第 1 章 绪 论
本文研制了新型光纤声发射传感器，对应力波的具有较好的响应特性。该光纤声发射传感器具有结构细小、重量轻，与纤维复合材料兼容性强等优点，在复合材料结构的应用中比商用压电声发射传感器更占有优势。研究声发射源的线性定位方法与平面定位方法，利用落球法撞击作为声发射源，通过实验验证所提出的源定位方法具有较高的准确性。建立了人工神经网络的智能算法，解决传统代数算法在计算源定位结果过程中出现非线性误差与非实数解的问题，具有较强的通用性。建立了一套完整的光纤声发射监测系统，并应用该系统对纤维复合材料结构进行损伤监测，评估声发射源的位置。结合落锤冲击测试，研究碳纤维复合材料层合板的冲击源定位，分析了落锤冲击能量与光纤声发射传感器监测的应力波最大幅值的关系，并研究损伤区域对声发射源定位结果的影响。
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第2章 新型光纤声发射传感器及其监测系统
2.1 引言
当材料或零部件受力作用产生变形、断裂，应变能以瞬态弹性波形式释放的现象称为声发射(Acoustic Emission, AE)[1]。对声发射这种现象进行有效地监测、正确地分析，可以得到材料损伤信息，如损伤时间、损伤类型和损伤位置等。然而，材料损伤产生的声发射信号频率范围广，可能是 20Hz~20kHz 的声波，也可能是 20kHz以上的超声波；声发射信号幅值微弱，需要使用灵敏的传感器和电子仪器才能探测到。目前常用的声发射传感器是由压电陶瓷材料制作成的，为了克服材料易碎裂、易受电磁干扰的缺点，需要金属外壳封装，造成其体积大、与复合材料兼容性差，不适合埋植入复合材料结构中，不利于材料结构的智能化。 本章研制了一种能够埋藏在纤维复合材料层合板中的新型光纤声发射传感器，系统地分析该传感器的工作原理，为制作高灵敏度的光纤声发射传感器提供参考依据。针对光纤声发射传感器，组建了声发射监测系统，并利用 LabVIEW软件，建立人机交互界面，实现声发射信号采集、处理、显示和存储等功能。
2.2 光纤声发射传感器
光纤声发射传感器的制作方法与制作熔锥型光纤耦合器类似，如图 2-2，把两根单模光纤的指定位置去掉涂覆层后平行并扭绞在一起，然后在氢气火焰中加热，同时两侧的固定卡具随步进马达逐渐外扩，带动没有熔融的光纤，而中间加热熔融的光纤会因为两侧的拉伸而变细。由于两根光纤是扭绞在一起的，在拉伸过程中不会分离，而是紧密的靠近，最后形成两个锥形部分和一个细腰的结构。与传统的光纤耦合器比较，光纤声发射传感器需要对应力波的振动响应更灵敏，那么就需要在制作方法上对其结构进行改进。简单的改进方法是在已经制作好的光纤耦合器基础上继续拉伸光纤，使熔锥区更纤细，耦合区光纤半径更小。耦合系数是该光纤声发射传感器的重要参数，指某一输出端口的光功率或 与总的输出端口光功率总和之比，即 。在制备传感器过程中，必须通过控制加热源温度和步进马达的行进速度来控制声发射传感器的耦合系数。
第 3 章 光纤声发射传感器对应力波的检测与分析 ................................................. 40
3.1 引言 ........................ 40
3.2 光纤声发射传感器对应力波的响应特性测试分析 ........................................ 4
第 4 章 纤维复合材料的声发射源定位研究................................. 61
4.1 引言 ..................... 61
4.2 声发射源定位的代数算法 ........................................... 66
第 5 章 碳纤维复合材料层合板的落锤冲击测试研究 ........... 94
5.1 引言 ................. 94
5.2 落锤冲击实验方法 ...................... 95
5.3 落锤冲击测试分析 ............................. 96
5.4 光纤声发射源定位系统的落锤冲击测试分析 ....................... 99
第5章 碳纤维复合材料层合板的落锤冲击测试研究
5.1 引言
碳纤维复合材料结构具有重量轻、比强度和比模量高等优点，多用于航空航天领域，如空客 A380 和波音 787 大型商用飞机。飞机在飞行或维修过程中可能会受到各种冲击，特别是起飞和降落时容易被飞鸟撞击、轮胎卷起的沙石冲击等。虽然机体表面没有损伤痕迹，但内部结构可能已经有局部损伤。从表 5-1 分析可知，冲击源在冲击能量低于10J时，碳纤维层合板的表面基本没有明显损伤，但是内部会有轻微分层或局部基体开裂，只有尖锐的冲击源才会对冲击面造成轻微划痕或压痕。内部有微弱分层损伤但又不易被察觉的位置随着材料结构的长期服役而形成安全隐患，可能会造成灾难性事故。因此有必要建立一种能够实时有效地监测飞机机体结构健康状态的系统，尤其是监测低速冲击源造成碳纤维复合材料分层损伤的位置，达到及时发现故障隐患的目的。
5.2 落锤冲击实验方法
落锤冲击试验机的上部基台宽度较小，仅 152.4mm宽(6 英寸)，正方形的测试平板尺寸为300mm×300mm，不能平放置在该冲击基台上，需要对测试平台进行改进。在平台下面有足够空间可以放置测试板和支座，如图 5-1b)，采用四边简支方式支撑测试板，有效区域尺寸为250mm×250mm。为了避免低速冲击时，支座边缘与测试板的互相冲击产生应力波，影响光纤声发射传感器的测量，在他们之间铺放约 30mm厚的毛毡起到吸能减震的作用。使用延长杆将冲头与试验机的电动横梁系统紧固连接，延长冲头的冲击位置，使其能够达到测试板的高度位置。延长后的冲头和电动横梁的总重量为5.1kg，冲头端部是直径为8mm的半球。光纤声发射传感器的布局方式：前文声发射源的定位方法研究中证明传感器的菱形布局方式测量结果比较精确，因此采用传感器的菱形布局方式，将四个光纤声发射传感器粘贴在碳纤维层合板表面，如图5-2 所示。
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结 论
本文研制了一种新型可埋藏的光纤声发射传感器，针对该光强型传感器研究了纤维复合材料的源定位算法，建立了声发射源定位监测系统，实现高精度、高效率，智能一体化的目标。研究成果对复合材料结构健康监测的应用具有重要的研究意义，得出以下重要结论：
(1) 基于光纤耦合器研制的新型光纤声发射传感器体积纤细，易埋藏于纤维复合材料结构，突破了传统压电声发射传感体积大、不易埋藏在复合材料结构中的限制。从振动力学角度分析了传感器感知应力波扰动时的振动特性，指出在制作传感器时需要尽量减小封装管两端对熔锥光纤的预拉伸力，才能保证传感器具有较好的频率响应特性。
(2) 结合压电驱动器，通过一系列对比实验测试了压电声发射传感器与光纤声发射传感器对声发射源产生的应力波的幅频响应特性，证明了光纤声发射传感器主频响应约为 50kHz，适用于监测断铅、落球撞击产生的低频声发射源。光纤声发射传感器在监测应力波的同时，能够区分扩展波与弯曲波成分。通过测量验证了一些规律：弯曲波在正交对称铺层的碳纤维层合板上的传播速度与传播方向无关，随平板的厚度增加而增大，符合 Lamb 波的频散特性；扩展波比弯曲波的传播速度快，在层合板上的传播速度与层合板表面纤维铺向有关，平行于纤维方向的传播速度比垂直纤维方向的传播速度大，其它方向的传播速度在这两者之间近似椭圆形轨迹分布。
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参考文献（略）