复合材料分层检测用光纤Mach-Zehnder干涉仪

　　1　引　言

　　复合材料损伤的主要原因是由于低能量的冲击造成的材料分层。分层在材料受到反复载荷时会逐渐扩大,最后酿成事故。传统检测分层的方法是X光或超声探伤技术。由于光纤与碳纤维的力学性能相容,随着光纤传感技术的发展,提出了可以将光纤埋入到复合材料内部或粘贴在材料表面,对材料的健康状况进行监测。因此赋予了材料感知的能力,出现了智能结构和机敏材料等概念[1]。

　　复合材料的分层检测明显比断裂、应变检测困难得多,这是因为分层在材料内部,且非常微小,一般的传感器很难检测出来。光的干涉测量术是目前最精密的测量方法,因此考虑用光纤干涉仪来测量分层。本文讨论了基于3×3耦合器的光纤Mach-Zehnder干涉仪[2],用软件进行信号解调[3],并用完成了对复合材料的分层进行检测的实验。实验表明,这一传感器系统可以非常准确地检测出材料中的分层。

　　2　传感器系统

　　用于复合材料分层检测的光纤Mach-Zehnder干涉仪如图1所示。它包括干涉仪部分和信号解调部分。一只2×2耦合器和一只3×3耦合器构成Mach-Zehnder干涉仪。干涉仪输出的3路信号经光电转换放大后,再经A/D转换送入计算机,用软件解调后输出。

　　3×3耦合器的三个端口的输出光强相等,干涉仪输出的任意两臂间的相位差为120°。因此干涉仪每一路的输出光强为

　　式中,k =1,2,3;C是干涉仪输出信号的直流分量;B是干涉条纹的对比度;(t)是干涉仪两臂间的相位变化。信号解调的任务就是要得到(t)项。

　　尽管采用一个低通滤波器可以消除从光电探测器得到的直流量C,但这样就限制了对低频信号的解调能力。为消除直流量C,利用干涉仪输出的对称性,将三个输出端信号相加,再乘以-1/3后就得到-C,再将-C加回到每一路信号上,就去掉了每路输出中的直流项。

　　在(5)式中,只剩下(t)的微分。由于实际系统中的B项受光源强度及偏振态的影响,所以是不稳定的,还需要消除B的影响。将三路信号均消去C项的信号(式(2))平方后再相加,可以得到

　　式中的AR为除法器增益,将此信号积分,就得到了(t),也就是所要测量的信号。仪器用USB接口与计算机相连,便于用笔记本电脑采集数据。单路A/D采样的最高频率为100kHz,可以轻松测量大于10kHz的声信号。用Labview编程进行信号解调。

　　3　复合材料分层检测

　　复合材料用24层碳纤维薄膜叠在一起,每两层间刷上一层薄的环氧树脂胶。粘叠上12片后,埋入一段光纤。如果光纤的走向与碳纤维的走向一致,再继续粘叠。在粘叠上第18层碳纤维纸后,在中间放入一张Teflon薄层,其长为100mm,厚为0·1mm,并做一个人为制作的分层。