一种纤维复合材料雷击损伤在线检测装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种纤维复合材料雷击损伤在线检测装置和方法。
【背景技术】
[0002] 纤维复合材料具有高强度、低密度、耐腐蚀、抗疲劳等诸多优点，是航空航天理想 结构材料，目前已大量应用于航空航天飞行器，尤其在飞机结构件中，发挥着极其重要的作 用。例如，波音787和空客A350XWB飞机中复合材料用量已经超过50%，这其中大部分是碳 纤维复合材料和玻璃纤维复合材料。
[0003] 据统计，我国每架飞机平均飞行3000小时在统计意义上就会遭受1次雷击，在雷 雨多发地区飞行，遭受雷击概率会提高数倍。纤维复合材料代替金属材料，强度提高，质量 减轻，但是导电导热性不如金属材料，遭受雷击后更容易损坏。飞机遭受雷击后会出现三种 损伤情况：轻微损伤、较重损伤和严重损伤。轻微损伤则可以继续飞行，可着陆后检修；较 重损伤需要立即着陆维修或者返航；严重损伤可能造成机毁人亡。飞机遭受雷击后机毁人 亡的事故屡见不鲜。
[0004] 雷暴给飞机飞行造成严重的安全隐患，然而飞机在空中飞行，无法完全避雷，如何 在线监测飞机复合材料结构件遭受雷击的过程以及雷击后的损伤程度，以决定是否立即返 航维修，这对飞机安全性和运营成本来说意义重大，备受航空部门关注。在线检测复合材料 雷击损伤位置、损伤面积、损伤深度，以及评估复合材料结构件遭受雷击后的剩余强度，对 飞机飞行安全具有极其重要的实用价值。
[0005] 雷电是一种瞬间（几百微秒）发生的强电磁现象，电流巨大（可高达200kA)，很难 做到在线检测。传统用于复合材料雷击损伤检测传感器在使用时主要有三个缺陷：（1)采 用传感器微电流作为信号，雷击发生时会产生巨大的瞬态电磁场，干扰信号传输，或者传感 器电路会产生感应电流，或者雷电电流进入传感器回路，引起整个传感器、检测器电路遭受 雷电电涌破坏；(2)传统传感器自身贴于飞机表面或者植入内部，如果贴于飞机表面则很 难检测材料内部损伤，也容易遭受雷击直接损毁，预埋于飞机结构内部会对复合材料强度 产生影响，容易造成应力集中；（3)几乎所有的传感器直接遭受雷击都会损坏，失去检测功 能。传感器不受雷电的瞬变电磁场影响，遇到雷击后依然可以存活，可以检测复合材料内部 损伤，却不会对复合材料结构件强度产生明显影响，成为复合材料结构件雷击损伤在线检 测的重要前提条件。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种纤维复合材料雷击损伤在线检测装置和方 法，本装置利用双引线阵列式光纤光栅为传感器，实时监测遭受雷击后的复合材料内部损 伤，有效的解决了传统的雷击过程短暂难以捕捉、雷击损毁传感器、瞬变电磁场干扰检测系 统、雷击电涌损毁检测器等在线检测的难题。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0008] -种纤维复合材料雷击损伤在线检测装置，包括双引线阵列式温度光纤光栅、双 引线阵列式应变光纤光栅、两个光纤耦合器、光纤光栅解调仪和处理器，其中：光源产生激 光信号，激光信号经过传导光纤分为两路，分别传输给第一光纤耦合器和第二光纤耦合器， 第一光纤耦合器连接双引线阵列式温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅的一端引 线，双引线阵列式温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅的另一端引线连接第二光纤 耦合器，形成两个兼具激光入射和反射的端口；双引线阵列式温度光纤光栅、双引线阵列式 应变光纤光栅的所有光纤光栅均预埋设于复合材料结构件内部，激光信号与光纤光栅相互 作用后，反射激光分别通过两端引线再次进入第一、第二光纤耦合器，第一、第二光纤耦合 器输出的光信号进入光纤光栅解调仪，完成信号解调，光纤光栅解调仪连接处理器，处理器 根据信号分析纤维复合材料损伤类型、程度及其分布的结果。
[0009] 所述双引线阵列式温度光纤光栅和双引线阵列式应变光纤光栅平行、相邻排列， 双引线阵列式温度光纤光栅中的每个温度光栅单元与双引线阵列式应变光纤光栅的每个 应变光栅单元一一对应，从而使温度光纤和相邻的应变光纤上的两个对应光栅组成了一个 双引线光纤光栅对。
[0010] 所述光源为内置于光纤光栅解调仪内的激光器，激光器产生连续调频激光，通过 引线进入双引线阵列式温度光纤光栅、双引线阵列式应变光纤光栅，形成稳定的反射信号。
[0011] 所述双引线阵列式温度光纤光栅、双引线阵列式应变光纤光栅均为双引线结构， 即每个光栅都有两条引线相连，两条引线均可以作为光栅单元的信号通道，每个光栅只要 有一条信号通道便可用于信号检测；即使在雷击过程中光栅损毁断裂，只要光栅还有一条 引线与外部检测系统连接，就可以保持光纤通路，保证光纤光栅的存活和检测信号的传递。
[0012] 所述双引线阵列式温度光纤、双引线阵列式应变光纤都包括多个刻有不同中心波 长的光栅单元，每个光栅单元均是一个独立的传感器单元。
[0013] 所述处理器，包括几何建模模块、光纤光栅信号解析模块、复合材料损伤数据库和 雷击损伤反演图形界面，其中，所述几何建模模块，用于对复合材料结构件进行建模，在复 合材料几何模型中准确标出光栅单元的位置；所述光纤光栅信号解析模块，用于分析计算 光纤光栅解调仪传输过来的波长信号，得到纤维复合材料结构件的温度、应变和应力，将其 与复合材料损伤数据库中存储的信息对比，来判定损伤类型和损伤程度；所述雷击损伤反 演图形界面，用于反演出复合材料雷击损伤三维分布情况并输出。
[0014] 一种基于上述装置的检测方法，包括以下步骤：
[0015] (1)在复合材料固化成型前，在结构件中根据需要按照设定的间距铺设双引线阵 列式温度光纤光栅、双引线阵列式应变光纤光栅；
[0016] (2)把复合材料结构件固化成型，光纤光栅传感器被埋于复合材料结构件内部，连 接第一光纤耦合器、第二光纤耦合器、光纤光栅解调仪和处理器；
[0017] (3)光源产生激光信号，激光信号进入第一光纤耦合器、第二光纤耦合器后，分别 通过两端引线进入双引线阵列式温度光纤光栅、双引线阵列式应变光纤光栅区域，经光栅 反射后的信号经第一光纤耦合器、第二光纤耦合器返回光栅信号解调仪，光信号被解调成 数字信号进入处理器处理；
[0018] (4)通过几何建模模块建立复合材料结构件的三维几何模型，把光栅单元编号通 过坐标关系标注在复合材料结构件的三维模型上；光栅信号解析模块解析光栅信号解调仪 传送来的信号，根据双引线阵列式温度光纤光栅、双引线阵列式应变光纤光栅采集的信息， 得到复合材料应变、温度和应力变化；
[0019] (5)调用复合材料雷击损伤数据库，识别损伤类型和判断损伤程度，获取光栅单元 编号所在复合材料局部区域的损伤类型和程度，把损伤类型和程度通过光栅位置数据反演 到几何模型上，得到复合材料雷击损伤的动态立体分布图。
[0020] 所述步骤（1)中，具体方法为：在复合材料固化成型前，在结构件中根据需要按照 一定的间距铺设m个刻有η个光栅传感器的光纤光栅对，光纤标号为1、2、3、· · ·、πι，光 栅单元标号为1、2、3、···、η，每个光栅对上有两条光纤光栅，一条为测量温度的温度光 纤光栅，标记为Τ，另一条为测量应变的应变光纤光栅，标记为S，构成双阵列式光纤光栅传 感器。
[0021] 所述步骤（4)中，当雷击能量低，光纤光栅完好，两端引线采集到光栅传感器单元 信号相同，采用任意一端信号检测，到雷击能量致使复合材料损伤严重，导致光纤断裂，双 引线光纤光栅变成两个单引线光纤光栅，光栅传感器仍然可以进行检测并传递信号，此时 两端引线传输的信号均要检测处理，通过对比两引线端口传输的信号差异确定光栅单元区 是否损毁，并确定损毁的光