分层mach

文章编号:1000-3851(2004)01-0129-05收稿日期:2002-10-09;收修改稿日期:2003-03-27基金项目:国家自然科学基金项目(60277015)通讯作者:江毅,博士,副教授,主要研究方向是光纤传感器和智能结构,现在北京理工大学从事教学与科研工作E-mail:jy.
jy@263.
net埋入光纤Mach-Zehnder干涉仪检测复合材料梁的分层江毅1,许颖2,ChristopherKYLeung2(1.
北京理工大学光电工程系,北京100081;2.
香港科技大学土木工程系,九龙,香港)摘要:将光纤Mach-Zehnder干涉仪的传感臂埋入到复合材料梁的中性层来检测梁的分层.
不论梁是连续支撑还是简单支撑,均取得了很好的实验结果.
通过用榔头连续下压梁,由光纤干涉仪可以得到一条输出曲线,从这条曲线就可以准确判断梁内部是否存在分层,以及分层的位置.
关键词:复合材料;分层;光纤传感器;Mach-Zehnder干涉仪中图分类号:TIV252文献标识码:AEMBEDDEDFIBEROPTICALMACH-ZEHNDERINTERFEROMETERFORTHEDETECTIONOFDELAMINATIONINCOMPOSITESJIANGYi1,XUYing2,ChristopherKYLeung2(1.
DepartnentofPhoto-ElectronicsEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081,China;2.
DepartmentofCivilEngineering,HongkongUniversityofScienceandTechnology,Kowloon,HongKong,China)Abstract:ThesensingarmofafiberopticalMach-ZehnderInterferometerisembeddedintothemiddleofcompositebeamstodetectthedelaminationinthebeams.
Goodresultsareobtainedshowingthedelaminationscanbedetectedeasilywhetherthebeamsaresimplysupportedorcon-tinuouslysupported.
Bypressingthebeamcontinuouslyusingahammer,theoutputcurvecanbeobtainedfromthefiberopticalinterferometer.
Onecanjudgeifthereexistsdelamination,andwherethedelaminationisfromthecurveexactly.
Keywords:composite;delamination;fiberopticalsensor;Mach-Zehnderinterferometer复合材料已经广泛地用于航天航空领域,并且已开始用于民用工程领域,如修复混凝土结构的裂缝.
复合材料一般是多层碳纤维叠层后高温高压制成的.
复合材料失效的最主要原因是由于低能量的冲击力造成的材料分层,这种分层在材料受到反复载荷时会逐渐地扩大,最后材料失效造成事故.
由于分层会造成复合材料逐渐失效,所以希望能在事故发生前检测出分层.
但分层一般在材料内部,不是肉眼可以看见的,因此传统的检测方法是用超声或X射线技术.
但这些技术需要的设备昂贵,只能逐点探测,而且效率低.
从80年代中期,就有人开始探索使用光纤传感器来检测复合材料的分层[1~3],这是由于光纤和碳纤维的力学性能相容,光纤传感器具有非常高的探测灵敏度.
尽管有各种各样的光纤传感器,但由于复合材料的分层非常微小,只有干涉型的光纤传感器才能有足够的探测灵敏度.
文中用笔者开发的光纤Mach-Zehnder干涉仪对复合材料的分层进行了检测.
实验证明,这是一种可行的分层检测技术.
1光纤Mach-Zehnder干涉测量仪笔者开发的这套光纤干涉测量仪的基本原理如图1所示.
它是基于3*3耦合的光纤M-Z干涉仪.
干涉仪的输入端是1只2*2耦合器,输出端是1只3*3耦合器,外部扰动信号加在干涉仪的传感臂上.
在理想等分光比情况下,3*3耦合器的3个输复合材料学报ACTAMATERIAECOMPOSITAESINICA第21卷第1期2月2004年Vol.
21No.
1February2004图1基于3*3耦合器的全光纤Mach-Zehnder干涉仪Fig.
1FiberopticMach-Zehnderinterferometerbasedon3*3coupler出端互成120°,干涉仪的输出可以表示为fn(t)=C+Bcos[O(t)-(n-1)23c](1)n=1,2,3,分别代表第1、2、3路输出.
H(t)是干涉仪两臂的光程差.
3路输出信号经过后续电路的处理和运算,就可以解调出加在传感臂上的物理信号.
文献[4]中详细讨论了这种干涉仪的解调技术.
2分层探测测量原理复合材料用24层碳纤维薄膜叠起,每2层间刷上一层薄的环氧树脂胶.
粘叠上12片后,放上一段光纤,光纤的走向与碳纤维的走向一致,再继续粘叠.
粘叠完后检测光纤在复合材料厚度的中间,理想情况下是中性层.
将埋入光纤后的碳纤维板放在Autocleave中,在50℃和5065kPa,-30Pa的真空下放置2h,取出后裁剪成300mm*35mm*3mm的梁.
复合材料分层探测的测量系统如图2所示.
将复合材料中的光纤作为Mach-Zehnder干涉仪的一个臂,外部的力加到复合材料梁上;干涉仪的另一个臂作为参考,保持不受外界的干扰.
干涉仪的信号输出通过USB接口送到计算机,在计算机上显示出外部的扰动信号.
图2测量系统Fig.
2Schematicofthemeasuringsystem当在复合材料梁上加力信号时,干涉仪的输出光相位就会发生变化,并与传感臂光纤的长度变化成正比.
由于埋入梁内部的光纤长度一定,因此干涉仪的输出相位变化也是梁的积分应变.
若材料有分层,其积分应变与没有分层时就会有所不同.
差别取决于分层的大小和加载力的位置.
当外加力不在分层位置时,光纤检测到的积分应变不会有明显的变化,但当力加到分层上时,光纤检测到的积分应变就会有明显的变化.
这时所加力的位置就是分层的位置,应变变化的幅度就反映了分层的大小.
因此,当沿着梁的方向在不同的位置施加力(下压后再释放),画出积分应变与位置的关系,就有可能找出分层的位置和大小.
外加力使用B&K8202榔头,带有力传感器(8200).
用手握住榔头下压复合材料梁,将导致梁产生轻微的变形,光纤Mach-Zehnder干涉仪测量出变形的幅度.
同时,力的大小通过电荷放大器(B&K2635)放大器后由示波器(Tektronix2212)记录并读出.
3无分层复合材料梁的实验第一组实验用没有分层的梁,分别在连续支撑和简单支撑状态下进行实验,以便和后面有分层梁的实验结果进行比较.
梁的尺寸为300mm*30mm*3mm.
首先将梁粘贴在刚性表面,成连续支撑状态.
将梁沿长度方向分成30点,从第4点到第24点依次加压.
在本组实验中,由于没有分层,所以将对梁加压力的点取在梁中间.
实验结果如图3所示.
纵坐标为位移,即外力下压梁时光纤产生的形变量.
横坐标为时间轴,亦可理解为压力榔头下压在梁上的位置,因为测试开始后图3梁在无分层连续支撑时光纤干涉仪的输出Fig.
3Theoutputofinterferometer(nodelamination,continuouslysupported)·031·复合材料学报30s内从第4点到第24点连续地下压.
从图3可以看到:外加力连续加在连续支撑的无分层梁上,梁在没有分层时,在梁2端,干涉仪稍微有一点振荡输出.
而在整个梁的其他部分,没有信号输出.
这是由于光纤在梁的中性层,而梁又是连续支撑的状态下,尽管用压力榔头下压复合材料梁,但梁并不会产生变形,即干涉仪没有信号输出.
图3中的曲线有一个向上的趋势,这是光纤干涉仪的背景输出.
其原因在于外界环境(温度、气流)对干涉仪的影响和激光器的输出还没有稳定.
测试信号叠加在背景信号中,其频率要远高于背景信号,因此可以明显地区分出来.
另外1组实验是将被测梁以简支梁形式放置,2简支点在梁2端,相距270mm,2支撑点距离梁的2边均为15mm.
将支撑点内的梁每隔10mm标记1个点,从第1点到标到第28点.
由于受压时在支点附近梁的形变很小,所以在后面测量中都是从第4点到第24点.
测量方法与前面一样,对简支梁逐点下压进行测量.
图4为30s内,用榔头依次从第4点直到第24点向下压梁,干涉仪所得到的输出信号.
可以看到在简支状态,由于梁没有被固定死,每一次下压和释放时,梁都有轻微的抖动.
因光纤放置在中性层,而尽管下压梁时,梁产生了明显的变形,但位于中性层的光纤并没有产生形变.
图4梁在无分层简单支撑时光纤干涉仪的输出Fig.
4Theoutputofinterferometer(nodelamination,simplysupported)4连续支撑有0.
1mm分层的梁制作了与上面试件尺寸相同的但有分层的复合材料梁.
光纤还是放在梁的中性层,在粘叠上第18层碳纤维纸后,在梁的中间放入1张Teflon薄层,长100mm,厚0.
1mm,做一个人为制作的分层.
复合材料板在Autocleave中压好取出后,再将Teflon薄膜拉出,形成0.
1mm的分层.
最后将板裁剪成梁.
试件制作好后,梁长300mm,宽35mm,厚3mm,光纤在梁的中性层,距2边缘分别为15mm和20mm.
分层在梁厚1/4处,从梁左边95mm到195mm(或者从标识点的第9点到第18点),分层的宽度为10mm.
试件和分层如图5所示.
图5复合材料试件和分层(顶视)Fig.
5Thecompositespecimenanddelamination(topview)先做梁在连续支撑时,用光纤干涉仪来检测分层的实验.
在这个实验中,分层并不在光纤的正上方,从分层边缘距离光纤还有5mm.
因此完成了2组实验:沿光纤下压梁和沿分层下压梁.
4.
1沿光纤下压梁的实验在光纤上方,沿着梁的方向从第4点到第24点,用榔头对梁加压并释放.
每压1次,在干涉仪上得到1个积分应变输出,如图6所示.
同时在示波器上记录下力的值,由于用手压时不可能每次压下的力完全一样,所以还应该将干涉仪的输出除以外加力(从示波器上可以读出),得到归一化的信号输出,如图7所示.
图6干涉仪的输出(0.
1mm分层,连续支撑,下压点在光纤上)Fig.
6Theoutputofinterferometer(0.
1mmdelamination,continuouslysupported,pressonopticalfiber)在图6中,从第4点到第8点,以及从第19点到第24点,只有轻微的振荡输出,光纤并没有产生位移.
当下压点一旦进入分层区间,下压梁就会引起光纤产生轻微的变形,从干涉仪的输出就可以看到明显的变化,每下压一次,就有一个明显的尖峰出现.
从归一化的输出图更能看到分层的位置在第9·131·江毅,等:埋入光纤Mach-Zehnder干涉仪检测复合材料梁的分层点到第18点之间.
这个实验的意义在于,将光纤埋入到复合材料内部后,即使材料的分层位置不恰在光纤埋设的位置,但只要离光纤不太远,通过沿光纤路径逐点下压材料,也可检测到分层.
图7归一化信号输出(0.
1mm分层,连续支撑,下压点在光纤上)Fig.
7Normalizedoutputofinterferometer(0.
1mmdelamination,continuouslysupported,pressonopticalfiber)4.
2沿分层下压裂缝的实验在分层上方,沿梁方向画1条线,同样将梁沿长度方向分成30点,从第4点到第24点依次下压梁.
只是这次压在分层上,而不是梁上.
光纤干涉仪的输出如图8所示,归一化的输出如图9所示.
从图9可清楚地看到:从第10点到第20点之间,下压梁均引起了光纤明显产生形变,说明在这个位置存在分层.
只是实际的分层位置在第9点到第19点间,由于下压点不在光纤上方,使得检测到的分层位置有一点偏移.
图8干涉仪的输出(0.
1mm分层,连续支撑,下压点在分层上)Fig.
8Theoutputofinterferometer(0.
1mmdelamination,continuouslysupported,pressondelamination)实验说明,即使分层不在光纤的位置,一旦下压在分层上,光纤也会产生微小的形变,从而用光纤干涉仪也可检测出分层.
图9归一化信号输出(0.
1mm分层,连续支撑,下压点在分层上)Fig.
9Normalizedoutputofinterferometer(0.
1mmdelamination,continuouslysupported,pressondelamination)5简单支撑有0.
1mm分层的梁这组实验中同样用前1组实验中使用的梁在简单支撑时,用光纤干涉仪来检测分层的实验.
同样分为压力点在光纤上和压力点在分层上2种情况.
实验方法与前面相同,但施压力点从第4点到第26点.
图10为压力点在光纤上干涉仪的输出信号.
从图10可以看到:在简支状态下,每下压1次,在榔头接触梁的瞬间,梁均有轻微的振动.
每压1次,干涉图10干涉仪的输出(0.
1mm分层,简单支撑,下压点在光纤上)Fig.
10Theoutputofinterferometer(0.
1mmdelamination,simplysupported,pressonopticalfiber)仪均有输出信号,并且梁2端的输出幅度小,而梁中间的输出幅度大.
但没有反映分层存在的信息,说明当分层和光纤不在相同位置时,在光纤位置下压梁,从干涉仪中不能得到分层信息.
但将图10与图4比较,也能够看出:由于有分层存在,改变了梁的力学性能,使原来光纤所处的中性层位置不再是中性了,因此干涉仪有了信号输出,并且在梁中间的形变大于2端的形变.
而在没有分层的图4中,位于中性层的光纤是没有变形的.
·231·复合材料学报若压力点在分层上,干涉仪的输出信号如图11所示.
榔头在接触梁的瞬间,梁就有轻微的振动.
但在有分层的地方,干涉仪的信号输出和没有分层的地方的信号输出是反向的.
从图11中看到:第11点到第19点之间,干涉仪的信号输出反了向,说明这个地方存在分层.
实际上,在第9点到第19点间存在分层.
由于分层位置不在光纤位置,所以干涉仪测得的分层位置与实际的分层位置偏移了一个点(10mm).
图11干涉仪的输出(0.
1mm分层,简单支撑,下压点在光纤上)Fig.
11Theoutputofinterferometer(0.
1mmdelamination,simplysupported,pressonopticalfiber)图12归一化输出(0.
1mm分层,简单支撑,下压点在光纤上)Fig.
12Normalizedoutputofinterferometer(0.
1mmdelamination,simplysupported,pressonopticalfiber)图12是图11的归一化输出(图中第10点被认为是振荡,所以取零),可以更明显地看出分层的位置.
6结论将光纤Mach-Zehnder干涉仪的传感臂埋入复合材料梁的中性层,用榔头对梁逐点下压的方式检测复合材料的分层,取得了很好的实验结果.
若梁处于连续支撑的时候,下压点在没有分层的位置干涉仪就没有输出信号,一但出现分层,干涉仪立刻就有信号输出.
若梁处于简单支撑的时候,在材料有分层的附近,下压梁时,干涉仪均会有信号输出,但在有分层的地方,干涉仪输出的信号和没有分层的地方输出的信号是反向的.
之所以分别讨论梁处于简支和连续支撑下,用Mach-Zehnder干涉仪测量的结果,是由于在实际中的复合材料常处于这2种状态.
在飞行器上,梁更趋向于简支状态.
而复合材料用于加固和修复结构时,常处于连续支撑状态.
从实验中不难看出,无论那种条件下,均可以用这一技术检测出材料的分层.
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·331·江毅,等:埋入光纤Mach-Zehnder干涉仪检测复合材料梁的分层