[发明专利]一种大尺度复合材料应变空间高密度监测方法及系统

说明书

一种大尺度复合材料应变空间高密度监测方法及系统，该系统包括：光纤传感器、扫描激光器、测试干涉光路、信号采集模块、信号处理系统。其中，光纤传感器是被嵌入于复合材料内或贴于其表面的一根刻有空间紧凑型等波长光栅子阵复合阵列或刻有多波长光栅子阵复合阵列的光纤；扫描激光器是一个窄线宽波长线性扫描激光器；测试干涉光路的功能包括产生参考干涉信号和携带应变信息的干涉信号；信号采集模块功能包括解波分、光电转换、模拟信号采集、信号模数转换；信号处理系统功能包括扫描激光器控制、采集模块控制、光栅传感信号数字处理、应变信息分析。本发明能在大尺度复合材料上实现应变的高空间密度监测。

技术领域

本发明涉及应变测试领域，尤其涉及一种大尺度复合材料应变空间高密度监测方法及系统。

技术背景

复合材料由于其优越的性能被广泛应用于航空航天、海洋、航空、交通、体育/休闲和土木工程领域中，特别在航天航空领域，为了提高飞行器的综合性能，满足更高性能的飞行要求，各种航空航天飞行器广泛采用大尺度、轻质的薄壁柔性复合材料。然而虽然复合材料带来的益处颇多，但由于其具有材质复杂、尺寸较大且轻薄等特点，在外界环境作用下容易产生结构振动、形变、疲劳等问题，给飞行器带来不小的安全隐患，因此需要在飞行器地面性能检测和飞行过程期间对复合材料进行实时的结构健康监测，及时对材料结构安全和性能缺陷进行检测、识别、定位和评估，从而实时有效的维护和安全操作。

一般复合材料上若存在对材料结构构成安全和性能缺陷的损伤时，则损伤点周边的应力分布会发生相应的变化，因此可以通过检测复合材料上的应变分布变化来判断是否存在损伤。相比于热电偶、热敏电阻等，光纤光栅传感器因具有空间高密度复用、质量轻、绝缘、易埋设等特点更适用于大尺度复合材料的高精度应变传感。常规的基于光栅传感器的应变检测技术由于受到光源波长扫描范围的限制或大量等波长光栅复用后的回光信号信噪比低等问题的影响，无法在大尺度飞行器复合材料上实现空间高密度的应变高精度监测。

现有技术一【李政颖,孙文丰,王洪海.基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究[J].光学学报,2015,35(8).】本文基于OFDR技术，在单根光纤上实现了200个全同超弱反射光纤光栅的复用，光栅间隔为20mm，但是探测有效长度只有4m左右。

现有技术二【周松.基于FBG的铁路安全监测传感网络的复用技术应用[J].信息通信,2019(6).】本文基于常规光栅波长解调技术，并结合波分复用、时分复用及空分复用技术构建光纤光栅传感网络，达到公里量级的传感距离，但是应变的空间分辨率较差,为厘米量级。

发明内容

本发明专利的目的在于克服现有技术的不足，提出一种大尺度复合材料应变空间高密度监测方法及系统，在大尺度复合材料上实现空间高密度的应变监测。

本发明的技术解决方案如下：

提供了一种大尺度复合材料应变空间高密度监测方法及系统，系统包括：光纤传感器、扫描激光器、测试干涉光路、信号采集模块、信号处理系统。

所述的光纤传感器是是由一根刻有等波长光栅子阵复合阵列的光纤构成，该光纤长度大于100m，所述的等波长光栅子阵复合阵列是由n个光栅子阵串联而成，每个光栅子阵之间的间隔低于1mm，且每个光栅子阵的波长不相同，所述的光栅子阵由物理长度小于1cm，空间密度低于1mm，总数大于1000个波长相等的光栅组成，光纤上光栅子阵总数大于10。

所述的光纤传感器是由一根刻有多波长光栅子阵复合阵列的光纤构成，该光纤长度大于100m，所述的多波长光栅子阵复合阵列是由n个复合光栅子阵串联而成，每个复合光栅子阵之间的间隔低于1mm，且每个复合光栅子阵的波长相同，所述的复合光栅子阵由物理长度小于1cm，空间密度低于1mm，总数大于1000个波长不同的光栅组成。

所述的扫描激光器是一个窄线宽波长线性扫描激光器，且波长范围覆盖所述的光纤传感器中的所有光栅的波长。