基于分布式光纖傳感的隔熱層脫粘識別研究

單一男，武湛君，徐新生，費繼友

(1.大連理工大學 工業裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連交通大學 機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感器是近年來發展迅速且具代表性的全分布式光纖傳感器之一。由于它測點連續且數量眾多，測點數量不受激光帶寬及應變量程的限制，能夠以高空間分辨率進行較高精度的應變/溫度測量，同時具有空間尺寸小、柔性好等特點，較適用于布線空間有限或曲面結構，或結構局部需要進行高密度測量的情況，因此，這種基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感器適用于測量在三維空間呈連續性分布的物理場[1]。

目前，低密度、硬質的高效率隔熱材料已廣泛應用到航天運載器、軌道交通車輛等重大運載裝備中[2-3]。隔熱材料多采用泡沫噴涂和預制板人工粘貼等施工工藝，因此，在結構服役期間由于受機械載荷和溫度載荷影響而產生的絕熱層材料和基體產生的脫粘斷裂現象，是絕熱層損傷的主要模式。絕熱層損傷使結構局部抵御熱流的能力下降，易引發重大的安全隱患。利用無損檢測方法與技術能夠有效地識別絕熱層脫粘，其主要包括低頻檢測[4]、超聲波檢測[5]、超聲導波檢測[6]、微波檢測[7]、X線檢測[8]、激光全息照相檢測和散斑錯位成像[9]等，但是以上無損檢測技術都需要結構處于離線狀態，且檢測時間較長。

本文以隔熱泡沫膠接鋁合金結構作為研究對象，利用基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感技術獲得的高密度應變信息識別脫粘缺陷。利用布設在金屬懸臂梁結構的光纖傳感器網絡，并考慮光纖和隔熱泡沫相對位置、應變水平及隔熱泡沫脫粘面積等影響因素，對脫粘缺陷的識別效果進行研究，并利用隔熱泡沫膠接鋁合金懸臂板彎曲試驗對結論進行驗證。

1 測量原理

基于背向瑞利散射的分布式光纖傳感技術使用光頻域反射原理對分布式光纖傳感器進行解調。基于光纖的測量系統一般包含一個主動監測單元，其作用是與被動式測量的光纖連接，并通過調頻激光器或寬帶光源向光纖發射激光。光纖中傳播激光的某些屬性可以處理為光纖上所承受應變/溫度的函數。光纖傳感器中相關物理參數的變化會引起光纖內散射光的可測量變化，與散射光的參考量進行對比后可以推知在測量時的光纖物理狀態[10]。這個物理狀態特指作用在光纖上的溫度與應變耦合作用效果。使用光頻域反射原理分析背向瑞利散射光時，將其作為光纖上與位置有關的函數[11]。光纖中瑞利散射的產生是由于光纖長度方向上的折射率波動所導致，當測試光纖所處外部環境不變時，光纖內部瑞利散射信號雖然是隨機的，但擁有靜態屬性，即基本保持不變[12]。當光纖所處環境的應變或溫度發生變化時，光纖局部會在空間上被拉伸或壓縮。局部瑞利散射的變化會導致局部反射光譜的光譜漂移。

由應變ε或溫度T響應得到光譜漂移類似于共振波的漂移Δλ或布喇格光柵的光譜漂移Δυ[13]：

(1)

式中:λ和υ分別為平均光波長和頻率；KT和Kε分別為溫度和應變標準常數；ΔT為溫度變化量。

2 試驗及結果分析

2.1 懸臂梁彎曲試驗

2.1.1 試驗方案

試驗對象為膠接隔熱層泡沫的2024鋁合金試件，試件測試段尺寸為500 mm×40 mm×3 mm，絕熱層試片的尺寸為2個20 mm×10 mm×20 mm和2個20 mm×20 mm×20 mm，每個絕熱層試片的間距為30 mm。試件表面使用環氧AB膠粘接分布式光纖傳感器，使用美國Luna公司的ODiSI A50光纖解調儀對光纖傳感器進行解調，系統參數如表1所示。圖1為膠接有隔熱層泡沫的試件示意圖。圖2為光纖解調儀系統。圖3為試驗加載裝置示意圖。

圖2 光纖解調儀系統

圖3 試驗加載裝置

圖1 分布式光纖傳感器與隔熱層泡沫試片粘貼示意圖

4個厚度相同的隔熱層泡沫試片中：

1) 1、2號試片投影面積均為400 mm2，且光纖在試片下方穿過投影面中心并在下邊緣處通過。

2) 3、4號試片的投影面積均為200 mm2，光纖在3號試片下方穿過投影面中心，分別在3、4號試片下邊緣處通過。試驗過程如下：

a.試件受載前的狀態設為基準。

b.在懸臂梁自由端懸掛200 g砝碼，待其穩定后，測量此時分布式光纖傳感器的應變數據。

c.重復步驟b至砝碼總質量達到800 g。

d.將4個隔熱層泡沫試片去除以模擬脫粘，并將試件受載前的狀態設為基準。

e.重復步驟b至砝碼總質量達到800 g。

2.1.2 結果分析

光纖測量段AB和CD在隔熱層泡沫去除前后的應變差值如圖4所示。

圖4 脫粘前后分布式光纖測量段應變數據的差值

圖4(a)可以識別的波峰中，40～60 mm和80～100 mm附近，以及135～145 mm和175～195 mm附近，均為隔熱層泡沫所在位置。圖4(b)可以識別的波峰中，30～50 mm和70～90 mm附近，均為隔熱層泡沫所在的位置。

從圖4中可看出：

1) 與標距長度為5 mm的測試數據相比，標距長度為10 mm的數據信噪比更好。

2) 從隔熱層泡沫試片正下方通過的光纖測量的應變差值幅值更大，光纖易受到脫粘缺陷的影響。

3) 400 mm2的脫粘面積比200 mm2脫粘面積的應變差值的影響范圍更大。

4) 應變水平較高的區域，發生脫粘缺陷前后的應變差值越大。

5) 在脫粘區域邊界，高密度應變信號有幅值不等，但符號相反的振蕩現象。

2.2 懸臂板彎曲試驗

2.2.1 試驗方案

以膠接有隔熱層泡沫試片的鋁合金懸臂板結構為研究對象，對2.1節的結論在懸臂板彎曲試驗中進行驗證。2024鋁合金懸臂板測試段尺寸為500 mm×500 mm×3 mm，隔熱層泡沫試片尺寸為100 mm×100 mm×20 mm。試件表面使用雙組分環氧膠布設分布式光纖傳感器。圖5為粘接有隔熱層泡沫試片和分布式光纖傳感器的試件示意圖，圖中陰影部分為模擬脫粘缺陷的泡沫去除區域。圖6為試驗加載裝置，其中砝碼托盤質量為140 g。試驗過程如下：

1) 將試件受載前的狀態設為基準。

2) 在懸臂板自由端3個掛點分別懸掛1 000 g砝碼，待其穩定后，測量光纖傳感器的應變數據。

3) 重復步驟2)至各掛點砝碼質量為3 140 g。

4) 將隔熱層泡沫試片去除以模擬脫粘，并將試件受載前的狀態設為基準。

5) 重復步驟2)至各掛點砝碼質量為3 140 g。

圖5 試驗件示意圖

圖6 試驗加載裝置

2.2.2 結果分析

光纖測量段AB和CD在隔熱層泡沫去除前后的應變差值如圖7所示。

圖7 脫粘前后分布式光纖測量段應變數據的差值

分布式光纖測量段AB和CD的應變數據的差值曲線，均有3處可識別的波峰。通過與預先測量的脫粘缺陷位置進行核對發現，這些波峰所在位置與脫粘缺陷位置吻合良好，且在脫粘缺陷邊界位置存在明顯的幅值不等，但符號相反的振蕩現象，進一步驗證了前述懸臂梁彎曲試驗得出的結論。因此，采用較高標距長度進行應變測量的分布式光纖傳感器網絡，對其布設路徑上的脫粘缺陷具有較高信噪比的識別能力，且結構應變水平越高、脫粘面積越大，識別效果越好。

3 結論

本文針對隔熱層結構脫粘缺陷的識別方法展開了研究，并利用具有高密度應變測量能力的分布式光纖傳感器進行了2組試驗，分別對膠接隔熱層泡沫試片的承受彎曲載荷的懸臂梁和懸臂板進行了原理性試驗和驗證試驗。通過在懸臂梁彎曲試驗中獲得的高密度應變測試結果，得到以下結論：

1) 與標距長度為5 mm的測試數據相比，標距長度為10 mm的測試數據的信噪比更好。

2) 位于隔熱層泡沫試片下方的分布式光纖傳感器更易受到脫粘缺陷的影響。

3) 脫粘面積越小，應變差值的幅值和影響范圍越小，檢測難度越大。

4) 應變水平較高的區域，發生脫粘缺陷前、后的應變差值較大。

5) 在脫粘區域邊界，高密度應變信號有幅值不等但符號相反的振蕩現象。在懸臂板彎曲試驗中，人為設置了不同形狀、不同尺寸且處于不同應變水平下的脫粘缺陷，通過對脫粘前、后應變差值曲線的綜合分析，驗證了前述結論的有效性。綜上所述，分布式光纖傳感器網絡能夠以較高的信噪比識別布設路徑上的脫粘缺陷，識別效果與光纖測點標距長度、脫粘缺陷與光纖相對位置、脫粘面積、應變水平等因素有關。