多功能光纤温度/应变/声发射传感器在复合材料中的应用

论文摘要

先进复合材料结构因具有较高的比强度和比刚度以及良好的抗疲劳性和成形工艺性,被广泛应用于航空、航天、建筑、交通等方面。但同时纤维增强复合材料在物理和机械性能方面表现为各向异性,且在使用过程中可能受到外界各种环境影响,包括温度与载荷等,而使复合材料与结构产生损伤,这些损伤将对复合材料与结构的安全使用和寿命造成极大的威胁和影响。因此,研究并实现复合材料与结构的在线监测具有重要的现实意义。本论文主要研究设计一种新型多功能光纤传感器。该传感器基于光纤布拉格光栅与锥形光纤耦合器,应用于复合材料与结构温度、应变与声发射的实时监测。针对光纤布拉格光栅同时对温度与应变敏感,本文采用不同波长的双光栅解决该问题,该方法具有精度高,工艺简单与低成本等特点;针对弹性波对作为光通信基本元件的光纤耦合器本身没有振动影响,本文采用熔锥法研制了锥形单模光纤耦合器作为光纤声发射传感器,分析了光纤声发射传感器的工作原理,并将其应用到复合材料层合板三点弯曲试验中,进行实时在线损伤监测;结合光纤布拉格光栅原理与光纤耦合器原理,设计、研制了全光纤多功能传感器,将其应用于复合材料层合板拉伸试验中,进行实时在线监测。研究结果证实,本文设计的传感器能够有效监测复合材料层合板的损伤,为复合材料的安全使用提供一定的理论基础与实践经验。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 光纤布拉格光栅的发展现状
• 1.2.2 复合材料损伤监测的现状分析
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 光纤传感器原理
• 2.1 引言
• 2.2 光纤传感器的组成、原理及特点
• 2.2.1 光纤的组成及光波的传播特性
• 2.2.2 光纤传感器的基本组成
• 2.2.3 光纤传感器的原理
• 2.2.4 光纤传感器的特点
• 2.3 光纤传感器的分类
• 2.4 光纤布拉格光栅传感器
• 2.4.1 光纤布拉格光栅制作技术简介
• 2.4.2 光纤布拉格光栅的基本光学特性
• 2.4.3 光纤布拉格光栅的基本传感原理
• 2.5 光纤声发射传感器
• 2.5.1 光纤声发射传感器工作原理
• 2.5.2 光纤耦合器的性能参数
• 2.6 多功能光纤传感器的设计
• 2.7 本章小结
• 第3章 多功能光纤传感器的标定
• 3.1 引言
• 3.2 温度与应变传感元件的标定
• 3.2.1 标定原理
• 3.2.2 应变标定
• 3.2.3 温度标定
• 3.3 声发射传感器标定方法
• 3.3.1 铅笔芯断裂法
• 3.3.2 电火花标定法
• 3.3.3 几种方法比较
• 3.4 光纤声发射传感器的标定
• 3.5 埋入式光纤声发射传感器标定
• 3.6 本章小结
• 第4章 光纤传感器的应用
• 4.1 引言
• 4.2 声发射技术的基本原理与特点
• 4.2.1 声发射技术的基本原理原理
• 4.2.2 声发射技术的基本特点
• 4.3 复合材料声发射源表征
• 4.4 声发射信号分析
• 4.4.1 声发射信号特征参数分析法
• 4.4.2 声发射信号波形分析法
• 4.5 光纤声发射传感器的应用
• 4.5.1 表面粘贴式传感器的损伤监测
• 4.5.2 埋入式传感器的损伤监测
• 4.6 多功能光纤传感器的应用
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢