基于分布式光纤传感的隔热层脱粘识别研究
2020-03-12单一男武湛君徐新生费继友
单一男，武湛君，徐新生，费继友
(1.大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 116024；2.大连交通大学 机车车辆工程学院，辽宁 大连 116028)
0 引言
基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器是近年来发展迅速且具代表性的全分布式光纤传感器之一。由于它测点连续且数量众多，测点数量不受激光带宽及应变量程的限制，能够以高空间分辨率进行较高精度的应变/温度测量，同时具有空间尺寸小、柔性好等特点，较适用于布线空间有限或曲面结构，或结构局部需要进行高密度测量的情况，因此，这种基于背向瑞利散射的分布式光纤传感器适用于测量在三维空间呈连续性分布的物理场[1]。
目前，低密度、硬质的高效率隔热材料已广泛应用到航天运载器、轨道交通车辆等重大运载装备中[2-3]。隔热材料多采用泡沫喷涂和预制板人工粘贴等施工工艺，因此，在结构服役期间由于受机械载荷和温度载荷影响而产生的绝热层材料和基体产生的脱粘断裂现象，是绝热层损伤的主要模式。绝热层损伤使结构局部抵御热流的能力下降，易引发重大的安全隐患。利用无损检测方法与技术能够有效地识别绝热层脱粘，其主要包括低频检测[4]、超声波检测[5]、超声导波检测[6]、微波检测[7]、X线检测[8]、激光全息照相检测和散斑错位成像[9]等，但是以上无损检测技术都需要结构处于离线状态，且检测时间较长。
本文以隔热泡沫胶接铝合金结构作为研究对象，利用基于背向瑞利散射的分布式光纤传感技术获得的高密度应变信息识别脱粘缺陷。利用布设在金属悬臂梁结构的光纤传感器网络，并考虑光纤和隔热泡沫相对位置、应变水平及隔热泡沫脱粘面积等影响因素，对脱粘缺陷的识别效果进行研究，并利用隔热泡沫胶接铝合金悬臂板弯曲试验对结论进行验证。
1 测量原理
基于背向瑞利散射的分布式光纤传感技术使用光频域反射原理对分布式光纤传感器进行解调。基于光纤的测量系统一般包含一个主动监测单元，其作用是与被动式测量的光纤连接，并通过调频激光器或宽带光源向光纤发射激光。光纤中传播激光的某些属性可以处理为光纤上所承受应变/温度的函数。光纤传感器中相关物理参数的变化会引起光纤内散射光的可测量变化，与散射光的参考量进行对比后可以推知在测量时的光纤物理状态[10]。这个物理状态特指作用在光纤上的温度与应变耦合作用效果。使用光频域反射原理分析背向瑞利散射光时，将其作为光纤上与位置有关的函数[11]。光纤中瑞利散射的产生是由于光纤长度方向上的折射率波动所导致，当测试光纤所处外部环境不变时，光纤内部瑞利散射信号虽然是随机的，但拥有静态属性，即基本保持不变[12]。当光纤所处环境的应变或温度发生变化时，光纤局部会在空间上被拉伸或压缩。局部瑞利散射的变化会导致局部反射光谱的光谱漂移。
由应变ε或温度T响应得到光谱漂移类似于共振波的漂移Δλ或布喇格光栅的光谱漂移Δυ[13]：
(1)
式中:λ和υ分别为平均光波长和频率；KT和Kε分别为温度和应变标准常数；ΔT为温度变化量。
2 试验及结果分析
2.1 悬臂梁弯曲试验
2.1.1 试验方案
试验对象为胶接隔热层泡沫的2024铝合金试件，试件测试段尺寸为500 mm×40 mm×3 mm，绝热层试片的尺寸为2个20 mm×10 mm×20 mm和2个20 mm×20 mm×20 mm，每个绝热层试片的间距为30 mm。试件表面使用环氧AB胶粘接分布式光纤传感器，使用美国Luna公司的ODiSI A50光纤解调仪对光纤传感器进行解调，系统参数如表1所示。图1为胶接有隔热层泡沫的试件示意图。图2为光纤解调仪系统。图3为试验加载装置示意图。
图2 光纤解调仪系统
图3 试验加载装置
图1 分布式光纤传感器与隔热层泡沫试片粘贴示意图
4个厚度相同的隔热层泡沫试片中：
1) 1、2号试片投影面积均为400 mm2，且光纤在试片下方穿过投影面中心并在下边缘处通过。
2) 3、4号试片的投影面积均为200 mm2，光纤在3号试片下方穿过投影面中心，分别在3、4号试片下边缘处通过。试验过程如下：
a.试件受载前的状态设为基准。
b.在悬臂梁自由端悬挂200 g砝码，待其稳定后，测量此时分布式光纤传感器的应变数据。
c.重复步骤b至砝码总质量达到800 g。
d.将4个隔热层泡沫试片去除以模拟脱粘，并将试件受载前的状态设为基准。
e.重复步骤b至砝码总质量达到800 g。
2.1.2 结果分析
光纤测量段AB和CD在隔热层泡沫去除前后的应变差值如图4所示。
图4 脱粘前后分布式光纤测量段应变数据的差值
图4(a)可以识别的波峰中，40～60 mm和80～100 mm附近，以及135～145 mm和175～195 mm附近，均为隔热层泡沫所在位置。图4(b)可以识别的波峰中，30～50 mm和70～90 mm附近，均为隔热层泡沫所在的位置。
从图4中可看出：
1) 与标距长度为5 mm的测试数据相比，标距长度为10 mm的数据信噪比更好。
2) 从隔热层泡沫试片正下方通过的光纤测量的应变差值幅值更大，光纤易受到脱粘缺陷的影响。
3) 400 mm2的脱粘面积比200 mm2脱粘面积的应变差值的影响范围更大。
4) 应变水平较高的区域，发生脱粘缺陷前后的应变差值越大。
5) 在脱粘区域边界，高密度应变信号有幅值不等，但符号相反的振荡现象。
2.2 悬臂板弯曲试验
2.2.1 试验方案
以胶接有隔热层泡沫试片的铝合金悬臂板结构为研究对象，对2.1节的结论在悬臂板弯曲试验中进行验证。2024铝合金悬臂板测试段尺寸为500 mm×500 mm×3 mm，隔热层泡沫试片尺寸为100 mm×100 mm×20 mm。试件表面使用双组分环氧胶布设分布式光纤传感器。图5为粘接有隔热层泡沫试片和分布式光纤传感器的试件示意图，图中阴影部分为模拟脱粘缺陷的泡沫去除区域。图6为试验加载装置，其中砝码托盘质量为140 g。试验过程如下：
1) 将试件受载前的状态设为基准。
2) 在悬臂板自由端3个挂点分别悬挂1 000 g砝码，待其稳定后，测量光纤传感器的应变数据。
3) 重复步骤2)至各挂点砝码质量为3 140 g。
4) 将隔热层泡沫试片去除以模拟脱粘，并将试件受载前的状态设为基准。
5) 重复步骤2)至各挂点砝码质量为3 140 g。
图5 试验件示意图
图6 试验加载装置
2.2.2 结果分析
光纤测量段AB和CD在隔热层泡沫去除前后的应变差值如图7所示。
图7 脱粘前后分布式光纤测量段应变数据的差值
分布式光纤测量段AB和CD的应变数据的差值曲线，均有3处可识别的波峰。通过与预先测量的脱粘缺陷位置进行核对发现，这些波峰所在位置与脱粘缺陷位置吻合良好，且在脱粘缺陷边界位置存在明显的幅值不等，但符号相反的振荡现象，进一步验证了前述悬臂梁弯曲试验得出的结论。因此，采用较高标距长度进行应变测量的分布式光纤传感器网络，对其布设路径上的脱粘缺陷具有较高信噪比的识别能力，且结构应变水平越高、脱粘面积越大，识别效果越好。
3 结论
本文针对隔热层结构脱粘缺陷的识别方法展开了研究，并利用具有高密度应变测量能力的分布式光纤传感器进行了2组试验，分别对胶接隔热层泡沫试片的承受弯曲载荷的悬臂梁和悬臂板进行了原理性试验和验证试验。通过在悬臂梁弯曲试验中获得的高密度应变测试结果，得到以下结论：
1) 与标距长度为5 mm的测试数据相比，标距长度为10 mm的测试数据的信噪比更好。
2) 位于隔热层泡沫试片下方的分布式光纤传感器更易受到脱粘缺陷的影响。
3) 脱粘面积越小，应变差值的幅值和影响范围越小，检测难度越大。
4) 应变水平较高的区域，发生脱粘缺陷前、后的应变差值较大。
5) 在脱粘区域边界，高密度应变信号有幅值不等但符号相反的振荡现象。在悬臂板弯曲试验中，人为设置了不同形状、不同尺寸且处于不同应变水平下的脱粘缺陷，通过对脱粘前、后应变差值曲线的综合分析，验证了前述结论的有效性。综上所述，分布式光纤传感器网络能够以较高的信噪比识别布设路径上的脱粘缺陷，识别效果与光纤测点标距长度、脱粘缺陷与光纤相对位置、脱粘面积、应变水平等因素有关。
