外文翻译--在碳纤维复合材料的冲击损伤检测使用布拉格光纤光栅(译文）

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1、PDF外文：http:/ Tsuda H, Toyama N, Urabe K, et al. Impact damage detection in CFRP using fiber Bragg gratingsJ. Smart Materials & Structures, 2004, 13(4):719-724(6). 中文 4670 字  在碳纤维复合材料的冲击损伤检测使用布拉格光纤光栅  浩津田 ， Nobuyuki 富山， keiurabe 和 junjitakatsubo 仪器仪表研究所，国家高级工业研究所  科学与技术研究中心，筑 波，筑波

2、305-8568，日本  摘要  光纤超声波传感系统与光纤构建根据光的强度调制光栅从纤维反射的布拉格光栅传感器。这种光纤系统包括光纤布拉格光栅用于感测和滤波，宽带光源，以及相片探测器损坏监控使用光纤系统的可行性进行了研究。用产生的瞬态超声波兰姆波压电陶瓷脉冲发生器中交叉帘布层的碳化纤维与可见冲击损伤。光纤光栅传感器的拉姆响应波通过受损区域传播与基准进行比较响应于一个完整的区域。该响应信号的频率特性为了评价与损伤兰姆波相互作用进行了分析。此外，进行使用压电陶瓷传感器兰姆波检测用光纤布拉格光栅传感器的响应进 行比较。该实验结果表明，光纤光栅传感器媲美超声波检测和压电陶瓷传感器证

3、明了光纤系统能有效地冲击损伤检测碳化纤维。  1. 说明  由于其高的比强度和刚度，在过去的十年中纤维增强塑料（ FRP）有广泛用于航空航天结构材料和汽车上的应用。然而，玻璃钢有一个严重的缺点，即抗压强度患后显着减少从冲击损坏。出于这个原因，冲击损伤检测关键是要确保 FRP 结构的完整性。更多的注意力被应用在被称为智能结构的结构体系，其结构性条件是由内置传感器进行监测。最近，智能结构中的应用技术 FRP已被广泛研究  1-2。  该结构健康状态监测方法的 内置传感器可以被分类为两种类型：无源和有源传感诊断。无源遥感是一种监视任何改变单纯用无源传感器的结构

4、状况。在过去的几年中，许多研究已进行在无源传感与声发射传感器或光纤传感器 3-8。有源遥感是一个相当新的概念结构健康监测。有源传感系统包含脉冲发生器和传感器，以便它可以产生一个超声波，然后监视其响应 ,材料的损坏影响超声波的传播特性。因此，损伤的存在下，可确定当检测超声波信号偏离的参考信号未损坏的结构。 Chang 等人已经证明有源传感诊断结构健康效益 911。  虽然压电陶瓷（ PZT）装置已经常规地用作超声波 传感器，在主动感测系统 , 使用光纤布拉格光栅（ FBG 的）作为超声波传感器是非常有吸引力的。这是因为光纤光栅是重量轻，体积小且不受电磁干扰，此外，他们可以很容易地重复使

5、用 12-13。基于 FBG超声波检测的一些研究已经被报道 14-18 。据作者所知，但是，应用 FBG 的主动感应几乎没有报道。在本研究中，对损伤检测用的有源传感系统与一个 FBG 传感器的可行性进行了研究。一个具有可见损伤的跨层碳纤维被用作试样进行监测。一个 PZT 传感器 在试样中传播并将所得 FBG 传感器响应进行记录。在响应信号的行为上的损伤的影响 进行了研究。 此外，用压电传感器的超声波检测方法与用光纤光栅传感器的响应进行比较。    2 光纤布拉格光栅  2.1 光纤光栅的工作原理 12-13   光纤光栅是折射率的周期性扰动，这种扰动是沿

6、着芯的暴露所形成的纤维强烈光学干涉图案。当 宽带光传送到光纤光栅，一个窄带谱与反射一个中心波长称为布拉格波长，而其他波长的光被通过光纤向前传输。图 1示出了与光纤光栅和光强度的光学系统分配系统。在所描绘的光学循环图 1 是仅在一个光透射的光学元件方向通过一系列端口。在图 1 的情况下，光可以从端口 1 到端口 2 和端口 2 至端口 3，但不从端口 2 至端口 1 的布拉格波长， B 由下式给出等式：       n2B             (1) 其中 n和 是分别光纤的有效折射率芯和光栅周期 .

7、    材 料的折射率和光栅的光栅周期随温度和应变的光纤光栅进行。在布拉格波长的相对偏移， B，一个沿纤维轴的应用应变 恒定温度下条件是由方程（ 2） ： B = 0.787B在无应变的布拉格波长为 1550 nm 条件下，从以上方程强加的应变为 1%导致一个 FBG的布拉格波长 12.2 nm 的转变。当移动中的布拉格波长为正时，光纤光栅是拉长。相反地，当光纤光栅被压缩，布拉格波长转移到负。光功率对波长可以用光学光谱测量仪（ OSA）测量。 因此，应变可以通过从光纤光栅反射光的连接，例如 3 端口图 1 所示，在 OSA 的输入。  2.2  使用 F

8、BG 超声波检测原理      在微应变范围内，超声波的传播会引起高速应变变化。采样率 OSA 的是几赫兹处的最大值。由于低采样率， OSA 不能侦测高速应变的变化引起的超声波，这种波的频率范围从 100 千赫到几兆赫。具有波长强度转换技术的 FBG 传感器可以检测到高速应变变化。从 FBG 考虑反射的光进行到光学滤波器，其透射率的变化与波长。然后，光的强度发射通过过滤器依赖于 FBG 的布拉格光栅。换言之，光的强度，通过所发射的滤波器取决于施加到 FBG 的应变。光强可用光电检测器来测量。响应频率的光电探测器通常是在 10 MHz。 因此，高速应变变化 可以通过

9、使用光检测器的光学滤波器的光传输的测量来检测强度。 为了检测在微应变微妙的应变变化范围，光学滤波器必须满足严格的光学特性透过率的变化 ， 一窄波长范围包括传感光纤光栅的布拉格波长。 FBG 似乎适合光学滤波器因为他们有尖锐的波长特性的全半最大值（ FWHM）通常是小于 0.5 nm。 雷斯等人已经表明，利用光纤光栅作为光学滤波器 ， FBG 传感器可以检测超声波   16 。      考虑在图 2 所示的光学系统（ a） ,这个系统从 FBG 传感器反射的光被发送到另一FBG 进行过滤。通过过滤器发送的光变换为与光 检测器的电压信号。我们在这里假设在无

10、应变的 FBG 传感器具有一个稍长布拉格光纤光栅滤波器的波长比。图 2（ b） 显示光纤光栅滤波器的透射率和反射率的变化，光纤光栅传感器具有不同的应变应用于 FBG传感器。图中的实和虚曲线分别表示的反射率 FBG 传感器和 FBG 滤光器的透射率的。从 FBG 反射的光强度  传感器是由反射所包围的区域代表的曲线。另一方面，光可通过过滤器被发送，这种滤波器是由透射曲线所包围的区域所标示。因此，该区域传感器的反射率与过滤器的透射率重叠对应于光穿过 FBG滤波器透射强度。图 2（ b）表示面积阴影，当传感器 波长 C被压缩，布拉格波长由光纤光栅传感器转移到更短。然后重叠区域减小，从而使通

11、过所发射的过滤器的光的强度降低。当 FBG 传感器是细长的，布拉格波长向长波长移动 T.重叠地区发展和传播的光的强度过滤器的增加。因此，使用图 2所示的光学系统（ a），超声波可以被检测。     3.实验过程       实验装置采用的是如图 3 所示的，监测材料为 2901901 立方毫米碳纤维强化的环氧树脂层压板 （ T800H/3631） ，它的纤维体积分数为 60， 堆叠顺序为 0/902S。可见，此层包含椭圆形 65 15 平方毫米通过球滴在冲击能量引入损坏 7.35 J. 其中，图 4 显示了试样的破坏区在分裂和分层重叠