進行時，通過檢測柵區(qū)表面應變變化而引起FBG峰值的變化速率，進而實現對CFRP拉伸件宏觀彈性模量變化情況的監(jiān)測，所說的測量FBG傳感柵區(qū)對拉伸試件表面應變變化速率也就是測量CFRP拉伸件宏觀彈性模量的變化。 圖4是應力松弛過程中的FBG應變波傳感探頭6示意圖。所述FBG應變波傳感探頭6包括設在第二傳感光纖42內部的纖芯、設在第二傳感光纖42纖芯內部的第二傳感柵區(qū)16、用來固定FBG應變波傳感探頭6的柵區(qū)固定架13以及設在FBG應變波傳感探頭表層的局部黏膠點14，利用FBG敏感柵區(qū)對光的反射作用，將傳輸過來的特定波長光反射回去，通過局部黏膠點14使其與被測試件局部膠接耦合，避免監(jiān)測過程中FBG應變波傳感探頭6量程的限制。
研究應力松弛過程中應力松弛現象與試件拉伸斷裂狀態(tài)的影響，通過監(jiān)測待測試件在拉伸斷裂過程中由于應力松弛導致不同位置的應變波響應情況，進而獲得所測CFRP拉伸試件內部斷裂分布情況，即斷裂狀態(tài)，實現對斷裂位置的實時監(jiān)測。圖5是分布式碳纖維結構拉伸試件斷裂監(jiān)測系統(tǒng)示意圖。它的具體組成是在同一根光纖纖芯的不同位置刻入不同中心波長的FBG傳感柵區(qū)。因此可在同一根光纖上可以同時設置多個FBG應變傳感探頭5和FBG應變波傳感探頭6，且多根光纖可并聯。
權利要求
1.一種碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:包括計算機、光纖光柵分析儀、Y型光纖耦合器、FBG應變傳感探頭、FBG應變波傳感探頭、第一耦合器接頭、第一傳感光纖、第二耦合器接頭和第二傳感光纖；計算機和光纖光柵分析儀相連，Y型光纖耦合器包括一個Y型光纖耦合器輸入端和兩個Y型光纖耦合器輸出端，Y型光纖耦合器輸入端與光纖光柵分析儀相連；兩個Y型光纖耦合器輸出端，其中一個Y型光纖耦合器輸出端依次與第一耦合器接頭、第一傳感光纖、FBG應變傳感探頭相連，另一個Y型光纖耦合器輸出端依次與第二耦合器接頭、第二傳感光纖、FBG應變波傳感探頭相連。
2.如權利要求1所述的碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述FBG應變傳感探頭包括第一傳感光纖、設在第一傳感光纖纖芯內部的FBG應變傳感柵區(qū)以及設在FBG應變傳感探頭表層的全膠黏膠層。
3.如權利要求1所述的碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述FBG應變波傳感探頭包括第二傳感光纖、設在第二傳感光纖纖芯內部的FBG應變波傳感柵區(qū)、用來固定FBG應變波傳感探頭的柵區(qū)固定架以及設在FBG應變波傳感探頭表層的局部黏膠點。
4.如權利要求1所述的碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于:所述FBG應變傳感探頭和FBG應變波傳感探頭均為兩個以上，且為分布式網絡排布。
5.利用權力要求1-4任意一項所述的碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的方法，其特征在于:包括如下步驟: A、第一階段監(jiān)測:當碳纖維結構內部斷裂不斷進行時，通過FBG應變傳感探頭應變變化而引起的FBG峰值改變，進而實現對碳纖維結構拉伸件宏觀彈性模量變化情況的監(jiān)測，當FBG中心波長的拉伸變化速率趨于穩(wěn)定，碳纖維結構拉伸件宏觀彈性模量趨于恒定時，試件逐漸達到損傷臨界狀態(tài)，隨著拉伸的不斷進行，應力松弛現象逐漸發(fā)生，FBG應變波傳感器的峰值出現跳變，進入下一階段測量； B、第二階段監(jiān)測:此階段，由于拉伸的不斷進行，碳纖維結構拉伸試件內部的應力松弛現象不斷發(fā)生，通過監(jiān)測待測試件在拉伸斷裂過程中由于應力松弛導致不同位置的應變波響應情況，進而獲得所測碳纖維結構拉伸試件內部斷裂分布情況，即斷裂狀態(tài)，實現對斷裂位置的實時監(jiān)測。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于:以損傷臨界狀態(tài)作為階段分化點，對損傷臨界狀態(tài)前碳纖維結構試件宏觀彈性模量變化情況和損傷臨界狀態(tài)后由于應力松弛導致應變波響應情況進行監(jiān)測。
7.如權利要求5所述的方法，其特征在于:應力松弛前用FBG應變傳感探頭和應力松弛過程中用FBG應變波傳感探頭，其中應力松弛前的FBG應變傳感探頭與待測的碳纖維結構之間采用全膠接耦合，應力松弛過程中的FBG應變波傳感探頭與待測的碳纖維結構之間采用局部膠接耦合。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種碳纖維結構拉伸斷裂狀態(tài)的分階段監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于包括計算機、光纖光柵分析儀、Y型光纖耦合器、FBG應變傳感探頭、FBG應變波傳感探頭、第一耦合器接頭、第一傳感光纖、第二耦合器接頭和第二傳感光纖；計算機和光纖光柵分析儀相連，Y型光纖耦合器包括一個Y型光纖耦合器輸入端和兩個Y型光纖耦合器輸出端，Y型光纖耦合器輸入端與光纖光柵分析儀相連；兩個Y型光纖耦合器輸出端，其中一個Y型光纖耦合器輸出端依次與第一耦合器接頭、第一傳感光纖、FBG應變傳感探頭相連，另一個Y型光纖耦合器輸出端依次與第二耦合器接頭、第二傳感光纖、FBG應變波傳感探頭相連。本發(fā)明實現了對碳纖維結構斷裂的全過程監(jiān)測。
文檔編號G01B11/16GK103149089SQ201310042909
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月4日 優(yōu)先權日2013年2月4日
發(fā)明者劉宏月, 韓曉林, 費慶國, 芮琴, 張大海 申請人:東南大學