（测试计量技术及仪器专业论文）三维编织复合材料性能及工艺的光纤测试技术研究.pdf

一妻壅熬窒整蒌查竺登圭堂皇!望堕一一 摘要 嚣：灸竞避复台榜瓣黪器，三绦壤织笈台秘褪鑫予竞驻了层余复合糖糨瑟藤蕊羁 的缺， ，同时具有优异的憋体性鼹和较商的强度、刚度、随好的抗冲击性能等优点， 在簸窆簸元等疆多镢蠛鹣空瑟鑫蕊f “泛。毽瘦子蒸缓织工芝窝嚣他袋墼工艺姥竣嫠 杂a i r 对它的认识还远涎不够。两前对编缓复合材料结构的健康状况、瀚化工蕊瓣 簸溅等鞲荚磷究避缀少。 本文探索采掰光纤传感技术对三缍戳纤维，环莪编踉藏含榜料瞧能和互艺进行了 测试研究。主要磷究内容如下： l 对三缍编竣工艺逡行了礤褒，提密惫纡黄蒜嚣编灭缡缓复合耪辩熬掰静寅溱敬 及光纡的保护措飑棵用嘲步法成功地将光纤传感器编入挝合材料试件。随后研究了 缡缀复合秘薅匏簦i 纯菇黧工艺：挺鼗簧递搂鏊( r t m ) 王慈。设诗了含瑟野壤缓试谗 的r t m 固化成型系统，弗成功地研制出编入光纤传感器的编织簸材料试件夕n 2 对壤天耪辩戆蠢羚与绽缓鬟会器秘魏耀容瞧避嚣了臻寒黪巍纾装入壤织餐含 材料中，对光纤的截止波长、数值孔径、模场直径和串音进行了捡测。安验结粟袭 瞬这些毙攀控糍参数在巍纾缡a 缡织复合糖辩试转轰以及鳗纯成型蓐变化较，j 、。磺究 了光纤对编织复合材料谶隧的影响。对编入光纤试件和无汽纤试悻避行藏渖和匾瓣辩 比试验。缡基表锻悲纡的辕入对燃料豹拉傍弹性横爨季q 压燧弹性摸蹙影响也较小。当 光野及保护套警占的俸获魄约为l 露，捩律弹浚模垂下鬻翡福发约必蕊；压翁弹 性模量下降的螟艘约为6 7 。另外对光纤传感器的安装和引出设计也进行了研究。如 3 礤炎了竞纾簧感技术在漆甄复台懿麓蠹黎爨变硷溺中嚣庭辫毒爰射线疆论分辑 了光线在梯度光纤和阶跃光纤中的传播机理。并用模式理论讨论了光纤波姆的标凝分 橱棒矢羹分辑。努辑了德攮式，法枣里薅罗予渗整窝徽驽蕊是终搀惑器鹣疆莲，并 通过实验研究了它们在编级复合树料内部应变检测中的应用。实验结果表明编入编织 鬟会耪秘黪港纾糖感器哥淡捡测穗爨辩内黟熙瘟变。这秘方法对深入研究缀织复台糖 料结构的性能、内部损伤的检测以及健康状况的黢控具育踅要价德。户y 4 疆究了碳密封涂覆您纾在德织复会材料中姻应弱、碳密封涂覆光鲜具有强艘 离、抗疲势佳能麓等许多优点。从实验中遵发魂，在编织菠合材祷串使嗣凝密封滁覆 光绎具有照好的佟感效累。p ， 5 舔究t 菠蕊缡久禚辩海都酶炎纤镦弯传感耩游壤绞囊台秘褥r t t v l 鬻纯工慧避 彳j ：监测。( 嶷验结果液明光纤微弯俄感器可以监测树脂粘度的变化，并给出树脂粘鹰最 弧煮臣及溪纯缭裘点。杰潞镶弯蠛怒野蕊惩器霹戳翁壤绞笈台薅瓣懿r t m 畿鍪工艺 三三维编织魁合材料性能及工苞的光纤测试技术研究 送行靛潮。7 0 f 本文的主要刨毅点： 1 首次穗出光纾编入编织复合孝才料的方法，成功制作了编入光纤传感器冉勺复合材 料试传。 2 蓄次蹲犏入瓣料豹巍纾与编敬爱合裙籽的稆释性迸行了研究。 3 首次采用偏撮式、干涉溅积微弯式光纾传感器瓣编织燮会榜辩的内蘩嶷变进行 了硷溅。 4 首次采用微弯式光纤传感器慰编织复合材料蛇r t m 工艺进行了监测。 5 蓄凌戮究了碳密封涂覆光纾在编织囊台材辑中的应掰。) 百7 关键悄：光纤传感器，测试技术，兰维编织，复台材料，应变检测，圈化工芑监测， 褥器建递模塑 南京航空航天大学博士学位论文 a b s t r a c t a so n ek i n do fa d v a n c e dm a t e r i a l s ，3 db r a i d e dc o m p o s i t e sa r eu s e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s ， s u c ha s a e r o n a u t i c s & a s t r o n a u t i c s ，b e c a u s eo ft h e i rh i g hs t r e n g t h ，s t i f f n e s sa n dg o o d r e s i s t a n c et o i m p a c t h o w e v e r , d u et o t h e i r c o m p l i c a t e db r a i d i n g a n dc u r e p r o c e s s e s ， k n o w l e d g ea b o u tt h e m i sf a rf r o me n o u g h r e s e a r c ho fh e a l t h m o n i t o r i n g a n dc u r e m o n i t o r i n ga b o u tb r a i d e dc o m p o s i t ea r eq u i t el i t t l e i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，i n t e r n a ls t r a i na n dc u r ep r o c e s so f b r a i d e d c o m p o s i t e s a r es t u d i e du s i n g o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g y t h ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 b a s e do ns t u d yo f3 db r a i d i n gp r o c e s s ，t w om e t h o d sf o ro p t i c a lf i b e rb r a i d i n ga n d p r o t e c t i n g a r e p r e s e n t e d o p t i c a l f i b e r sa r e s u c c e s s f u l t y b r a i d e di n t o c o m p o s i t e t e s t p i e c e sb yf o u r - s t e pm e t h o d c u r ep r o c e s so fb r a i d e dc o m p o s i t e si s a l s os t u d i e d r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ( r t m ) c u r es y s t e mi s d e s i g n e d t e s t p i e c e sw i t hb r a i d e d o p t i c a lf i b e r sa r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d 2 c o m p a t i b i l i t yo fo p t i c a lf i b e ra n db r a i d e dc o m p o s i t e si ss t u d i e d c u t o f fw a v e l e n g t h ， m o d ef i e l dd i a m e t e r , n u m e r i c a la p e r t u r ea n dc r o s st a l ka r ec h o s e na st e s tp a r a m e t e r so f o p t i c a lf i b e r s r e s e a r c ho f t h o s ep a r a m e t e r ss h o w s t h a tt h e yc h a n g e j u s tal i t t l eb e f o r e ， a f t e ro p t i c a lf i b e r s b e i n gb r a i d e di n t ot h es t r u c t u r e s ，a n da f t e rt h em o l d i n gp r o c e s s c o n t r a s tt e s t sa r ea l s od o n et oc o m p a r ep e r f o r m a n c e so f t e s t p i e c ew i t ho p t i c a lf i b e r w i t ht h a to fo n ew i t h o u to p t i c a lf i b e r t e n s i o n a la n dc o m p r e s s i v ee l a s t i cm o d u l ia r e r e s e a r c h e d r e s u l t ss h o wt h a tc o - b r a i d e do p t i c a lf i b e r sh a v e j u s tas m a l lq u a n t i t yo f e f f e c to nt h ee l a s t i cm o d u l u so f t h eb r a i d e d c o m p o s i t e s i f v o l u m er a t i oo f o p t i c a lf i b e r s a n dt h e i rj a c k e t st ot h eb r a i d e dt e s t p i e c ei sa b o u to n ep e rc e n t ，t h et e n s i o n a la n d c o m p r e s s i v ee l a s t i cm o d u l iw i l ld e c r e a s er e s p e c t i v e l yb ys i xa n ds i xp o i n ts e v e np e r c e n t t h ef i x i n ga n dl e a d - o u td e s i g no f o p t i c a lf i b e rs e n s o r a r ea l s os t u d i e d 3 o p t i c a lf i b e rs e n s i n gt e c h n o l o g yi sa p p l i e di ni n t e r n a ls t r a i nm e a s u r e m e n to fb r a i d e d c o m p o s i t e s f i r s t ，t r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mo fl i g h tw a v ei ng r a d e di n d e xf i b e ra n ds t e p 维编织复合材料性能及工艺的光纤测试技术研究 i n d e xf i b e ri s a n a l y z e du s i n gr a ym e t h o d s c a l a r a n a l y s i sa n dv e c t o ra n a l y s i s a r e d i s c u s s e du s i n gm o d em e t h o d m e c h a n i s mo fp o l a r i z e d ，i n t e r f e r e n t i a la n dm i c o b e n d o p t i c a l f i b e rs e n s o ri s a n a l y z e d a p p l i c a t i o i s o ft h e s es e n s o r si ni n t e r n a ls t r a i n m e a s u r e m e n to fb r a i d e dc o m p o s i t e sa r e e x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d r e s u l t ss h o wt h a t t h e s es e n s o r sa r ee f f e c t i v ef o ri n t e m a ls t r a i nm e a s u r e m e n t m e t h o do fi n t e m a l p a r a m e t e rm e a s u r e m e n tb a s e do nc o b r a i d e do p t i cf i b e rs e n s o ri sv e r yv a l u a b l ef o r f u r t h e rr e s e a r c ht os t u d ys t r u c t u r a lf e a t u r e sa n dm o n i t o rs t m c t u r a lh e a l t hc o n d i t i o n 4 t h er t mc u r ep r o c e s so fb r a i d e d c o m p o s i t e si sm o n i t o r e du s i n gm i c r o b e n df i b e ro p t i c s e n s o r e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h es e n s o ri s a b l et om o n i t o rv a r i a t i o no fr e s i n v i s c o s i t ya n d t oi n d i c a t et i m et h a tr e s i nv i s c o s i t yi sl o w e s ta n dc u r ee n d s 5 a p p l i c a t i o n so fo p t i c a lf i b e rw i t hc a r b o nc o a t i n ga r ea l s os t u d i e d t h i sk i n do fo p t i c a l f i b e rh a sa d v a n t a g e so f h i g hs t r e n g t ha n da n t i f a t i g u ep e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h eo p t i c a lf i b e rh a sg o o ds e n s i n gf e a t u r e s t h e o r i g i n a lr e s e a r c h e sd o n e i nt h i sd i s s e r t a t i o na r ea sf o l l o w s ： 1 t h eb r a i d i n ga n dc u r ep r o c e s sf o rb r a i d e d c o m p o s i t e sw i t hm o n o m o d eo p t i c a lf i b e ra r e p r e s e n t e d t e s t p i e c e sa r es u c c e s s f u l l yf a b r i c a t e d 2 t h e c o m p a t i b i l i t y b e t w e e n o p t i c a lf i b e r sa n d b r a i d e d c o m p o s i t e si ss t u d i e d 3 i n t e r n a ls t r a i no fb r a i d e dc o m p o s i t e si sm e a s u r e db yd e v i s i n gt h r e ek i n d so fo p t i c a l f i b e rs e n s o r s t h es e n s o r sa r ep o l a r i m e t r i cs e n s o li n t e r f e r e n t i a ls e n s o ra n dm i c r o b e n d s e n s o l 4 t h er t m p r o c e s si sm o n i t o r e du s i n gc o b r a i d e dm i c r o b e n df i b e ro p t i cs e n s o e 5 a p p l i c a t i o n so fc a r b o nh e r m e t i c a l l yc o a t e do p t i c a lf i b e ri nb r a i d e dc o m p o s i t e sa r e s t l a d i e d k e y w o r d s ：o p t i c a l f i b e rs e n s o r , m e a s u r e m e n ta n d t e s t i n gt e c h n o l o g y , t h r e e d i m e n s i o n a l b r a i d i n g ，c o m p o s i t e ，s t r a i nm e a s u r e m e n t ，c u r em o n i t o r i n g ，r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g i v 南京靛奎航天大学媾擎位论文 第一章绪论 1 1 编织复合材料缒发浸撬述 复合辩籽是摇囊弱个f 躐戳上) 熬立静耪臻福，毽括粘缩材料( 基体) 和粒科、纤 维域片状材料等所魍成的一种固体产物。它的分类方法有许多种，按其基体树料的不 囤可分淹三太类：聚合糖蓦簸舍掰辩，金藩繁复合誊| 料和秃概菲金满基复合材辩。聚 合物基复合材料中的树脂基复合材料用量占所有复合材料的用量的9 0 以上i l 】。如粜 按工艺分类，复台韦季料可敬分为层会缝掇复食挺辩、缠绕络梅复合毒孝辩、控按复台誊孝 料和纺织结构复合材料。 现代复含接料王渡是以2 0 整纪4 0 年代初玻璃终维增强耀料( 玻璃镊) 懿窭璜梵 标惑。早期的玻璃铜制品采髑的增强材料有：无捻布、加捻布、短切毡、袭丽毡等； 树月旨通常采用聚酯树脂和环裁楗脂。到了年代，隧羞昊鸯裹比强度、裔蹴模量黪 碳纤维、瓣野维等羯性能增强纤维的研稍戒霸，以碳纤维御：氧树腊为代表的先进复 合材料开始大量应用予航空航天等领域 1 , 2 1 。 与黉统耪辩相魄，在设计窝裁造上，褥耩基复合材辩有三个裙显静特点：材料褴 能指标设计自由，材料与结构一致，产品型体设计自由。树脂基复合材料有许多优点， 翔；眈强褰、减振拣静、辩化学瘸饿、疆攒安全往好等。其审层合复食糖瓣燕由无纬 布或纤维织物布用铺层工艺制成的纤维增强复合材料。它具肖强度离、铺层灵活等优 点，器经广泛爆于飞桩、导弹、卫鬃辩虢天飞瓿中，如飞辊簸门、整褫、疆援、整浚 罩等。有的已经代替垒属材料作为主承力构件。但常规的层含结构复合材料也存在一 些缺点，熟：厚度方淀的剐度羁强度槛缝绦，露内剪切襄层闯势翡强度低，抗冲击能 力茇，易分鼹，不翁锏出复象形状的构件等。这些缺点限制了层合复合材料在航空航 天等领域的应用。为了改善层会复合材料的性糍，人 f _ l 开始将纺织按术中戆编缓技术 与复余弦籽技术结合起来，最终产警了编织缭构复合材料j 。 编织技术从几何结构上可分为二维编织_ 平【l 三维编织。三维编织技术是由二维编织 接拳发震超寒豹裹蓊绞织技术。三壤编织复食糖辩静究密特熹秘优点燕增强纤维星空 间多向分布，是完全熬体、连续的纺线网络。这类材料已不辩是层板缩构。从结构上 克鼹了层台复会耪辩屡润赡弱匏缺煮。三维编织复合糖耨具霄良抒静力学牲靛，鲡较 高的强度、剐度，较强的抗攒伤能力镣。三维编织复合材料的基本单元纤维束是空间 四商绫擒，在力学上曼其合理性。这糖维梅其肖盘好豹综合谯艟播掭。三维编织复合 材料的设计最活，易于使用计算机进行参数优化设计。另外，三维整体编织技术能编 第一章绪论 织异形整体织物，按部件的形状和尺寸直接仿型编织出织物，这是其他工艺无法做到 的。三维编织复合材料大量采用树脂传递模塑工艺进行固化，可以省去纤维布裁剪及 铺层的工序，减少环境污染，降低制造成本。 复合材料的编织技术起源于纺织科学。纺织科学主要包括两个过程：纺纱和织造。 纺纱是将纤维纺成纱线的过程：织造是将纱线织成织物的过程。按照工艺划分，可以 将织造分为三种：机织、针织和编织。按纤维结构则可分为：线性( 一维) 、平面( 二 维) 和立体( 三维) 。如图1 1 所示 2 】。下面以二维纺织工艺为例，简单介绍机织、针 织和编织的工艺及其区别。 图1 1 纺织技术的分类例 机织是两组纱线分别沿0 度和9 0 度延伸并且互相交织形成织物。在织物内与边 缘平行的0 度( 或平行于织机机深方向) 排列的纱线称为经纱，与边缘垂直成9 0 度 排列的纱线称为纬纱。其工艺原理如图1 2 所示。针织是纱线沿0 度或9 0 度采用成 圈的方法交织形成织物的过程。其工艺原理如图1 3 所示。编织工艺是一组纱线沿0 度方向延伸，并且所有的纱线都偏移一个适当的角度，然后互相交织形成织物的过程。 其工艺原理如图1 4 所示【2 】。 图1 2机织工艺的原理图2 1 图1 3 针织工艺的原理图 2 】 南京航空航天大学博 学位论文 图1 4 编织工艺的原理图【2 编织工艺是人类发展史上使用最早的纺织技术之一。然而直至2 0 世纪4 0 年代， 人们才把编织作为一种工程技术来分析。wh a m b u r e r 分析了几何因素与编织性能的 关系。5 0 年代，d b r u n n s c h w e i l e r 论述了管状编织的成形和拉伸性能。6 0 年代，w d o u g l a s s 从机械和工艺的角度对编织技术进行了论述。此时纤维编织技术不够成熟， 纤维编织设备的研究还没有得到重视。7 0 年代以后，由于航天上的需要，编织技术 被首先用于火箭头部表面防热层。人们逐渐研制出各种二维编织机械，二维编织复合 材料也得到较大的发展。1 9 7 7 年，s a n d e r 提出可以将三维整体编织技术引入复合材 料的制造。8 0 年代初，b r o w n 研制成功了三维整体编织技术中的四步法工艺。后来， p o p p e r 和m c c o n e l l 提出了二步法三维编织技术。计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术也使编织技术更加自动化。编织技术从手工、二维、板状编织发展到了机器、三 维、管状( 以及更复杂形状的) 编织【2 ，3 】。这些技术使得三维编织复合材料的研究进 入了一个新领域。人们也逐渐认识到三维编织复合材料比传统层合复合材料有更多的 优点。 与此同时，针对编织结构件的复合材料成型工艺也在不断研究和发展。其中有真 空浸渍法、预浸纱成型法、普通模压法等。后来，树脂传递模塑( r e s i nt r a n s f e rm o l d i n g ， r t m ) 逐渐成为编织构件的主要成型工艺。到8 0 年代末至9 0 年代初，关于r t m 工 艺的实验及理论研究达到了高潮。美国航空航天局( n a s a ) 在8 0 年代末制定了名 为“先进复合材料技术”( a d v a n c e dc o m p o s i t e st e c h n o l o g y , a c t ) 的计划【4 - “。该计 划耗时6 年，投资一亿多美元，其目的主要是在亚音速大型民用飞机中大量使用复合 材料。编织技术及其成型技术是该计划三项重要内容之一。随着人们对编织复合材料 制造工艺和性能的进一步研究以及更先进编织机的研制成功，编织复合材料在航空航 天、交通运输等领域的应用也越来越广泛。 在国内，目前已有多家科研机构和公司对编织复合材料进行研究和开发。天津纺 织工学院、南京玻璃纤维研究设计院等机构对三维编织技术进行了较为深入的研究。 其中，天津纺织工学院为航天部门编织了多层整体锥套【l 】。该锥套为三层整体结构， 第一章绪论 从干莨截面看外层为金属纤维，中层为碳纤维，内层为玻璃纤维。具有不同的性能的三 层编织层共同构成多功能的整体部件。南京玻璃纤维研究设计院也采用三维编织技术 编织了多种鼻锥、雷达罩等构件。航空工业总公司6 3 7 研究所采用r t m 技术制成了 歼- 8 、歼1 0 等多种军用飞机的雷达罩。航空工业总公司6 2 1 研究所、6 2 5 研究所、 同济大学、西北工业大学、南京航空航天大学等机构对r t m 工艺及专用树脂等进行 了研究。深圳中华复合材料制品有限公司研制了我国第台1 4 4 线轴大型编织机，并 开发 j 用于自行车车架的可焊接碳纤维编织复合材料管等部件和产品，并初步形成了 产：业化。 三维编织复合材料的产生从根本上克服了层合材料层间强度低、抗冲击能力差的 缺点，因而自从它出现以来，得到了广泛的重视。但是人们对它的认识尚浅，在力学 性能、结构健康监测、固化监测等诸多方面的研究也较少，因而影响了它的应用。本 文提出了研究编织复合材料性能和工艺的新方法，它基于光纤测试技术和传感技术。 下面简要介绍光纤传感技术的发展概述。 1 2 光纤传感技术的发展概述 传感技术是当今世界发展最为迅速的高新技术之一。新型传感器不仅追求高精 度、大量程、高可靠、低功耗和微型化，而且向着集成化、多功能和智能化发展，以 满足工业、农业、国防和科研等各个领域的需求。 光纤传感技术是2 0 世纪7 0 年代随着光纤技术和光纤通信技术的发展而迅速发展 起来的。它代表了新一代传感技术的发展趋势。光纤传感器产业已被国内外公认为最 具有发展前途的高新技术产业之一，它以技术含量高、经济效益好、渗透能力强、市 场前景广等特点为世人所瞩目”。9 1 。 在2 0 世纪6 0 年代，光导纤维通过全反射限制光波的传输原理已为人们熟知，并 己作为短距离传光媒质用于胃镜等医疗器械。但当时作为光导纤维材料的玻璃损耗很 大。直到6 0 年代中期，光学性能良好的石英玻璃损耗仍然高达1 0 0 0d b k m 。以分贝 ( d b ) 为单位的损耗a 定义为输入功率p i 与输出功率p 。比值的对数的1 0 倍，即为： a = 1 0 1 9 ( p 归o ) 当光信号在损耗为1 0 0 0d b k m 的光纤中传输l k m 以后，输出功率与输入功率的 比值为p 护。= 1 0 。0 0 。显然，利用衰减如此大的介质进行通信是不现实的。1 9 6 6 年， 英国h a r l o wi t t 实验室的高锟( c h a r l e skk a o ) 博士测量了纯石英玻璃的块状样品 的损耗，发现其数值约为几十d b k m j o 。他进而指出，通过降低石英玻璃中杂质的含 量，可以减少其损耗。并提出可以利用石英玻璃纤维作为光波导用于通信。1 9 7 0 年， 康宁公司制成了损耗为2 0d b k m 的高纯度石英玻璃光纤( g a a i a s 半导体激光器也在 同年实现了室温下连续工作) 。从此以光纤作为波导的光通信技术得到了迅猛的发展。 现在的光纤最低损耗已经降低到0 2 d b k m 以下。短短的十几年光纤通信技术就从实 4 南京航空航天大学博士学位论文 验室研究走阳实用化。 与此同时，光纤传感技术也已从无到有，并迅速发展。1 9 7 7 年美国海军研究所 ( n r l ) 开始实旌光纤传感系统计划，标志着光纤传感器的问世【7 】。从此以后，关于 光纤传感器的研究在各个国家相继展开。从7 0 年代到8 0 年代中期，光纤传感器的种 类已达近再种，并且应用于航空航天等国防军事领域和能源、医学、交通运输、仪器 仪表等民 f j 领域。与其他传感器相比，光纤传感器具有以下优点： ( 1 ) 灵敏度高，抗电磁干扰： ( 2 ) 光纤是无源器件，对被测对象无影响； ( 3 ) 耐高电压，耐腐蚀，在易燃、易爆等危险环境可以安全工作： ( 4 ) 频带宽，动态范围大； ( 5 ) 体积小，重量轻，形状灵活可变化，适应性强； ( 6 ) 可以实现分布式测量、集中式管理以及远程监测、遥测、遥控： ( 7 ) 与光电子技术紧密联系，易于集成化。 正因为光纤传感器具有诸多优点，从它一问世，世界各国均投入大量人力、物力 用于光纤传感器的研究与发展。 美国的光纤传感器研究开始最早，投资最大。仅在8 0 年代，投资就有几十亿美 元订，】。美国把光纤传感器列为军备改造计划的十五项重点之一，制定了专门的纤维 光学传感器专门规划。美国海军研究所、美国航空航天局( n a s a ) 、西屋电气公司、 斯坦福大学、弗吉尼亚理工学院等几十个单位从事光纤传感器的研究。s p e c i k i c b a b e e k & w i l e o x 公司、f i b e r d y n a m i c s 公司、e o t e c 公司、o p t r a 公司在研制和开发光 纤传感器方面享有盛名。一种可以测量地球应力的光纤传感器己用于预报地震。它具 有灵敏度高、结构简单、成本低等特点。o p t e c h 公司已完成了微型光纤加速度计的 设计，它通过改善加速度的检测方法来提高武器的性能。1 9 8 6 年美国国防部研究计 划局开始主持一项反潜计划，其核心是研究光纤水听器及测声系统，以提高海军反潜 艇作战能力。光纤陀螺由于内部没有可移动的部件而提高了可靠性，已经用于导弹的 导引头、姿态控制和飞行控制系统中。在导航机器人和飞机弹射座椅中也采用了光纤 陀螺。光纤陀螺已被列入美国军方的重点投资项目，仅9 0 年就投资6 0 0 0 多万美元。 目前，在美国国防部、航空航天局等机构的主持下，在以下几各方面进行了光纤传感 器的研究：飞行控制系统( 加速度计、陀螺仪) 、发动机监控系统( 温度、叶尖间隙) 、 飞机结构健康监测等。 在欧洲，英国、德国等国家也十分重视光纤传感器的研究 7 , 9 1 。1 9 8 2 年英国贸易 工业部发起成立了英国光纤传感器合作协会，其中包括s i r al t d 、中央电气研究所、 d e l t a 控制公司、标准电信研究所以及一些主要大学。英国中央电气研究所研制的高 压光纤电流测量装置，伦敦大学研究的光纤陀螺、水声器、光纤流体流量计，牛津大 学研究的光全息以及南安普敦大学和y o r k 公司联合研究的低双折射光纤、高双折射 光纤、激光光纤、光纤测试仪器等都具有较高的水平。英国l a n d 公司研制的红外辐 第一章绪论 射温度传感器，配有l a n p a r k 信息处理器。萸罔坦克瞄准器制造公司b a r r s t r o u d 硪制了一稚光纾激光测距仪，已成为滚的军拜j 检测设餐，鼹提高武器的瞄准精度。 德蔺的光纤阮螺研究规模和水平仅次子荧国。法国、意大利等闯也投入相当大的力量 研制耐l 开发光纤传感嚣。 罄本孚蠢8 0 年饯就澍囊了“光寝用诗矧控铺系统”酌七年规划，总投资为7 0 亿美元。用：解决强磁场干扰和易燃、易爆等怒劣环境下的信息检测、传输利过程控 裁。嗣本有松下、三菱、东索大学等萋名公司秘大学驮枣党纾转感嚣豹疆究。簿年审 请的关于光纤传感器的专利达一百多件。其科研成果转化为商晶的速度较快。翻前已 有商晶投入嚣i 场，如揆下电器公司敬巍绥邀渡裹、巍纤毫噩袭、走纾瀣度计、l e x 公司的红外辐射温度计等1 7 一j 。 掇据美鐾趣娜的市场调鸯公司f o f s t s u l t i v 曩n 的调查释羰测显暴，全毽器各耪 光纤传感器的销售总额，1 9 9 7 年为5 6 亿美元，1 9 9 9 年则超过1 1 2 亿荚元。荫前全 球光纤传感器谗场年销售额约必8 6 亿美元。囊此可见池纤传感器市场戆发展楚j 常 迅速的。 我国光纤传感器的研究于7 0 年代寒起步j 。1 9 8 3 每召开丁第一次全国性光纡传 惑器会议。磅究工佟圭要集串程大学窝嫒究所。潢牮丈学、武汉理工大学、华中毽工 大学、踅庆大学、哈尔滨工业大学、南京大学以及南京航空航必大学等高校以及核工 选慧公蠢l 丸院、邀子王她帮1 4 2 6 酝等殛究院掰都在获攀竞野传感器豹砚变。磷究癌 容覆盏面也较广，包括用于测麓应变、振动、电流、电压、磁场、温度、水声、转动 等许多物理量鼹炎纾传感器，以及剥瑶兜纾僚感系统对材料窝结梅豹键壤凌况逡拄监 测。在“七五”规划中，提出了1 5 项光纤传感嚣项目，其中有光纤放射线探测仪、 光纤位移传感器、光绎陀螺、集成光学传感器、医用必好转感嚣、光终传感嚣娜匏骞 源、无源器伴的研霏等。国家发展计翊蚕员会和科学技术部予1 9 9 9 举锖8 定的当前 优先发展的高技术产业化重点领域指南以及2 0 0 1 年对该“指南”进行的修订都把 光纾转感器歹l 兔重点发展熬内容之一。 一赢以来，我国在光纤传感器的研究与开发，尤其是在商黼化、产业化方面，远 远溃是不了市场需求8 。与发达蓬家穗比，竞纾传感器戆枣凌链售禳舂我国转感器镇 售额的比例很小。近些年来，加大了有必光纤传感器关键技术科技攻关的力度，在光 纾健感嚣产品纯方瑟取褥了可鬻赞成绩。爨鲡在褒湿转感器窝蹩纤毙褥佟感嚣方鬣获 得了较大突破。1 9 9 8 年，武汉理工大学承担了“光纤传感技术图家工业憔试验基地” 项尽，避过对些关键按术懿敏感材料的工程纯接本、是纤传感器共有制造按术、光 纤传感器工程授术及器件、仪袭进行攻关，取褥许多成聚，并融通过国家级验收。依 托该基地组建7 武汉工大光纤传感科技股份有嫩公司，使科研成果走向产业化。该公 司将予i 0 年中累计投瓷1 0 1 7 8 万元，建成我嚣最大的汔纤传憨器示范生产基趣。该 项目将于2 0 0 2 年1 0 月歼始投入生产。项目建成后。预计年销倦收入将达5 亿元。 南京航空航天大学博士学位论文 1 3 光纤智能复合材料与结构 2 0 世纪7 0 年代，人们就已将光纤传感技术应用于复合材料领域。将光纤传感器 埋入复合材料，可以构成具有自检测、自诊断和f j 修复等智能化功能的光纤智能复合 材料与结构。本节简要分析光纤智能复合材料与结构的产生与发展历程。 1 3 1 光纤智能复合材料与结构的产生 随着先进复合材料技术及光纤传感技术的逐步发展及应用，以及由于它们各自所 具有的优势和实际工程应用的需求，8 0 年代后期，由美国军方首先提出并开展了一 项将两者结合的新兴技术智能材料与结构技术的研究。 智能材料与结构( s m a r t i n t e l l i g e n t m a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e s ) 是一门新兴的多学科 交叉的综合科学 1 1 , 1 2 。它可以简单定义为：将具有仿生命功能的材料融合到基体材料 中而制成具有智能功能的材料与结构。在智能材料与结构中融合有传感器、执行器和 控制器，因而使其具有智能和仿生特征。早在2 0 世纪5 0 年代，人们提出了自适应系 统( a d a p t i v es y s t e m ) 的概念，可以看作是智能材料与结构思想的雏形。智能材料与 结构的概念由美国军方于8 0 年代正式提出。1 9 8 8 年9 月，美国陆军研究办公室组织 了首届智能材料结构和数学的专题研讨会。1 9 8 9 年，日本航空电子技术审议会提出 了从事具有对环境变化作出响应能力的智能材料的研究。随后十几年中，智能材料与 结构的发展十分迅速，并且引起世界各国研究者的重视。目前，这一领域有许多国际 及地区性学术会议定期召开，以交流这方面的进展，如s p i ei n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u m o ns m a r ts t r u c t u r e sa n dm a t e r i a l s 、i n t e m a t i o n a l w o r k s h o p o ns t r u c t u r a lh e a l t h m o n i t o r i n g 、e u r o p e a n c o n f e r e n c eo ns m a r ts t r u c t u r ea n dm a t e r i a la 由于具有前述一系列独特的优点，光纤传感器是智能材料与结构研究中应用时间 最早、应用范围最广的传感器。1 9 7 9 年美国航空航天局将光纤埋入复合材料，用来 监测材料的应变及温度。到8 0 年代初这一段时期，研究的问题主要是光纤、光纤传 感器的选择与设计、光纤和复合材料相容性以及光纤埋入复合材料的工艺等。8 0 年 代中后期开始，光纤传感技术被用于监测复合材料固化过程、测试材料承载后的动态 性能以及评估材料的损伤等。9 0 年代初，光纤智能蒙皮完成关键技术研制和飞行性 能评估，开始进入应用研究。近年来，美国、加拿大和英国等国家的许多公司在多种 飞机的机翼等部件上安装了光纤传感系统并进行了成功的试飞研究。除了航空航天等 军事领域，光纤传感技术也被大量用于土木工程( 尤其是桥梁、大坝等大型建筑工程) 、 船舶、汽车等诸多民用领域，构成智能系统用来对结构的健康状况进行监测【n q 5 。 第一章绪论 1 3 2 国内外研究发展概述 l 智能表层 智能表层( s m a r ts k i n ，也称智能蒙皮) 是航空航天领域重点研究内容之一 1 1 , 1 2 1 o 它是将各种传感器、驱动器集成在飞行器的表层中。其功能为：使飞行器自动检洲并 自动适应周围环境的变化；具有识别、干扰、隐蔽通信、隐身和电子保障系统，以适 应电子对抗的需要。另外，对于材料表面及内部的损伤、缺陷、噪声和振动等，智能 表层具有自诊断、自修复和自适应的功能。 图1 5 为将光纤网络埋入d a s h 8 飞机表层中，形成的光纤智能表层( 见图中 深色部分) 。使用光纤智能表层的战机具有如下优点 1 2 ： ( 1 ) 通过监测复合材料表层的成型过程，可以提高材料的性能和可靠性，并可降低制 造成本； f 2 ) 起飞前可以自动进行对机身构件及表层性能的评估，以确定能否飞行； ( 3 ) 在飞行过程中，可以自动实时监测飞机受到的气动参数、应变以及温度变化等； ( 4 ) 在战斗过程中，可以监测飞机结构的损伤状况，并为飞行员提供作战参考； ( 5 ) 着陆后，可以利用智能表层系统记录的数据对飞机进行结构完整性评估以及必要 的维修。 图1 5 使用智能表层的飞机 在智能表层中，利用应力对b r a g g 光栅反射波长的影响测量材料的应变的技术已 较为成熟。在此基础上，英国南安普敦大学光电研究中心提出了用双波长光纤b r a g g 光栅同时测量温度和应变的方法“z ，”j 。e a d s ( e u r o p e a n a e r o n a u t i cd e f e n s ea n ds p a c e ) a i r b u s 试验中一t 5 将光纤b r a g g 光栅应变传感器安装在a 3 4 0 6 0 0 机翼表面，进行了现 场试验( 包括地面试验和飞行试验) ，如图1 6 所示【1 ”。试验结果表明光纤b r a g g 光 栅传感器与电阻应变测量的结果非常吻合。智能表层除了在飞行器的机翼中使用，也 在舰艇的蒙皮、推进器叶片等部件中使用。 南京航空航天大学博士学位论文 乙。哂峨， 、 图1 6 安装b r a g g 光栅传感器的a 3 4 0 6 0 0 1 7 1 2 结构健康监测 结构健康监测( s t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g ，s h m ) 的概念也源自仿生学，是智 能材料结构技术的一个重要研究方向。s l i m 技术通过将传感系统埋入或粘贴在主体 复合材料结构中，同时引入信号、信息处理等其他技术，使结构材料具有感知和预报 自身变形、缺陷、损伤、腐蚀和失效等一系列结构的非健康状态以及感知环境参数的 功能。s h m 是一种对材料与结构进行无损评估的新方法。其最终目的是为了用基于 健康状况的维修取代目前的基于计划的检查。它的提出，将把广泛使用的离线、静态、 被动的材料与结构的损伤检测，转变为在线、动态、主动的健康状况的监测，从而将 大大提高结构的安全性，延长结构寿命，降低结构维护费用，是工程结构设计思想的 一次革命。s h m 的概念一经提出即成为各国研究的热点，研究范围既包括航空航天 等军事领域，也包括向士建工程等民用领域的延伸 1 4 , 1 5 , 1 8 , 1 9 】。 1 9 8 8 年4 月美国一架波音7 3 7 发生灾难性断裂事故，使美国国会意识到飞机应 有自我诊断和预报系统，以避免发生类似事故；并通过议案，要求3 年内完成智能 ( s m a r t ) 飞机的概念设计【l2 1 。1 9 9 1 年，波音公司军事部提出智能结构健康监测系统， 把光纤传感网络集成在飞机结构内部中，以监测疲劳、裂纹、腐蚀、冲击、温升等情 况，确保飞机低成本、高性能地安全飞行。不久后，美国空军海军的智能金属结构 计划在n o r t h r o pg r u m m a r t 公司得以实施。该计划成功地使用了声发射传感器和光纤 传感器，进行损伤探测以及应变监测。 在s h m 系统中，损伤检测是主要研究内容之一。理想的损伤检测方法可以确定 损伤发生的时刻、位置、损伤类型、损伤大小及程度并预测发生损伤后结构的剩余寿 命。相关研究早在9 0 年代初就已经开始。图1 7 所示为一种基于光纤传感技术和神 经网络技术的损伤评估系统 1 2 , 2 5 】。该系统使用激光二极管为光源，通过星形耦合器把 光波传入光纤传感阵列。使用的光纤为保偏光纤或双模光纤。当图中位置受到外载荷 而产生损伤时，光纤传感阵列会输出一组信号，经检偏镜和准直透镜后进入神经网络 m ， 、义， ln、 ， ， 媳