基于光纖傳感技術的復合材料健康監測研究進展

Abstract：Advanced composite materialsare widelyused inkeystructural components intheaviation field becauseof their excellentphysicalandmechanical properties，integrateddesignand manufacturingcharacteristics，lowoperatingcostsand otheradvantages.Withtheextensionofservicetimeandtheextremeserviceenvironment，therewillbediferentdegresof damageand defects insidethecomposite structure，which willafecttheservice lifeandsafe andsmooth operationof the aircraft.Health monitoring systemsneedtobe developed tomonitorand evaluatethehealth status ofcomposite structures inrealtime.Thispaperreviews theresearch progressoffibersensing technologyinthe fieldofhealthmonitoring ofcomposite structures.For fiber grating sensing technologyanddistributed fiber sensing technology，The paper discuses the in-situ monitoring of process parameters，sensor embeddngand protectionscheme，sensorlayout scheme and its influence onstructure，impactandfatiguedamagemonitoring，andsummarizes theadvantagesand limitationsofthetwomonitoring methods， andlooksforward tothedevelopmenttrendofoptical fibersensingtechnologyinthehealthmonitoringofcomposite structures.

Keywords：composite material；optical fiber sensing technology；health monitoring；distributed optical fiber sensing；fiber grating sensing

1引言

在民用航空領域，先進復合材料已經逐漸替代金屬材料并廣泛應用于大飛機機翼、機身等主承力結構件，在復合材料服役過程中，由于復合材料制件所處服役環境的極端性和不確定性，服役溫度通常為 -55C～40^°C ，再加上其易損傷的缺點，長期使用之后，會產生潛在的內部損傷及缺陷，比如基體開裂、纖維斷裂、纖維基體脫粘和層間分層等[1]，這些損傷和缺陷使結構的穩定性和安全性大大降低，從而提高了災難性事故發生的可能性[2]而傳統的無損檢測設備復雜而笨重，勞動量大且耗時，尤其是在涉及大量待檢查的復合材料結構維修情況下。因此，復合材料構件的結構健康監測需求日益強烈。

結構健康監測是將布置在結構表面或內部的傳感器作為神經系統，同時通過數據采集與處理系統實時感知和處理結構所處狀態（結構形變、溫度、局部應力應變、強度等），最后基于一定的評估方法對結構的穩定性、安全性以及可靠性進行在線評估，監測復合材料結構的健康狀態。國際上在結構監測領域已提出了大量研究計劃：美國空軍及國家航空航天局（NASA）提出了智能蒙皮計劃、飛行器綜合健康管理（IVHM）計劃、系統級安全與保證技術（SSAT）計劃和飛行器系統安全技術（VSST）計劃等。歐洲通用電氣（GE）公司牽頭，于2004年啟動了一項名為“針對新型維修方案的技術與方法”（TATEM）研究計劃，通過飛行器綜合健康管理來改進安全性和降低航空公司運營成本。

本文綜述了光纖傳感技術在復合材料結構健康監測領域的最新研究進展，從光纖光柵傳感技術和分布式光纖傳感技術的基本原理引出話題，分別從工藝參量的原位監測、傳感器嵌入及保護方案、傳感器布設方案及對結構的影響、沖擊損傷監測與定位、疲勞損傷監測等角度展開論述，并總結了兩種監測方法的優勢與局限，展望了光纖傳感技術在復合材料結構健康監測的發展趨勢。

2光纖光柵傳感技術

2.1光纖光柵傳感技術

光纖光柵是一種反射型傳感元件，纖芯被環形包層和涂覆層包裹，通常端配有接口，與解調器相連，如圖1所示。

圖1光纖光柵的基本結構

光纖光柵是利用光敏特性，將折射率與纖芯不同的光柵寫入纖芯特定位置，將光纖側面暴露在紫外線下，形成窄帶反射結構，當一束寬光譜經過光柵時，滿足布拉格條件的波長將發生反射，其余的波長透過光柵繼續傳播，由于全內反射現象，其基本原理如圖2所示。

當傳感器所受應力或所處溫度發生改變時，其有效折射率和光柵周期會發生改變，進而導致中心波長發生漂移，通過計算可以得到傳感器附近的參量變化。

2.2光纖光柵傳感器的應用

布拉格光柵光纖傳感器（FBG）是光纖傳感器最為典型的一種，具有較高的靈敏度和可靠性，具有輕質微小（直徑 125μm ）、與復合材料相容性好、測量精度高、響應時間短、抗干擾能力強、復用性強、遠程感應等優點[3]

國外對光纖光柵傳感領域的研究較早，應用技術也比較成熟。美國在航空航天領域內光纖（光柵）傳感技術的研究上一直處于世界領先地位，NASA從1993年開始對光纖光柵在航空航天領域的應用展開研究，包括嵌入式技術、高低溫技術、封裝技術、解調和復用技術等，并開展了損傷定位識別研究，進行了實地飛行實驗。NASA在X-33型航天飛機中安裝了測量應變和溫度的光纖光柵傳感網絡，應用在準分布式應變和氫濃度的測量[4]。歐洲Airbus公司所屬的德國DamlerChrysler研發中心的Daniel[5]應用FBG傳感器監測了A340-600客 了成功的載荷標定。機上的溫度-應力變化情況，對此款客機機身進行

圖2光纖光柵傳感的原理圖

國內外學者主要將光纖光柵應用于固化或服役過程參量監測、沖擊損傷監測于定位、疲勞損傷監測、三維形狀感知、FBG的封裝與保護方案、FBG鋪設方案對測試結果的影響、內埋FBG對復合材料力學性能的影響、樹脂的固化收縮監測等。表1所列為近些年光纖光柵傳感器在復合材料健康監測領域的應用。

表1光纖光柵傳感器在復合材料健康監測領域的應用

2.2. 1 固化或服役過程參量監測

復合材料的成型涉及多種工藝參量的互相耦合及影響，溫度和壓力的選擇對復合材料質量起關鍵性作用，由于復合材料高度的各向異性、預浸料鋪層的復雜性、模具與材料熱膨脹系數不同、溫度場的不均勻特性、樹脂固化收縮等，會綜合作用于復合材料制件，引起固化變形[14]，嚴重影響復合材料制件的力學性能和服役壽命。

在固化過程參量的監測領域，研究焦點主要是：如何降低固化殘余應變、采用何種的溫度補償方案、如何實現應力集中位置的有效監測。科研機構的學者在實驗室基礎上開展了大量研究，主要通過在線監測方法理解固化過程中殘余應力的演變行為，從而通過優化工藝制度減小殘余應變，降低最終制件的變形程度。Robert[15]通過引入附加的冷卻步驟，將制件最終熱殘余應力降低 23% 。 Kim^[16] 通過調整固化周期，在凝膠點到來之前，快速冷卻至室溫，降低復合材料層壓板制造過程中約 50% 的熱殘余應力。東京大學的Minakuchi[1]開發了基于FBG的全生命周期監測系統，可以獲取L型復合材料試樣在固化、脫模、組裝、測試期間橫截面應變歷史，通過計算R角回彈變形程度可以預測此類結構拐角處應力集中點的失效特征，如圖3所示。Nielsen[18]通過FBG嵌人結構的全生命周期監測方法，監測了注射過程中的樹脂流動前鋒浸潤過程、固化過程中的應變演變、彎曲實驗過程應變演變。此外，膠接方案（如共固化、共膠接、二次膠接）也對復合材料固化引起的變形有不可忽視的影響[1]。最終，通過固化過程的實時參量反饋和相應的工藝調整，可以有效降低固化殘余應變，提高產品成型質量和穩定性。

圖3固化、脫模、組裝、測試環境下的應變監測[17]

除此之外，由于復合材料固化過程中溫度場和壓力場的影響，FBG在層板厚度上會出現一定的應變和溫度梯度，不同的埋放位置會影響傳感器的信號類型及強弱。固化過程由于溫度和壓力的不均勻性，會產生一定的溫度和應變梯度，溫度梯度略微較小，但與環境溫度相比有一定的滯后性，對于厚度方向上的應變而言，層壓板的固化應變首先在中間層產生，固化殘余應變最大，越靠近邊緣鋪層，殘余應變越小。Chen[13]將FBG埋入單向復合材料層板中，評估厚度方向上復合材料層板的溫度和應變梯度，同時推論出制件－模具相互作用是產生單向層合板應變梯度的主要原因。Chiang[19]發現，在層壓板中間層的固化殘余應變最大，越靠近邊緣鋪層，殘余應變越小。Wang[20]也通過實驗發現，復合材料的固化殘余應變首先從中心層產生。

2.2.2 嵌入與封裝保護技術

在復合材料成型過程中，光纖光柵植入不合理會導致傳感器在測試過程中發生失效，此外，FBG的封裝材料會降低應變傳遞效率，這使得光纖測試結果不能真實反應主體材料的實際應變[21]。因此，有效保護及封裝光纖光柵是用其開展復合材料在線健康監測的重要前提。

通常有三種方法可以將FBG傳感器嵌入復合材料結構中，分別為管式、表貼式和聚合物封裝。管式封裝通常將光纖光柵沿軸向用膠或環氧樹脂固定在金屬管正中央，既能防止外部應力的干擾，又能起到保護光纖光柵的作用，往往用于溫度補償[22]一種管式陶瓷封裝的溫度FBG結構示意圖如圖4所示。表貼基片式FBG傳感器具有良好的溫度補償效果，同時能夠保持較好的應變傳遞特性。聚合物封裝主要用于壓力和應變傳感器的保護封裝，并且可以起到一定的增敏效果，可根據工程需要做成任意標距，適合較大范圍的應變監測，應變靈敏度與裸纖相似。

圖4一種管式陶瓷封裝的溫度FBG結構示意圖[22]

2.2.3 埋設方向對測試結果的影響

FBG鋪設方向對測試結果有著顯著影響，通常將光纖傳感器沿纖維方向平行嵌入，若存在一定角度嵌入，會因為嵌入位置形成富樹脂區域，影響復合材料強度。常見的FBG鋪設方向主要有沿 0^° 纖維方向鋪設、沿 45^° 纖維方向鋪設和沿 90^° 纖維方向鋪設。

Jiang[23]將熱電偶和FBG以不同的角度埋入CFRP層合板中，檢測不同方向下FBG所測的殘余應變的大小， 0^° 方向的殘余應變為拉伸應變，而45^° 和 90^° 方向的殘余應變為壓縮應變。此外， 90^° 鋪層預埋光纖的復合材料層合板中會形成一個樹脂富集區，對光纖周圍的材料分布有較大的影響[24]

平行于纖維鋪設和垂直纖維或成一定角度鋪設兩種鋪設方式的不同之處主要在于FBG沿纖維方向鋪設，光纖可以融合于纖維束內，保持與本體材料的良好界面和結合，主要用于監測固化過程沿纖維方向的殘余應變；FBG垂直于或以一定角度布設時，光纖與本體纖維交叉處容易擠壓光纖光柵，在光纖光柵周圍出現大面積的富樹脂區以及碳纖維的彎曲變形，容易發生失效，主要用于監測橫向化學收縮應變。

2.2.4 FBG埋設對力學性能的影響

FBG傳感器本身為光纖材質，其力學性能遠低于復合材料所用的纖維增強材料，當受到外部載荷作用時，光纖會先發生斷裂，引起應力集中，導致復合材料的整體力學性能有所下降。

Jensen[25]對嵌入FBG的層壓板進行力學測試表明，當光纖數量較少時，復合材料的面內拉伸強度在纖維增強方向上沒有降低，當光纖數量達到一定數量并增加后，面內拉伸強度會隨著光纖數量的增加而線性降低。對于相同的嵌入纖維密度，對拉伸強度和模量的最大影響程度約為 10% ，而對壓縮強度的最大影響程度約為 30% 。周玉敬26將FBG傳感器埋植于T型加筋板的三角填充區并測試了壓縮性能，如圖5所示。內埋FBG傳感器的T型加筋板樣件破壞載荷比未埋植的樣件僅降低了 0.5% ，兩者壓縮性能基本一致，FBG傳感器埋入三角填充區對T型加筋板性能基本無影響。綜合而言，內埋FBG對復合材料整體的力學性能影響很小，當達到一定密度后，會使復合材料力學性能有一定程度的降低。

圖5內埋FBG對復合材料T型加筋板的性能影響（拉伸強度和壓縮破壞載荷）[26]

2.2.5 樹脂的固化收縮監測

熱固性樹脂在固化過程中的體積收縮主要來源于化學收縮和熱收縮[27]，化學收縮是樹脂發生化學交聯反應引起的體積收縮，熱收縮是溫度變化導致的收縮，其中固化收縮是復合材料制造過程中殘余應力的主要來源。監測樹脂固化收縮對于理解固化殘余應力的產生與變化規律有重要意義。

李雪芹[28]設計了一套樹脂固化收縮測試裝置，如圖6所示，在樹脂中放入了一個未封裝的應變FBG和一個封裝的溫度FBG，用于溫度測量和補償。樹脂外側的油浴通過加熱臺進行加熱，并配有磁力攪拌器不斷攪拌使其溫度均勻。此后，李雪芹[29]又基于FBG對一種環氧樹脂在不同固化工藝及后固化過程中的溫度和應變進行了在線監測，通過監測過程的應變來表征體積變化，實現對固化工藝參數的優化。

Patricia［30]使用布拉格光柵研究熱固性聚氨酯體系中固化收縮和后固化對殘余應變發展的貢獻。結果表明，約占總收縮一半的殘余應變是由于化學收縮引起的，而另一半則是從玻璃化點開始的熱收縮。同時發現后固化處理可顯著緩解內部應變。

圖6樹脂固化收縮測試的實驗裝置示意圖[28]

2.2.6 沖擊和疲勞損傷的監測

飛機關鍵部位的碳纖維復合材料制件在沖擊載荷作用下，內部易出現分層、脫粘、基體開裂等損傷，且不容易目視發現，可能帶來重大安全隱患[30]。研究學者將FBG內埋于復合材料結構，用于評估層壓復合材料的裂紋損傷模式及損傷監測

Kakei[31]使用FBG監測玻纖增強復合材料結構中的分層損傷傳播，評估了分層損傷的準確信號和擴展穩定性。Jang[32]針對低聲發射信號，測量由于不同能量引起的分層區域。中航工業計量所的王文娟[33]將FBG應用于沖擊載荷位置的識別，通過FBG波長的突變來判定沖擊事件的發生，實現對小尺寸加筋板結構沖擊位置的定位識別。北京航空材料研究院的周玉敬[26將FBG傳感器埋植在復合材料T型加筋板結構的三角填充區，利用其應變信號初步實現對復合材料T型加筋板沖擊損傷位置及能量的實時監測，如圖7所示。

在結構疲勞損傷監測領域，Yashiro[34]使用嵌入式光纖布拉格光柵（FBG）傳感器研究了循環載荷下帶孔CFRP層壓板的損傷監測，從FBG的反射光譜中估計了層壓板的損壞模式，并研究了FBG傳感器脫粘對損傷識別過程的影響。Keulen[35]使用嵌入式光纖布拉格光柵傳感器預測了疲勞載荷下復合材料的剩余壽命，并根據傳感器收集的數據和加載歷史對每個循環載荷后的剩余壽命進行了預測

圖7沖擊位置和沖擊能量與應變值的關系

3分布式光纖傳感技術研究與應用

3.1分布式光纖傳感技術的分類

分布式光纖傳感技術也是光纖傳感技術在結構健康監測上的一個重要分支，由激光光源、傳感光纖和檢測單元組成，光纖既作為傳輸介質又作為感應單元，通過獲取光纖沿線振動、應變以及溫度等物理量的分布情況，從而實現大范圍、長距離的在

線監測。

當一束功率足夠高的激光照射到光纖內部后，不僅存在著與入射光頻率相同的瑞利散射光，還存在著與入射光有頻移的拉曼散射光和布里淵散射光[36]，按照散射原理可分為三類：瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射。三種分布式光纖傳感技術的對比如表2所示。

表2三種分布式光纖傳感技術的對比

其中，基于瑞利散射的光纖傳感技術可分為光時域反射（OTDR）和光頻域反射（OFDR）技術。其中，OTDR產生較早、發展較為成熟，其基本原理是返回光的時間延遲將首先提供有關反向散射返回到傳感系統的位置的信息；另一方面，光纖所經歷的擾動將對后向散射光的強度產生重要影響。OTDR可以檢測光纖長度、光纖的損耗和衰減特性、連接器損耗和光纖鏈路故障定位等，但其信噪比和空間分辨率較低，無法滿足某些領域的需求[37]OTDR固有的測量不確定性和低分辨率使其無法成為復合結構健康監測的合適選擇。OFDR的出現克服了OTDR空間分辨率低的缺點，又不降低傳感光的能量。基于瑞利散射的OFDR技術可以更有效、更靈敏、更精確地測試應變和溫度[38]。因此受到人們越來越多的關注，成為目前光纖傳感技術的重要研究方向。

3.2 OFDR的原理

OFDR是一種基于光纖中瑞利散射的背向反射技術，基本原理圖如圖8所示，由激光器發射出線性光源，其中的一路進入待測光纖中，然后在光纖各個位置上不斷產生瑞利散射光，并沿原路返回，與另一路參考光纖返回的光信號耦合后進入廣電探測器，滿足相干條件會發生相干混頻，由光信號轉化為電信號。

圖8OFDR的基本原理示意圖

OFDR可進行高分辨、分布式的溫度和應變監測，當外界環境變化時，光纖內部折射率分布會有變化，相應的瑞利散射信號光的頻率也會有變化，可以對應外界溫度場或應變場的變化，進而實現分布式測量。

3.3OFDR在復合材料健康監測的應用

自光頻域反射技術提出之后，國內外的諸多研究者開始了兩方面研究：一方面基于光纖鏈路進行分布式測量，監測損耗、斷點和連接點；另一方面就是通過光頻域反射技術實現光纖傳感，實現分布式光纖的各種物理參量傳感測量。

2006年，Luna公司推出了世界上第一款成熟的OFDR產品，并推廣到了實際應用，直到2014年，上海交大的課題組才推出了國內第一款產品樣機，在 2km 的測量范圍下實現了 2mm 的空間分辨率。OFDR主要在工程領域應用較多，如復合材料壓力容器的疲勞和沖擊損傷監測、無人機機翼的狀態監測、振動測量、溫度和應變測量、空間形狀傳感、管道破損狀態監控等，不同領域對OFDR的性能要求主要是高靈敏度和高分辨率。

Bueno[39]將光纖集成到無人機機翼中，并對靜態和動態載荷條件下的應變分布進行了測試和有限元驗證。Strathman[40]將基于瑞利散射的分布式光纖系統集成到無人機機翼中，通過加載實驗評估機翼的結構健康狀況，在未來應用中，可以更容易地評估翼梁或機翼殼體中的裂紋。

在結構件的疲勞損傷監測方面， Wada^[41] 在2018年開發了一種基于長距離光纖布拉格光柵（FBG）的光纖頻域反射法（OFDR）的光纖分布式傳感系統，如圖9所示，該系統可以實時測量毫米或亞毫米級的可調高空間分辨率的應變分布輪廓，通過將傳感器放置在飛機的縱梁和艙壁上監測應力分布，可以有效地評估結構部件疲勞狀況

圖9 OFDR用于飛機艙壁監測[41]

在應變和溫度監測方面，Daniel[42]采用內嵌分布式光纖傳感器實現了復合材料成型過程中原位的固化監測及殘余應變監測，通過優化VARTM過程工藝參數降低殘余應變。 Zhu^[43] 使用OFDR實時監測碳纖維增強聚合物層壓板在鉆孔過程中引入的溫度的時空變化，獲得了內部（層間）溫度的完整圖。Daniel[44]將分布式光纖傳感器嵌入環氧碳纖維面板中，高精度地檢測和測量沿光纖長度的應變和溫度變化，獲得了完整的應變、溫度分布圖，并通過測試樹脂灌注后的應變曲線來估算高應變的位置以及近似值來預測殘余應變。此外，層板邊緣附近的殘余應變比層壓板中部測得的殘余應變平均值高40% 。

4兩種光纖傳感技術的對比

光柵光纖傳感技術和分布式光纖傳感技術都是通過光在傳輸過程中的光特征參量（波長、頻率、光強等）變化來表現所測參量的變化過程，可以實現對溫度、應力、壓力、振動等外界物理量的在線感知。

光纖光柵傳感系統可以用于關鍵部位的健康監測與損傷診斷，其局限性在于檢測范圍小，雖然可以通過波分復用、時分復用等技術實現準分布時測量，但是由于數量限制、空間分辨率低、傳感器成本較高，無法實現全尺寸、大面積的結構監測。分布式光纖傳感系統利用一根普通直徑的光纜或裸光纖，就可實現整個尺寸上的溫度、應變和振動實時在線監測。其獨特優勢是高效、簡便、可靠性高、壽命長、環境適應性強。其中，基于瑞利散射的光頻域反射技術在參量傳感測量、空間分辨率、擴展測量距離、以及多參量傳感等方面具有更大優勢，適用于結構的全局狀態感知與損傷診斷，在實際工程應用的優勢更大，但測量精度和采樣頻率方面有一定劣勢，傳感器對環境影響非常敏感。

5結語

隨著光纖傳感技術在航空領域的深入研究與廣泛應用，許多健康監測方案已通過了地面實驗驗證階段。但是，由于目前光纖傳感技術在復合材料結構的應用仍還處于驗證和工程轉化階段，光纖傳感技術在復合材料結構健康監測領域全面應用還需要在以下方面進行努力和探索：

（1）商用飛機服役中通常涉及應變、溫度、振動、載荷等多參數的同步監測，需建立可靠的多參數解耦模型和補償技術，實現多參數協同在線監測與信號解調系統集成，滿足商用飛機關鍵結構部位的溫度及承載狀態感應、損傷位置、損傷程度等狀態評估，逐漸突破飛機復合材料的智能、監測、修復及評價技術，增強飛機復合材料的維修及保障能

力。

（2）預埋于復合材料結構中的光纖傳感器在極端環境下壽命短、易失效，影響監測的覆蓋效率，亟需發展耐寬溫域性、承受應力范圍大、相容性好的光纖傳感器，探索光纖傳感器的自診斷、自修復能力，建立航空航天復合材料結構剩余壽命預測及結構失效預警機制，提高傳感器在復合材料結構中的耐久性與使用壽命。（3）光纖與樹脂基體的結構性能差異大，導致光纖與復合材料樹脂的界面相容差，容易脫離復合材料結構界面，使監測信號失真。需要開展光纖與復合材料樹脂的界面相容性評價試驗，降低埋入光纖對復合材料結構的性能影響及傳感信號影響。（4）隨著復合材料在飛機結構中用量的不斷增加，需建立復合材料結構部件全生命周期的健康監測系統，將光纖傳感網絡優化布設于結構內部，實現從預浸料鋪放到復合材料成型、再到服役環境下的狀態監測，達到感知－結構一體化目標。

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