表面粘贴光纤干涉仪测量复合材料梁的分层

0　引　言

复合材料的分层检测对于材料和结构的安全运行有十分重要的意义.近年来发展起来的机敏结构,智能蒙皮就是要将各种传感器埋入到结构和材料的内部,以期能实时地监测其健康状况.而其中的一个研究热点就是将光纤传感器埋入复合材料内部,监测或检测复合材料的分层,以保证飞行器的安全[1].

另外,近年来还开展了用碳纤维来修复复合材料的损伤,这时也需要在长期运行后,测量复合材料的修复处是否有脱层.

实时监测复合材料分层的技术难度大,受环境干扰大.但定期地对材料进行检测却是必要的,技术上也是容易实现的.本文的研究表明,在定期检修时,将光纤粘贴到材料的表面,用压力榔头逐点下压材料表面,通过光纤Mach-Zehnder干涉仪测量的输出,可以判断被压位置是否存在分层,以及分层的范围.当然这一技术也适用于光纤埋入内部的材料.但实际上大量的材料和结构内部没有埋设光纤,所以研究表面粘贴光纤的检测技术有其重大的使用价值和现实意义.

1　测量原理

复合材料分层探测使用我们自己开发的光纤Mach-Zehnder干涉仪和相位解调系统,传感原理如图1所示,将光纤Mach-Zehnder干涉仪的传感臂粘贴在梁上.在文献[2]中已有报道,不再赘述.复合材料梁使用简支或连续支撑的形式固定.用带压力传感器的榔头逐点下压梁.光纤在材料的表面粘贴时,干涉仪测量的相位变化Δθ与沿光纤的积分应变为[3]

    式中:n是纤芯的折射率;λ是光波长;μf是泊松比;Pi,j是普克尔常数.传感臂光纤轻微的形变将使干涉仪有一个相位输出.通过解调装置读出相位,就可以测量出相应的形变.

2　传感原理的理论分析

为了从力学的角度演示分层检测的可行性,并为实验设计提供指导,我们用有限元分析法模拟了复合材料分层对粘贴在材料表面的光纤的积分应变的影响.

在实验中,我们为了获得复合材料的分层,在制作时就放入已知厚度的矩形Teflon薄膜,材料制作好后将薄膜抽出.因此我们在彷真分析中认为分层是矩形的,并设分层穿过了整个梁的横向,以便能和我们的实验结果做比较.我们分析如图2所示的分层.其中e代表分层中心点到梁的纵向终端的距离;d是分层到材料中心层的距离.

图2下方还示出了有限元分析时简支梁的简单网格.这个网格包括了2 040个二次等参面应变单元,每个单元的长度和高度比是4∶1,并通过把梁的中心区域去掉一些单元来引入分层.当下压梁时,分层的部分会闭合.在分析时,通过定义分层的上表面与下表面接触来引入闭合.定义在加压力时,分层的上表面向下表面移动,与下表面接触.接触条件是无摩擦的滑动,接触点预先不知道.