（测试计量技术及仪器专业论文）先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应用.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 光纤传感器作为一种先进的传感器，有许多优点，它的用途必然越来越广泛。本 文将光纤传感技术应用于编织复合材料的性能测试和在舰船试验研究中，所做主要研 究内容如下：根据迈克耳逊光纤干涉仪的原理，制作了基于迈克耳逊光纤干涉仪的传 感器，并研究了其在编织复合材料内部应变检测中的应用；研究了光纤布拉格光栅的 应变和温度特性，通过实验所测的光栅应变系数和光栅温度系数与理论计算值很相 符：研究了光纤布拉格光栅在编织复合材料多点的热应变检测中的应用：制作了含光 纤布拉格光栅的编织复合材料试件并研究了光纤布拉格光栅在编织复合材料多点的 内部应变检测中的应用；研究了光纤布拉格光栅在大型油船外载萄模型试验中的应 用，获得了比应变片更好的实验结果。 关键字：迈克耳逊光纤干涉仪，光纤布拉格光栅，三维编织复合材料，应变检测 本课题得到了国家自然科学基金重点项目( 5 0 1 3 5 0 3 0 ) 、国防预研项目( 4 0 2 0 3 0 2 0 2 ) 、 江苏省创新人才基金( b k 2 0 0 2 4 1 6 ) 、航空基金( 0 1 g 5 2 0 7 5 ) 的资助。 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应用 a b s t r a c t a sa na d v a n c e ds e n s o r , o p t i c a lf i b e rs e n s o rh a sm a n ye x c e l l e n c e sm a di t s a p p l i c a t i o n w i l lb em o r ea n db r o a d e lt h ea p p l i c a t i o no ft h eo p t i c a lf i b e rs e n s o rt ot h ep e r f o i t n a n c e t e s t i n go f3 - d b r a i d e dc o m p o s i t e sa n dt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo f s h i p sa r ed e s c r i b e di nt h i s t h e s i s t h ec o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w i n g s ： 1 am i c h e l s o nf i b e ri n t e r f e r o m e t e rs e n s o rw a sd e v e l o p e da n di t s a p p l i c a t i o nt o t h e t e s t i n go f t h ei n n e rs t r a i no f b r a i d e dc o m p o s i t e sw a ss t u d i e d 2 t h ef i b e r b r a g gg r a t i n g s ( f b g ) c h a r a c t e r i s t i c s u n d e rt h ef i e l do fs t r e s sa n d t e m p e r a t u r ew e r er e s e a r c h e d t h es t r a i l la n dt e m p e r a t u r ec o e m c i e n t so ff i b e rb r a g g g r a t i n g t e s t e db y e x p e r i m e n t w e l lm a t c h e dt h et h e o r e t i c a lc o e 衢c i e n t s 3 t h eb r a i d e dc o m p o s i t e sc o b r a i d e dw i t l lf b gs e n s o r sw e r ed e v e l o p e d b o t ht h ei n n e r t h e r m a ls t r a i na n dt e n s i o ns t r a i no ft h eb r a i d e dc o m p o s i t e sw e r em e a s u r e ds u c c e s s f u l l y b y t h ef b gs e n s o r s 4 t h ea p p l i c a t i o no ff b gs e n s o r st om o d e l e x p e r i m e n to f a g r e a tt a n k e rw a sc o n d u c t e d e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h ef b gs e n s o r sh a v eb e t t e r p e r f o r n l a n c e t h a nt h e t r a d i t i o n a ls t a i ng a u g e s k e yw o r d s ：m i c h e l s o nf i b e ri n t e r f e r o m e t e r , f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s or ，3 - db r a i d e d c o m p o s i t e s ，s t r a i nt e s t i n g i i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 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 1 - 3 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己为人们熟知，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 与输出功率p 。比值的对数的1 0 倍，即为： a = 1 0 1 9 ( p i p o ) 当光信号在损耗为1 0 0 0 d b k m 的光纾中传输l k m 以后，输出功率与输入功率的 比值为p = 1 0 4 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 ”。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 l 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 i n 以下，短短的十几年光纤通信技术就从实 验室研究走向实用化。 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 ) 开始实施光纤传感系统计划，标志着光纤传感器的问世。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 类己达近百种，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 仪表等民用领域。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： 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应用 ( 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 1 0 l 。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 c k & w i l c 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已用于预报地震。它具 有灵敏度高、结构简单、成本低等特点。o r i 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，在美国国防都、航空航天局等机构的主持下，在以下凡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【】。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 公司研制的红处辐 射温度传感器，配有i ，a n p a r k 信息处理器。英国坦克瞄准器制造公司b a r r s t r o u d 研制了一种光纤激光测距仪，已成为一流的军用检测设备，能提高武器的瞄准精度。 德国的光纤陀螺研究规模和水平仅次于美国。法国、意大利等国也投入相当大的力量 研制和开发光纤传感器。 日本早在8 0 年代就制定了“光应用计划控制系统”的七年规划，总投资为7 0 亿美元。用于解决强磁场干扰和易燃、易爆等恶劣环境下的信息检测、传输和过程控 制。日本有松下、三菱、东京大学等著名公司和大学从事光纤传感器的研究。每年申 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品的速度较快。目前已 有商品投入市场，如松下电器公司的光纤电流表、光纤电压表、光纤温度计、l e x 南京航空航天大学硕十学位论文 公司的红外辐射温度计等 l 3j 。 根据美困加州的市场调查公司f o r s t & s u l l i v a n 的调查和预测显示，全世界各种 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 亿美元。目前全 球光纤传感器市场年销售额约为8 6 亿美元。由此可见光纤传感器市场的发展是非常 迅速的。 我国光纤传感器的研究于7 0 年代末起步l l , 2 l 。1 9 8 3 年召开了第一次全国性光纤传 感器会议。研究工作主要集中在大学和研究所。清华大学、武汉理工大学、华中理工 大学、重庆大学、哈尔滨工业大学、南京大学以及南京航空航天大学等高校以及核工 业总公司九院、电子工业部1 4 2 6 所等研究院所都在从事光纤传感器的研究。研究内 容覆盖面也较广，包括用于测量应变、振动、电流、电压、磁场、温度、水声、转动 等许多物理量的光纤传感器，以及利用光纤传感系统对材料和结构的健康状况进行监 测。在“七五”规划中，提出了1 5 项光纤传感器项目，其中有光纤放射线探测仪、 光纤位移传感器、光纤陀螺、集成光学传感器、医用光纤传感器、光纤传感器用的有 源、无源器件的研制等。国家发展计划委员会和科学技术部于1 9 9 9 年制定的当6 u 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 光纤传感器列为重点发展的内容之一。 一直以来，我国在光纤传感器的研究与开发，尤其是在商品化、产业化方面，远 远满足不了市场需求【2 】o 与发达国家相比，光纤传感器的市场销售额占我国传感器销 售额的比例很小。近些年来，加大了有关光纤传感器关键技术科技攻关的力度，在光 纤传感器产品化方面取得了可喜的成绩，例如在高温传感器和光纤光栅传感器方面获 得了较大突破。1 9 9 8 年，武汉理工大学承担了“光纤传感技术国家工业性试验基地” 项目，通过对一些关键技术如敏感材料的工程化技术、光纤传感器共有制造技术、光 纤传感器工程技术及器件、仪表进行攻关，取得许多成果，并已通过国家级验收。 1 2 光纤光栅的发展与应用 1 9 7 8 年加拿大通信研究中心的k o h i l l 等人首次观察到掺锗的光纤的光敏性 ( 光纤纤芯的折射率在紫外线的照射下发生改变的特性) 并采用驻波干涉法制成了世 界上第一个光纤光栅【5 】，但由于这种方法写入效率低，并且光栅的周期完全耿决于入 射光的波长，因此当时并未引起人们的广泛关注。直到1 9 8 9 年，美国东哈特福德联 合技术研究中心的gm e l t z 等人用2 4 4 n m 紫外光双光束全息曝光法成功地制造出光纤 光栅f 6 l ，克服了驻波干涉法的缺点，从而在世界范围内掀起了光纤光栅研究的高潮。 光纤光栅是最具发展前途、最具代表性的光纤无源器件之一。 光纤光栅是在光纤纤芯内介质折射率呈周期性变化的一种光纤无源器件，其作用 相当于。个窄带的反射镜，只反射某一波长附近的光，其它光无损耗地透过。光纤光 栅主要有b r a g g 光栅( f b g ) 、啁啾光栅、长周期光栅等。光纤b r a g g 光栅是最简单、 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应用 最普遍的一种光纤光栅，其折射率调制深度和光栅周期都是常数。啁啾光栅的主要特 点是光栅周期不是常数，一般沿长度方向单调变化。长周期光栅的光栅周期长，一般 都大于1 0 0 “m 。 光纤光栅在通信领域有广泛的应用，可制成许多重要的通信器件。例如利用光纤 b r a g g 光栅的窄带高反射率特性构成光纤反射腔，依靠掺铒光纤等作为增益介质，可 制成光纤激光器，如图1 1 所示。除此之外，光纤b r a g g 光栅还可以制成光纤放大器、 b r a g g 光栅激光二极管和各种光纤滤波器以及组成光纤波分复用解复用系统。利用 啁啾光栅可制成光纤色散补偿器，如图1 2 所示。长周期光纤光栅能将光纤中传播的 特定波长的光波耦合到包层中损耗掉，可用做带阻滤波器等。 入牙j 图1 1 一种典型的光纤激光器原理 光栅周期增大 -包层 忻 图1 2 嘣啾光栅色散补偿器原理 随着光纤光栅在通信领域的应用，光纤b r a g g 光栅在传感领域的也越来越被人们 所关注。光纤b r a g g 光栅传感器是用光纤b r a g g 光栅作敏感元件的功能型光纤传感器， 可以直接传感温度和应变以及实现与温度和应变有关的其他许多物理量和化学量的 f 刚接测量。它除了具有普通光纤传感器重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用安全可靠 等优点外，还具有其独立的优点，如探头尺寸小，其直径与光纤等同：易于与光纤耦 合，耦合损耗小；波长调制型，抗干扰能力强；集传感与传输于一体且具有更强的复 用能力，易于构成传感网络；测量对象广泛，易于实现多参数传感测量等等。另外可 以根据不同的需要，加上各种不同的封装，制成测量温度、应变、压力、位移、电流、 磁场等不同的物理量的传感器，图l _ 3 是一些已封装的f b g 传感器。正是由于这些其 他传统传感器无可比拟的优点，使得光纤b r a g g 光栅传感器系统近年来在复合材料及 混凝土结构状态检测、电力工业以及能源化工等实际应用领域都取得了长足进展。 南京航空航天大学硕士学位论文 翻1 3 已封装的f b g 传感器 光纤b r a g g 光栅传感器的独特优点使得它们很容易通过粘贴于结构表面或者嵌 入结构内部，实现对结构状态的实时分布式监测。在结构制作期间，可以用它们实时 监测结构的质量状况：在结构建成之后，即可以通过它们来实时监测结构的健康状况 以及载荷分布情况。近年来，国际上有关光纤b r a g g 光栅传感器应用于这一领域的研 究活动非常活跃，也取得了相当多的实用成果。在桥梁结构监测方面，目前已有方法 可以实现静态应力、温度和瞬时应力三个参量的同时监测，如图1 4 所示为光纤光栅 对桥梁结构健康监测的方案。万里冰等人将光纤b r a g g 光栅埋于正在建设的呼兰河大 桥预应力箱梁中，测量了预应力张拉过程中混凝土结构内部的应变变化 刀。2 0 0 3 年6 月，上海紫珊光电技术有限公司与同济大学合作，将光纤光栅传感器应用于上海卢浦 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应州 大桥的动态应变测量及健康监测。 图1 4 光纤光栅对桥梁结构健康监测方案 光纤b r a g g 光栅传感器像其它传统的光纤传感器一样，具有良好的抗电磁干扰 性，因此它们也是电力工业中进行有关参数( 如温度、应力、电压、电流等) 监测的理 想传感元件。此外，由于它们可被写入1 5 5 0 r i m 波长的低损耗光纤，再加上它们强大 的复用能力，使得它们在长距离电力输电线载荷以及电力变压器绕组的分布式实时监 测方面，具有独特的优势，并于近年来相继丌发出了较实用的传感系统。如光纤b r a g g 光栅粘贴在磁致伸缩棒上，放入均匀磁场中便可测得磁场强度【8j ；光纤b r a g g 光栅粘 贴在磁致伸缩棒上，放入多层漆包线绕成的螺线管中，便可测得线圈中的电流大小【9 j 。 采用光纤b r a g g 光栅传感系统可以有效地实现长距离油气管道状态以及管道油 气泄漏的分布式实时在线监测。如v a l e r ym p e t u c h o v 等人利用一根或多根分布式光 纤光栅传感器可实现对油气管线内介质的温度、压力、流量、管壁应力等物理量实现 分布式实时在线检测 i o l 。光纤b r a g g 光栅传感系统也可以用来对海上石油钻井平台进 行实时健康监测。 近年来光纤b r a g g 光栅传感器应用领域的发展趋势表明，一方面，像以上所提到 的一些比较活跃的应用领域，系统的应用研究正朝着更深入、更实用和商用化的纵深 方向发展；另一方面，基于光纤b r a g g 光栅传感器独特的优点，新的应用领域不断地 被发掘出来，如医疗珍断、各种服务设施监控等，即其应用正向着更广泛的方向扩展。 1 3 光纤传感器在复合材料中的应用光纤智能复合材料与结构 复合材料是指由两个( 或两个以上) 独立的物理相，包括粘结材料( 基体) 和粒 料、纤维或片状材料等所组成的一种固体材料，它是由有机高分子、无机非金属或金 属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型多相材料。它既保留原组分材料的t 要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。它的分类方法有许多种，按其 基体材料的不同可分为三大类：聚合物基复合材料，金属基复合材料和无机非金属基 复合材料。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 南京航空航天大学硕士学位论文 以上】。如果按工艺分类，复合材料可以分为层合结构复合材料、缠绕结构复合材料、 拉挤复合材料和纺织结构复合材料。 现代复合材料工业是以2 0 世纪4 0 年代初玻璃纤维增强塑料( 玻璃钢) 的出现为 标志。早期的玻璃钢制品采用的增强材料有：无捻布、加捻布、短切毡、表面毡等： 树脂通常采用聚酯树脂和环氧树脂。到了6 0 年代，随着具有高比强度、高比模量的 碳纤维、硼纤维等高性能增强纤维的研制成功，以碳纤维环氧树脂为代表的先进复 合材料开始大量应用于航空航天等领域【1 1 , 1 2 。 与传统材料相比，在设计和制造上，树脂基复合材料有三个明显的特点：材料性 能指标设计自由，材料与结构一致，产品型体设计自由。可以通过设计使各组分的性 能互相补充，从而获得新的优越性能，这是一般材料所无法比拟的优点。树脂基复合 材料有许多优点，如：比强高、减振性好、耐化学腐蚀、破损安全性好等。其中层合 复合材料是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。它具有强度 高、铺层灵活等优点，已经广泛用于飞机、导弹、卫星和航天飞机中，如飞机舱门、 壁板、隔板、整流罩等。有的已经代替金属材料作为主承力构件。但常规的层合结构 复合材料也存在一些缺点，如：厚度方向的刚度和强度性能低，面内剪切和层间剪切 强度低，抗冲击能力差，易分层，不易制出复杂形状的构件等。这些缺点限制了层合 复合材料在航空航天等领域的应用。为了改善层合复合材料的性能，人们开始将纺织 技术中的编织技术与复合材料技术结合起来，最终产生了编织结构复合材料 1 2 , 1 3 。三 维整体编织复合材料是一种新型的高级纺织复合材料，其突出特点是： ( 1 ) 增强纤维在材料中相互交织，呈空间多向分布，从而形成一个是完全整体的、连 续的结构，使材料在各个方向上得到增强。这类材料己不再是层板结构，从结构 上克服了层合复合材料层间脆弱的缺点。三维编织复合材料具有质量轻、不分层、 比强度高、比刚度高，抗冲击、基体损伤不易扩展、综合性能好，以及耐烧蚀和 抗高温等优点。 ( 2 ) 三维整体编织技术可以直接编织出各种形状、不同尺寸的三维整体异型编织预制 件。例如三维整体厚壁圆管、圆柱体、锥套体、工型梁、t 型梁、l 型梁以及盒 型梁等。用其制成的复合材料制件不需再加工，避免了加工对纤维造成损伤。 ( 3 ) 可根据不同的需要，选择不同的性能纤维和基体材料，得到性能不同的三维编织 复合材料。这种材料是航空航天、兵器、汽车、船只等部门中为提高重要部件的 性能所急需的理想材料。 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 埋八复合材料，可以构成具有自检测、自诊断和自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 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应州 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 ) 是门新兴的多学科 交叉的综合科学1 1 4 , 1 “。它可以简单定义为：将具有仿生功能的材料融合剑摹体材料中 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，凶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 i l s 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 r n a t i o n a lw o r k s h o po i ls t r u c t u r a lh e a l t hm o n i t o r i n g 、 e u r o p e a nc o n f e r e n c e o ns m a r ts t r u c t u r ea n dm a t e r i a l 。 由于具有前述系列独特的优点，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 代中后期丌始，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i 1 4 。 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 4 ”】。 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：使飞行器自动检测并 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l5 为将光纤网络埋入d a s h 一8 飞机表层中，形成的光纤智能表层( 见图巾 深色部分) 。使用光纤智能表层的战机具有如下优点5 j ： 南京航空航天大学硕士学位论文 ( 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： ( 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 使用智能表层的刚i 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d s , 1 ”。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 e a n d s p a c e ) a i r b u s 试验中心将光纤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 2 0 l 。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。 图1 6 安装b r a g g 光栅传感器的a 3 4 0 6 0 0 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应用 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 h 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，也包括向土建工程等民用领域的延伸 1 7 , 1 8 , 2 1 , 2 2 。 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 1 5 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 l u m m s n 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。 在s h m 系统中，结构的应变( 应力) 是需要检测的基本参数之一。应变( 应力) 的检测方法通常有电阻应变法、光弹测法、云纹法、全息干涉法等【2 3 1 。但很多情况下 这些方法并不适合对复合材料的应变、温度等参数的检测。尤其对复合材料内部参数 的检测，更是无能为力。将光纤传感器粘贴在复合材料表面或埋入其内部，则可对这 些参数进行检测。 目前用于智能材料结构研究的光纤传感器主要有偏振式传感器、微弯传感器、 f a b r y p e r o t 传感器以及光纤布拉格( b r a g g ) 光栅等。偏振式传感器利用外界因素改 变光的偏振特性，通过检测光的偏振态的变化来检测外界参数。微弯传感器是利用光 纤的微弯损耗原理进行工作的。这两种传感器的优点是结构简单、成本低，但其测量 值通常是平均值。f a b r y p e r o t 传感器和b r a g g 光栅则是基于对光波长进行调制的原理。 它们的优点是灵敏度高；既可以进行点测量，也可实现准分布测量。但它们的制作工 艺较复杂：使用时也常需要宽带光源、光谱仪等仪器。 已有大量文献报道了使用光纤传感器对层合复合材料的研究 1 6 - 1 8 , 2 4 - 2 6 】。但针对编 织复合材料的相关研究却较少，公开发表的文献也较少。e 1 。s h e r i f 等人初步探索t j j o 南京航空航天大学硕士学位论文 用多模光纤的模功率调制( m o d e p o w e r m o d u l a t i o n ) 方法对编织复合材料试件的受力 情况进行监测i 朔。图1 7 为该研究的试验装置示意图。试验结果表明：在较低的应力 水平下，光纤传感器就有较高的灵敏度：随着应力水平的提高，光的模功率发生了的 重新分布。 l e d 阵列试件 | 墨| 像处理 图1 7 采用模功率调制的试验装置示意圈 国内南京航空航天大学、重庆大学、华中理工大学、哈尔滨工业大学等单位在结 构健康监测的研究中也取得许多成果，如自适应复合材料、光纤智能结构的自诊断、 自修复，利用声发射技术和小波分析、神经网络对损伤进行定位等 2 8 - 3 5 】。其中，南京 航空航天大学智能材料与结构研究所研制的强度自诊断白适应智能复合材料结构，将 光纤传感器、压电传感器等埋入大型复合材料试验件，实现了多种损伤的在线自 诊断及自适应，达到了国际先进水平，部分成果属国际首创，获得了国家发明 三等奖。重庆大学、南京航空航天大学、西北工业大学合作完成的国家自然科学基金 重点项目“智能机械结构及系统基础”也取得了多项成果，如建立了光纤b r a g g 光栅 应变传感器性能指标与工艺关系之间的模型关系，提出了模态向量重构的主动振动控 制方法等。该项研究获得教育部科技进步二等奖。 除了航空航天等军事领域，s h m 技术也被大量应用于土木等民用领域【1 6 , 2 2 , 3 6 - 4 4 。 1 9 8 9 年，美国b r o w n 大学的m e n d e z 等人首先提出把光纤传感器用于混凝土结构的 健康检测。同年，f u h r 等人在美国8 鲥州际公路桥上粘贴了光纤传感器用于检测桥的 共振频率。1 9 9 2 年，f u h r 等人在v e r m o n t 大学内的s t a f f o r d 大楼内埋入了4 k m 长的 光纤传感器，用来检测结构的振动、承受的风压以及关键部位的温度和应变等，以评 估结构的健康状况。1 9 9 3 年，f u h r 等人在w i n o o s k i 水坝中埋入了约6 4 k m 长的各种 光纤，用于检测水坝的振动及其上下游表面的水流速度和压力。1 9 9 5 年，i n a u d i 等人 将光纤传感器埋入地下建筑( 桩基、隧道等) ，用于检测其受力情况。1 9 9 7 年，在加 拿大q u e b e c 省的s a i n t f r a n c o i s r i v e r 上建起了一座名为j o f f r e b r i d g e 的桥梁。它采用 了碳纤维增强复合材料，并且大量使用了包括光纤传感器在内的多种监测传感器。加 拿大r o c t e s t 公司研制的基于f a b r y - p e r o t 白光干涉原理的一系列产品，可以对结构表 面及内部应变( 应力) 、温度、位移、裂缝、孔隙压力等状况进行监测。在国内，重 庆大学光电技术教育部重点实验室也成功将光纤传感器埋入虎门大桥，实现对桥梁健 康状况的长期、实时监测。石家庄铁道学院大型结构健康诊断与控制研究所也正在研 究将光纤测试技术用于辽河大桥的健康监测以及吴忠黄河大桥施工阶段的健康监测。 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应用 1 4 本文的研究意义和内容 随着科技的发展，光纤器件的价格会越来越便宜，光纤传感器作为一种先进传感 器的优势会越来越明显，其应用范围也会越来越广泛。特别是随着光纤光栅解调技术 的发展，廉价高性能的解调器必将出现，那将会大力推动光纤b r a g g 光栅传感器的发 展。编织复合材料作为一种先进材料，已经被用于制造军用预警机的天线圆盘、飞机 的雷达天线罩、水平安定面、导弹的锥套、头部及火箭喷嘴等部件。编织复合材料在 航空航天等军事领域的应用日益广泛。三维编织复合材料具有十分优异的综合性能， 但人们对它的了解还远远不够，对编织复合材料的力学特性的研究大多针对刚度，而 强度研究的工作较少 4 5 , 4 6 。因此本文主要是使用光纤传感技术和测试技术对三维编织 复合材料的性能进行了研究。将光纤传感技术应用于编织复合材料，国内外公开报道 的研究几乎没有，相关研究的难度和工作量都很大，涉及范围也很广。在舰船试验研 究中，经常需要在水中做实验，使用应变片等传感器很容易被腐蚀，不能长期使用， 而光纤传感器有很强的抗腐蚀能力，研究用光纤传感器来代替应变片有非常重要的意 义。 本文从光纤传感器的理论开始，进行了一系列具有重要意义和创新性的研究。首 先分析了光波导理论、光纤b r a g g 光栅和m i c h e l s o n 光纤干涉仪传感理论，接着研制 了m i c h e l s o n 光纤干涉仪传感器并将其应用于三维编织复合材料的内部应变检测，然 后研究了光纤b r a g g 光栅的应变和温度特性，再利用光纤b r a g g 光栅对三维编织复合 材料的多点热应变和内部多点的应变进行了分布测量。最后在大型油船外载荷模型试 验中，采用光纤b r a g g 光栅对不同波浪条件下的船体载荷数据进行了分布测量。 随着三维编织复合材料在航空航天等领域的应用越来越广泛，对编织构件的健康 状况进行监测成为迫切的需要。在编织复合材料中编入光纤传感器，可以使材料构件 具有自检测、自诊断等功能。传感器可以检测结构内部的应变、振动以及损伤等参数， 为结构健康评估提供重要的信息。本文还首次尝试了将光纤b r a g g 光栅应用到船舶试 验研究中并且获得了比应变片测量更好的效果。本文的研究成果，对进一步研究编织 复合材料的性能、编织构件的结构健康监测以及促进编织复合材料在国内的应用具有 重要意义。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章用于编织材料内部应变检测的光纤传感器原理 2 1 引言 将光纤传感器编入三维编织复合材料中，可以检测材料内部的应变、损伤，并使 材料具有实时自检测功能。本章首先分析了光波在光纤中传播的原理，介绍了射线理 论、模式理论及其应用。进而分析了光纤传感技术中的调制方法以及光纤传感器的工 作原理。最后分析了麦克尔逊干涉计和光纤布拉格光栅的传感原理。 2 2 光纤 按照光纤折射率分布的不同，光纤可以分为梯度光纤和阶跃光纤。梯度光纤的纤 芯折射率沿光纤径向递减，也叫渐变折射率光纤，如图2 1 所示。阶跃光纤的纤芯折 射率沿光纤径向保持不变，如图2 2 所示。 厂， 弋当乡。 芯 厂弋豸 乙乡 ； j c 2 ，、 2 ： r j 姚 嘶 。雕 表 靴 嗽 删 。攀盯一 。布袱让 分用 猃 舢 率以 确 谢可一一 ：雌 能布 一 吨彤 鬻懋一 鬟棚z 粕栅 鞭 仁， + ) “艄 倦 配萋| 肼 先进光纤传感器及其在材料结构性能测试中的应用 包层的相对折射率差，定义为： ：鱼二昙l( 2 2 ) 2 n 1 式( 21 a ) 中的口称为折射率分布指数。对于梯度光纤，通常取口= 2 ，也称平方律型 或抛物线型折射指数分布。当时o 。时，式( 2 1 a ) 表示阶跃光纤的折射率分布。 由于传导的光线一般不进入包层，一般只需考虑纤芯的折射率分布。对a = 2 的 梯度光纤，纤芯的折射率分布可近似地表示为： n o ) 门1 一( 言 2 l c 2 3 ， 2 3 光波在光纤中的传播原理 研究光波在光纤中传播的理论主要有两种：射线理论和模式理论。 射线理论是把光当作射线，应用几何光学中的反射和折射原理解释光波在光纤中 的传播。其主要特点是：描述方法简单、直接，易于通过实验验证理论是否j 卜确。对 简单问题采用射线理论可以得到精确的结论，但对复杂的问题只能给出粗糙的结果。 模式理论是把光当作电磁波，把光纤当作光波导，根据电磁场理论中的麦克斯韦 方程组求出波动方程，然后求解偏微分方程，得出电磁场分布的模式来解释光纤中的 光传输现象。模式理论可以比较完整和全面地解释光纤中光波的传播。但由于求解比 较繁琐和困难，有时需要与射线理论结合使用。 2 3 1 射线理论及应用1 4 7 ，4 8 1 射线方程 在无源的情况下，麦克斯韦方程组具有以下形式 v 。疗：望 研 v 。云；一丝 v 西：0 v 云：0 式中，疗是磁场强度，丘是电场强度，西是电位移矢量 别满足： b = 2 氏五 茜= 两 其中，”j , j j i k 射率，为介电常数，u 。为导磁率。 ( 2 4 a ) ( 2 4 b ) ( 2 4 c ) f 2 4 d 1 雪是磁通量密度。西和雪分 f 2 5 a ) ( 25 b ) 14 堕室堕窒堕丕查兰堕主堂篁堡苎 将式( 2 5 a ) 和( 2 5 b ) 代入麦克斯韦方程组有 v t 孕= n 2 s o 荸 ( 2 6 a ) v 池确警 ( 2 6 b ) 对式( 2 6 b ) 取旋度，可得 v ( v x ) + n 2 e o , u o 譬= o ( 2 7 ) 又因为 v ( v 丘) = v 勺豆) 一v 2 五( 2 8 ) 考虑到 v 。d 20 ( 2 9 ) 代入式( 2 5 a ) 有 n 2 v 云+ 雪v n2 = 0 r 2 1 0 ) 上式代入式( 2 7 ) 和( 2 9 ) 得到波动方程 俨衲一罟 = n 2 e o u o 0 2 e 考虑到一般情况下介质是不均匀的，则n 是空间坐标x ，y ，z 的函数。设波动方程 的平面波的解如下： 雷= 户0 ，y ，z ) e 【“( w ) 1 f 2 1 2 ) ，和s 都是空间坐标的函数，常数u 是角频率，它与实际频率，的关系是： 2 2 矿 r 2 1 3 ) 将式( 2 1 2 ) 代入( 2 1 1 ) 得到 p 2 m 巾趴陋) 一) 2 p + n 2 a , 2 e o , u o p “h 一孚 = 。 ( 2 1 4 ) 假定真空中光波的波长趋于零，即矗寸0 。这样可以把射线光学看作零波长极 限下的波动光学，因而也可以舍去一些项，得到 ( w ) 2 = n z k 2 r 2 1 5 ) 式中 r 一 2 n - k 2 。0 4 c o