基于光纤智能夹层传感结构的应力测量研究

制作了一种模块化的光纤传感夹层,对夹层内的光纤传感器的应力特性进行了实验研究。分析了应变对传感系数的影响,对埋入到光纤智能夹层中的两种光纤传感器的输出特性进行了比较。实验结果表明:光纤Bragg光栅传感器的波长漂移与应变之间具有理想的线性关系,但应变灵敏度由1.2pm/με降至1.15pm/με;由于制作工艺的局限,对于非本征F-P光纤传感器,当应变达到350με后,应变与载荷具有较好的线性响应。与非本征F-P光纤传感器相比,光纤Bragg光栅传感器是光纤智能夹层首选的应变传感器。将埋入了Bragg光栅传感器的智能夹层粘贴于某型飞机的翼-身连接构件内部进行监测,实验结果为光纤智能夹层应用于复合材料结构的应变监测提供了参考。     

光纤力学性能的试验研究

埋入式光纤传感器中,光纤与复合材料之间的相互作用会影响整个结构的力学性能。根据材料表界面学知识,光纤埋入复合材料中,与复合材料结构形成界面,该界面对复合材料的性能产生影响,因此光纤与复合材料之间形成的界面强度的研究意义重大。为了从本质上研究光纤埋入复合材料后对复合材料结构产生的影响,可采用单丝模型法等微观力学方法对光纤与复合材料之间形成界面的强度进行研究。根据理论,界面的剪切强度与光纤自身的拉伸强度有关,因此首先需要对光纤的力学性能进行研究。研究时探讨了两种试验方法,第一种为将光纤两端埋入环氧树脂槽的方法,采用此试验方法可得到光纤的弹性模量约为15GPa,第二种为缠绕的方法。并自制了小型拉伸试验机,在此试验机上进行大量拉伸试验,得到光纤拉伸强度为4.07GPa。     

埋光纤光栅传感器智能土木结构应变监测

采取与土木工程施工特点相适应的操作工艺与保护方法，将光纤Bragg光栅传感器埋入钢筋混凝土结构中，分别在实验室和实际工程施工现场对混凝土内部的应变进行了测量。实验中光纤Bragg光栅传感性能良好，能够监测混凝土内部应变状态，显示出成活率高、绝对值测量、寿命长等优势，为建立基于光纤传感器的结构健康监测系统奠定了基础。     

对智能复合材料单向疲劳失效的研究

对智能复合材料在经受单向拉—拉试验产生的光纤疲劳失效性能进行了研究，对智能复合材料内的光纤方位角分别为０°、４５°、９０°进行了应力—寿命试验．在输入应变能量的基础上提出了疲劳失效准则，这一准则可用于光纤方位角的调整和应力比的分析．     

用于结构健康监测的智能夹层研究进展

利用改进的柔性印刷电路技术,把一个分布式传感器/驱动器网络预先复合到一片绝缘载体膜上形成薄层,再结合相应的信号控制和处理软件,这就是当前先进的智能夹层(SMARTLayer)技术。结构健康监测(SHM)系统中智能夹层的提出及发展,将有可能把目前广泛采用的离线、静态、被动的材料及结构的损伤检测,转变为在线、动态、实时的健康监测,从而导致工程结构及材料安全监测与性能改善思路产生质的飞跃,引起结构及材料设计思想的变革。在本文中,主要阐述了智能夹层的发展、特点、关键技术、部件、相关的数据处理和应用情况,以及对今后的发展提出了一些需要注意解决的问题。在研究中,我们发现嵌入到玻璃纤维复合材料中的智能夹层对工程材料基体的力学性能没有产生明显的影响,并且自身的电学性能也非常稳定。     

埋入压电元件的自诊断智能结构的理论分析与实验研究

将压电元件埋设于复合材料层板结构中，可实现结构应变分布的在线监测。本文提出一种采用压电应变传感器阵列和人工神经网络模型的自诊断方法，对局部埋入压电应变传感元件的平板结构进行了分析，采用神经网络模型根据压电传感器组的输出识别结构承载位置和大小，对该方法进行了数值模拟和实验验证。     

一种基于动态参考瑞利散射谱的分布式光纤大应变解调方法

基于光频域反射计(OFDR)的分布式光纤系统在结构健康监测领域得到广泛关注,通过对参考瑞利散射谱和测量瑞利散射谱进行互相关分析来确定谱偏移量,进而转化为结构应变。这种分布式光纤的应变解调方法具有较高的空间分辨率和测量精度,但在光纤受到较大应变时(超过3000με)会出现瑞利散射谱信号急剧衰减,从而导致互相关分析无法解调应变。本文提出了一种OFDR分布式光纤的大应变分步解调方法,采用动态参考瑞利散射谱取代固定参考瑞利散射谱的方法来突破大应变测量的限制。通过对复合材料层合板拉伸实验的大应变测量表明,本文所提出的光纤应变解调方法能稳定和可靠地测量10000με以上的大应变情况。     

埋入式光纤传感器界面剪切强度实验

采用实验方法对光纤与基体间界面性能进行研究.用临界断裂长度法直接测定界面的剪切强度,由于光纤拉伸强度高于树脂基的拉伸强度,出现试验时基体破坏而光纤完整地从树脂基中拔脱的现象.用单丝拔出法测量光纤与基体之间界面剪切强度,试验结果表明,光纤单丝拔出时,总是出现光纤涂层在锚入端断裂,而纤芯从涂层中拔脱的现象,说明当光纤埋入复合材料中,涂层和基体材料结合为一体,光纤涂层与纤芯之间界面剪切强度最低.承载时,若光纤所受正应力超过σ_(max),会出现光纤涂层与纤芯之间界面脱离,产生裂纹,降低整体结构力学性能.     

用形状记忆合金的强度自适应智能复合材料初探

将具有特殊力学性能和物理性能的形状记忆合金埋入或粘贴在复合材料结构上将使结构的力学行为发生改变。本文介绍了ＳＭＡ在增强复合材料基本力学试件的承载能力，复合材料穿孔损伤后有效止裂并提高疲劳寿命等方面的应用。     

F—P型光纤应变传感器混凝土试验研究

本文论述了外置式Ｆ－Ｐ型光纤应变传感器元件加工、信号检测系统设计以及混凝土试件埋入试验。研究表明，Ｆ－Ｐ型光纤应变传感器检测精度达０．１με，较传统电测式应变计至少提高一个量级。     

光纤传感器对机敏复合材料结构性能的影响

本文通过实验研究了光纤传感器对埋光纤机敏复合材料机械性能的影响，详细分析了埋光纤机敏复合材料层板在外载作用下的应力分布，针对三种不同铺层方式，研究了六种树脂填充区对机敏复合材料层板应力集中的影响，得出了减小应力集中的有效方案。     

空心光纤网络埋入复合材料中性能影响的研究

空心光纤网络可用来进行复合材料力学性能的监测,同时又可对材料的损伤进行自修复。空心光纤网络与复合材料性能的影响主要有三方面：1）复合材料对空心光纤的影响;2）空心光纤对复合材料的影响;3）空心光纤与复合材料力学性能的匹配。本文测试了三种规格的空心光纤埋入复合材料中受到的影响,依据国家有关的复合材料测试标准,对树脂基复合材料埋与不埋大直径空心光纤进行了对比实验,并论证了光纤与材料力学性能匹配点存在的必然性。从而为空心光纤网络用于复合材料的自诊断与自修复提供了研究的依据。     

基于神经网络与光纤传感阵列的结构状态监测方法

以探测机敏复合材料与结构内应变、应力及损伤等物理状态的位置信息为目的．提出了一种新颖的可内埋于材料与结构内作为结构状态监测用的强度调制型光纤传感阵列网络，并采用人工神经网络来处理传感阵列输出的并行分布式传感信号，阐述了适用的Ｋｏｈｏｎｅｎ网模型及其变化形式，给出了仿真实验结果     

Residual Strains using Integrated Continuous Fiber Optic Sensing in Thermoplastic Composites and Structural Health Monitoring

The evolution of spatially resolved internal strain/stress during the manufacturing of thermoplastic composites and subsequent relaxation from water intake are evaluated using an in-situ fiber optic sensor corresponding to a coated optical glass fiber with a nominal diameter of 160 μm. Unidirectional carbon fiber-polyamide 6 composites are produced using compression molding with an embedded fiber optic for strain measurement. The distributed fiber optic based strain sensor is placed in an arrangement to capture 0, 45, and 90° strains in the composite to resolve in-plane strain tensor. Strains are monitored in the direction of fiber optic sensor along its length at high resolution during the various stages of compression molding process. Results indicate considerable internal strains leading to residual stress at the end of processing step along the off-axis (45°) and transverse (90°) directions, and small strains in the carbon fiber pre-preg (0°) direction. At the end of compression molding process, an average of 7000 and 10,000 compressive micro-strains are obtained for residual state of strain in the off-axis and transverse direction. Since water/moisture infusion affects the mechanical properties of polyamide-6 matrix resin, these composite panels with embedded sensors targeted for marine applications are monitored in a water bath at 40 °C simulating accelerated testing conditions. Using the same fiber optic sensor based technique, the strain relaxation was observed during water uptake demonstrating in-situ strain monitoring during both manufacturing and subsequent composite implementation/application environment. The technique presented in this paper shows the potential of optimizing time-temperature-pressure protocols typically utilized in thermoplastic manufacturing, and continuous life-cycle monitoring of composite materials using a small diameter and inexpensive distributed fiber optic sensing.     

DETERMINATION OF INTERNAL STRAIN IN 3-D BRAIDED COMPOSITES USING OPTIC FIBER STRAIN SENSORS

A reliable understanding of the properties of 3-D braided composites is of primary importance for proper utilization of these materials. A new method is introduced to study the mechanical performance of braided composite materials using embedded optic fiber sensors. Experimental research is performed to devise a method of incorporating optic fibers into a 3-D braided composite structure. The efficacy of this new testing method is evaluated on two counts. First, the optical performance of optic fibers is studied before and after incorporated into 3-D braided composites, as well as after completion of the manufacturing process for 3-D braided composites, to validate the ability of the optic fiber to survive the manufacturing process. On the other hand, the influence of incorporated optic fiber on the original braided composite is also researched by tension and compression experiments. Second, two kinds of optic fiber sensors are co-embedded into 3-D braided composites to evaluate their respective ability     

光纤光栅传感网络应用于玻璃纤维复合材料构件损伤检测的试验研究

将光纤光栅传感网络埋入玻璃纤维复合材料试件后,通过无损试件与有损试件的准静态弯曲对比试验研究,分析了测量过程中反映损伤位置以及损伤程度的光纤光栅参数。然后使用ANSYS有限元软件对其进行数值模拟计算,并将数值模拟的结果与试验测得的结果相对比,验证了应用光纤光栅传感网络利用准静态加载方法测量损伤的可行性以及准确性。本文研究结果可为利用FBG光纤传感网络对实际工程中复合材料结构的在线健康监测提供实验基础。