復(fù)合材料基體裂紋光纖光柵非線性超聲Lamb波檢測試驗(yàn)研究*

王 容，吳 奇，熊 克，張含琦

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)，南京 210023；2.南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)及控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

目前，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced plastic，CFRP）廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，因此CFRP的早期損傷檢測顯得尤為重要。超聲檢測作為比較常用的一種無損檢測技術(shù)，具有靈敏度高、檢測范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，可用于CFRP 損傷的評估。其中，超聲傳感器的選擇是非常重要的環(huán)節(jié)，特別是針對CFRP 的微小損傷，需要超聲傳感器具有較高的靈敏度。壓電陶瓷（Lead zirconate titanate，PZT）是應(yīng)用比較廣泛的一種超聲傳感器。然而，PZT 傳感器存在易受電磁干擾、不耐腐蝕、體積大、重量重等缺點(diǎn)，難以用于惡劣工作環(huán)境的航空航天領(lǐng)域中。因此，研究者提出利用抗電磁干擾的光纖布拉格光柵（Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG）代替?zhèn)鹘y(tǒng)PZT 傳感器[1]。光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，可以檢測材料中傳播的超聲波[2]。

然而，傳統(tǒng)的FBG 傳感器靈敏度較低，可檢測帶寬有限，不能有效檢測CFRP 中傳播的微弱超聲信號。因此，為了提高光纖光柵的傳感性能，引入相移光纖光柵（Phase-shifted fiber Bragg grating，PSFBG）以提高超聲檢測靈敏度和帶寬[3]。例如，Wu等[4]提出了一種高靈敏度、大帶寬的PSFBG 平衡傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)的帶寬可達(dá)5MHz。Yu 等[5]利用PSFBG 傳感系統(tǒng)成功檢測了CFRP 中傳播的聲發(fā)射信號。Hudson 等[6]設(shè)計(jì)了一種基于PSFBG 的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以檢測CFRP 中傳播的超聲信號。這些研究均表明，PSFBG 在CFRP 中具有良好的超聲檢測性能。

在傳統(tǒng)的超聲無損檢測方法中，非線性超聲檢測因其對微損傷[7]的高敏感性引起了研究者的關(guān)注。非線性超聲檢測方法主要包括高次諧波、波形調(diào)制和頻率偏移3 種方法[8-10]。超聲波在微損傷材料中傳播時(shí)與損傷相互影響，產(chǎn)生呼吸作用，形成高次諧波，是比較常見的一種超聲非線性現(xiàn)象。例如，Hong 等[11]建立了呼吸模型和試驗(yàn)，采用高次諧波法檢測金屬板的疲勞裂紋，結(jié)果表明非線性參數(shù)與超聲波傳播距離和傳感角度有關(guān)。Polimeno 等[12]基于二次諧波技術(shù)成功檢測出復(fù)合材料中幾乎不可見的沖擊損傷。Andreades 等[13]通過非線性超聲試驗(yàn)和仿真檢測復(fù)合材料中的分層損傷，結(jié)果表明非線性參數(shù)與分層損傷的大小成正比。雖然這些研究證明非線性超聲檢測可以用于復(fù)合材料的微損傷，但都是利用PZT 傳感器實(shí)現(xiàn)非線性超聲探測?；诠饫w傳感器的CFRP 非線性超聲檢測尚未見報(bào)道。

因此，本研究使用高靈敏度的PSFBG 超聲系統(tǒng)來檢測CFRP 板中的基體裂紋，并與PZT 傳感器進(jìn)行比較。通過對測得的Lamb 波信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算非線性參數(shù)，研究非線性參數(shù)與裂紋個(gè)數(shù)之間的規(guī)律。本研究使用PSFBG 傳感系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基體裂紋的非線性超聲探傷，為CFRP 微損傷的探測提供一個(gè)可靠的技術(shù)手段。

PSFBG 傳感器非線性超聲檢測

1 PSFBG 傳感系統(tǒng)

試驗(yàn)選用的PSFBG 傳感器中光柵直徑為125μm，柵區(qū)長度為5mm。圖1 為由激光掃描系統(tǒng)（Agilent B164A）測得的PSFBG 反射光譜，光譜插圖紅色區(qū)域?yàn)镻SFBG 線性傳感區(qū)域。PSFBG 線性區(qū)域斜率很大，約為71.6/nm。研究表明，PSFBG 光譜陡峭的線性區(qū)域可以提高超聲檢測的靈敏度[14]。由文獻(xiàn)[15]可知，PSFBG 可視為兩個(gè)均勻光纖光柵和相移區(qū)構(gòu)成的法布里-珀羅腔結(jié)構(gòu)，它將光限制在光柵中心附近，因此減小了PSFBG 有效柵區(qū)長度。沿光柵長度方向的光功率可表達(dá)為：

圖1 PSFBG 反射光譜Fig.1 Typical reflection spectrum of PSFBG sensor

其中，z∈（0，L）為沿柵區(qū)長度的坐標(biāo)，L為柵區(qū)長度；κ為耦合系數(shù)；R為光柵反射率。試驗(yàn)選取的PSFBG調(diào)制深度為5.7e-4，對應(yīng)光功率分布的半高全寬長度約為1.2mm，即為PSFBG 有效柵區(qū)長度。短有效柵長的PSFBG 可以提高應(yīng)變測量的空間分辨率[16]，從而檢測具有較小波長的超聲信號，即擴(kuò)大了超聲檢測的帶寬。

PSFBG 超聲傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，用于檢測CFRP 板中傳播的Lamb 波。本系統(tǒng)利用一個(gè)環(huán)形器連接可調(diào)諧激光器（Aglient，N7711A）和PSFBG 傳感器，并將PSFBG 的反射光和透射光輸入到平衡光電探測器（New Focus，2117）中，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備將平衡光電探測器的輸出電壓數(shù)字化。此時(shí)，激光波長應(yīng)鎖定在PSFBG 光譜波峰的3dB 位置。由于溫度和濕度的變化會導(dǎo)致PSFBG波長發(fā)生偏移，影響超聲檢測的靈敏度，因此在試驗(yàn)中引入比例-積分-微分（Proportional-integral-derivative,PID）反饋控制將激光波長鎖定在光譜波峰3dB 位置處，消除外界環(huán)境的影響。

圖2 PSFBG 傳感器非線性超聲檢測Fig.2 PSFBG sensor for nonlinear ultrasonic detection

2 非線性超聲檢測原理

當(dāng)超聲波通過健康CFRP 板時(shí)，板中只存在固有的材料非線性βM和幾何非線性βG。在含有基體裂紋的板中，非線性還包括基體裂紋與超聲波相互作用引起的接觸聲非線性βCAN?？紤]試驗(yàn)設(shè)備引起的非線性βE，總的非線性β可表示為：

研究表明，在含有基體裂紋的CFRP 板中，βCAN是主要成分[17]。CFRP 非線性理論可以簡化成非線性彈簧模型，模擬界面與超聲波的相互作用[18]。因此，相對非線性參數(shù)β′可以表示為：

其中，A1為基波幅值；A2為二次諧波幅值。

非線性超聲試驗(yàn)

1 CFRP 超聲試驗(yàn)設(shè)置

將單向碳纖維預(yù)浸料按照[90404]S的順序進(jìn)行鋪層，經(jīng)過熱壓機(jī)高溫高壓作用后形成試驗(yàn)所需的CFRP 板，厚度為2.3mm。將CFRP 板裁剪為200mm×20mm，并對其邊緣進(jìn)行研磨及拋光處理，未觀察到CFRP 板損傷。CFRP 超聲試驗(yàn)布置結(jié)構(gòu)示意如圖3（a）所示，裂紋標(biāo)注位置為三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)固定裂紋形成區(qū)域，具體裂紋信息將在下節(jié)中進(jìn)行描述。試驗(yàn)選用壓電復(fù)合材料（Macro fiber composite，MFC）作為激勵源，類型為P2 型，尺寸為14mm×7mm。利用氰基丙烯酸酯黏合劑將其粘貼在距三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)中間加載點(diǎn)60mm處。1 根布拉格波長接近1550nm的PSFBG 粘貼在CFRP 板距加載點(diǎn)位置60mm 處。在靠近PSFBG的旁邊粘貼一個(gè)直徑為5mm，厚度為3.2mm 的PZT 傳感器（New Focus，AE- 900M），以驗(yàn)證PSFBG 檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)中激勵信號選取為Hamming窗調(diào)制周期為10 的猝發(fā)正弦信號，中心頻率為1.0MHz。將信號發(fā)生器（Aglient，33521A）產(chǎn)生的信號經(jīng)放大器放大后，輸入MFC 激勵器，產(chǎn)生峰-峰值為60V 的超聲波。通過示波器（Keysight，DSOX2004A）檢測PZT 和PSFBG 傳感系統(tǒng)探測器的輸出電壓，采樣頻率為10MHz。數(shù)據(jù)經(jīng)過4096 次平均后進(jìn)行降噪記錄。

2 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

為使CFRP 板在較為可控的位置產(chǎn)生裂紋，利用測試機(jī)（INSTRON，M10-16280-EN）進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，如圖3（b）所示。支座支持跨距為72mm，加載點(diǎn)位于兩支撐點(diǎn)中間位置。試驗(yàn)中采用位移控制，加載速度為0.5mm/min。加載時(shí)CFRP 上層材料受壓縮應(yīng)力，底部受拉應(yīng)力作用。由于特定[90404]S的CFRP 鋪層順序，底部抗拉強(qiáng)度較低。因此，CFRP 板將最先在加載點(diǎn)位置底部附近產(chǎn)生基體裂紋[19]。

圖3 CFRP 試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖（mm）Fig.3 Schematic diagram of CFRP test structure(mm)

對CFRP 試件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，在分別產(chǎn)生第1、2、4、6、8、10 條裂紋后，暫停加載，對試件進(jìn)行超聲試驗(yàn)，因此，共進(jìn)行6 次加載。圖4為將加載曲線疊加而成的位移和載荷關(guān)系。當(dāng)CFRP 產(chǎn)生裂紋時(shí)，載荷會出現(xiàn)一定程度的突變，如圖4所示。例如，當(dāng)位移達(dá)到3.15mm，載荷為144.59N 時(shí)，觀察到荷載突降，對應(yīng)產(chǎn)生第一條裂紋。試驗(yàn)中發(fā)生了10 次載荷突降，因此，對應(yīng)產(chǎn)生了10個(gè)基體裂紋。圖5 為CFRP 基體裂紋照片，表1 為CFRP 板產(chǎn)生每一條裂紋時(shí)的加載情況。通過測量發(fā)現(xiàn)10 條裂紋在加載點(diǎn)位置23mm 范圍內(nèi)?？梢悦黠@看出三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)使CFRP 試件共出現(xiàn)了10 條基體裂紋，利用光學(xué)顯微鏡觀察試驗(yàn)件側(cè)面得到的典型基體裂紋對應(yīng)形狀（圖5）?；w裂紋由試驗(yàn)件表面貫穿了90°鋪層方向，裂紋長度為20mm，裂紋面平均寬度約為2μm。CFRP 中未發(fā)現(xiàn)分層或其他損傷。

表1 CFRP 位移-載荷加載數(shù)據(jù)Table 1 Crack and loading conditions of CFRP

圖4 三點(diǎn)彎曲加載曲線Fig.4 Load curve of three-point bending test

圖5 CFRP 板90°纖維方向產(chǎn)生的裂紋Fig.5 Matrix cracks generated at the bottom 90° layer of cross-ply CFRP

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6（a）和（b）與圖7（a）和（b）分別為當(dāng)CFRP 板產(chǎn)生2 個(gè)基體裂紋時(shí)，PZT 和PSFBG 檢測的典型超聲波形及對應(yīng)的傅里葉變換結(jié)果?？梢钥闯?，兩種傳感器到達(dá)時(shí)間基本一致。但檢測到的波形并不完全相同，這是由于傳感器特性不同造成的。對信號進(jìn)行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)大部分能量集中在1.0MHz，這與輸入信號中心頻率相同。同時(shí)，信號中存在少量的2.0MHz 的二次諧波成分，證明CFRP 板中存在超聲非線性。由試驗(yàn)結(jié)果可知，PSFBG 可以準(zhǔn)確檢測CFRP 板中高達(dá)2.0MHz 的高頻超聲非線性信號。為了有效提取超聲信號的基波和二次諧波幅值，采用中心頻率為2.5，帶寬為2 的Complex Morlet 小波基，對信號進(jìn)行小波變換[20]。PZT 和PSFBG 的小波變換結(jié)果分別如圖6（c）和7（c）所示，大部分能量集中在1MHz處，其中放大區(qū)域?yàn)槎沃C波能量集中區(qū)域。從小波變換結(jié)果中提取基頻和諧波頻率處的包絡(luò)線，選取包絡(luò)線第一個(gè)峰值，分別記為A1和A2，如圖6（d）和7（d）所示。將其代入式（3），計(jì)算出PZT 和PSFBG 的相對非線性參數(shù)β′。

圖6 PZT 檢測的超聲信號Fig.6 Typical ultrasonic signal of PZT sensor

圖7 PSFBG 檢測的超聲信號Fig.7 Typical ultrasonic signal of PSFBG sensor

利用PSFBG 和PZT 傳感器檢測并采集基體裂紋數(shù)從0 增長到10時(shí)CFRP 試件中傳播的Lamb 波信號，計(jì)算對應(yīng)的β′值。對β′歸一化處理，即將所有的β′值均除以健康狀態(tài)的值。圖8 為β′和基體裂紋個(gè)數(shù)的關(guān)系線性擬合結(jié)果?？梢钥闯?，隨著裂紋數(shù)量的增多，β′近似線性增長。這是由于超聲波在傳播到基體裂紋時(shí)，與裂紋界面發(fā)生相互作用，產(chǎn)生接觸聲非線性βCAN，基體裂紋的增多會使βCAN變多，因此對應(yīng)的β′不斷增長。并且，PSFBG 檢測結(jié)果中β′上升趨勢明顯高于PZT 結(jié)果。表2 比較了PZT 和PSFBG 檢測結(jié)果的線性擬合斜率和標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出PSFBG 檢測的β′斜率更大，這種大的傾斜度更有利于表征CFRP 基體裂紋數(shù)量的變化，表明PSFBG 具有更高的非線性超聲檢測靈敏性。但PSFBG 的標(biāo)準(zhǔn)差要高于PZT，可認(rèn)為PZT 檢測結(jié)果更趨近于線性，更加穩(wěn)定。因此，綜合試驗(yàn)結(jié)果表明，PSFBG 傳感系統(tǒng)可用于CFRP 基體裂紋的非線性超聲檢測，且具有高靈敏度的優(yōu)勢。

表2 β'線性擬合參數(shù)Table 2 Linear-fit parameter of β'

圖8 β'與基體裂紋個(gè)數(shù)的關(guān)系Fig.8 Relationship between β'and number of matrix cracks

結(jié)論

（1）提出的高靈敏度大帶寬的PSFBG 傳感系統(tǒng)可以有效評估CFRP 基體裂紋的數(shù)量。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著CFRP基體裂紋數(shù)量的增加，相對非線性參數(shù)近似線性增長。

（3）PSFBG 相比于PZT 具有較高的CFRP 非線性超聲損傷檢測靈敏度，可以成為CFRP 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的潛在工具。