[发明专利]基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法

说明书

本发明公开了基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法，利用光纤光栅作为传感器，监测雷击时纤维复合材料三明治结构的应力应变和温度的变化，同时在制备过程中使用预固化‑二次固化的成型工艺，使得传感器测量数据更加精准，可以显著降低成型和使用过程中的外界物理因素的影响。将得到的光信号经耦合器耦合输入解调仪，转换为电信号，再输入处理器中，得到纤维复合材料三明治结构的剩余强度等重要相关参数，并以图像、曲线形式输出，最终达到对于雷击造成复合材料的内部损伤进行在线监测，有效解决雷击损伤难以监测、雷击产生的巨大磁场对监测的干扰、雷击强大电流对传感器的破坏等问题。

技术领域

本发明涉及基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法。

背景技术

纤维复合材料三明治结构具有质量轻、耐腐蚀、成本低、抗疲劳性能优异等诸多优点，是航天、船舶、车辆等的理想结构材料，已经应用于航空航天飞行器的非承力结构件上，尤其在飞机结构件中，发挥着极其重要的作用。使得飞机自身重量大大降低，减小了运输成本。

经过统计，每架飞机平均飞行3000小时就会遭受1次雷击。在受地理位置、地形等因素影响下的雷雨多发地，遭受雷击概率会大大升高。虽然纤维复合材料三明治结构在某些领域代替金属材料，但是纤维复合材料三明治结构导电导热性不如金属，遭受雷击后更容易损坏，而且内部损伤往往比外部更加严重，肉眼难以辨别。飞机在人类日常生活中的运物载人能力显而易见，但如果遭受雷击后并造成严重损伤后没有得到及时修复，容易造成不可挽回的严重后果。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。在线监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。

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)，难以做到在线监测。传统用于复合材料雷击损伤检测传感器在使用时主要有以下缺陷：

(1)传统传感器采用微电流作为信号，雷击发生时会产生巨大的电磁场，干扰信号传输，无法得出及时有效的监测数据，而且在雷电强电流的影响下容易造成传感器失效；

(2)传统传感器体积仍然较大，自身贴于飞机表面或者植入内部，如果贴于飞机表面则难以检测材料内部损伤，无法对材料内部进行实质性的监测，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)即使现有的光纤光栅传感器，在制作过程中几乎在内植过程中不可避免的都会受到残余气体、内应力等其他因素的影响，使得测试曲线与实际拟合度相差较大。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供了基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置及方法，利用光纤光栅作为传感器，监测雷击时纤维复合材料三明治结构的应力应变和温度的变化，同时在制备过程中使用预固化-二次固化的成型工艺，使得传感器测量数据更加精准，可以显著降低成型和使用过程中的外界物理因素的影响。将得到的光信号经耦合器耦合输入解调仪转化为电信号，再输入信号处理器中，得到纤维复合材料三明治结构的剩余强度等重要相关参数，并以图像、曲线形式输出，最终达到对于雷击造成复合材料的内部损伤进行在线监测，有效解决雷击损伤难以监测、雷击产生的巨大磁场对监测的干扰、雷击强大电流对传感器的破坏等问题。同时改进了纤维复合材料三明治结构的制备工艺，降低系统误差，进而大大提高了监测的精度。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

作为发明的第一方面，提供了基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置；其具有可在线监测和监测精度高的优点。

基于内植光纤光栅的三明治构件雷击损伤监测装置，包括：