基于光纖光柵的裝甲車油箱損傷識別方法

鄭鵬飛,李成貴,陳娟麗,畢京紅,宋 娜,武 盼

(1.北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 北京 100191;2.北京北方車輛集團有限公司， 北京 100072)

1 引言

裝甲車油箱是裝甲車輛的重要構(gòu)成部分，在戰(zhàn)爭中，攻擊裝甲車油箱能夠使其燃油泄漏或引燃油箱，是裝甲車的主要攻擊部位之一。在不受到攻擊的情況下，長時間的振動也會使焊縫開裂，導(dǎo)致燃油泄漏。目前，主流的損傷識別方案是利用壓電陶瓷、電阻應(yīng)變片等電傳感器，通過固有頻率、模態(tài)、頻響函數(shù)、導(dǎo)波等方法進(jìn)行損傷識別，但存在線路復(fù)雜、易受電磁干擾、傳感器易脫落等問題。FBG是一段纖芯折射率沿軸向周期性分布的光纖，對于應(yīng)變、溫度等參量具有優(yōu)異的傳感性能。除了絕緣性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、抗電磁干擾、靈敏度高等光傳感器的優(yōu)點，F(xiàn)BG還具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長，穩(wěn)定性好，便于構(gòu)成傳感網(wǎng)絡(luò)等特點。這些特點使FBG傳感器能夠在狹小空間、強電磁場等復(fù)雜環(huán)境下正常工作，多個FBG傳感器復(fù)用可以實現(xiàn)多點同時測量。目前，F(xiàn)BG傳感器在土木、航空航天等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，也出現(xiàn)了一些損傷識別的應(yīng)用，將FBG傳感器應(yīng)用在裝甲車油箱的損傷識別問題仍需進(jìn)一步研究。

路譜是路面不平度的功率譜密度曲線，將路譜作為振動試驗臺的輸入信號，可以模擬車輛在實際行駛過程中的振動情況，可以得到行駛質(zhì)量、疲勞壽命等重要信息。該方法廣泛應(yīng)用于車輛振動平順性分析、操控穩(wěn)定性分析，以及整車或部件的疲勞耐久性分析等研究。

本文開展了基于FBG傳感器的裝甲車油箱振動路譜實驗，將FBG傳感器粘貼在裝甲車油箱表面多個位置進(jìn)行應(yīng)變測量。利用振動試驗臺以標(biāo)準(zhǔn)的路譜使油箱發(fā)生隨機振動。利用FBG傳感器測量了裂縫損傷產(chǎn)生時和產(chǎn)生之后的波長變化，分析了裂縫損傷出現(xiàn)前后FBG傳感器的波長變化特點，可為FBG傳感器在裝甲車油箱的損傷識別問題提供參考。

2 原理

基于光纖的光敏性，以不同的曝光條件在不同類型的光纖上可以制作出不同折射率分布的FBG，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光纖Bragg光柵結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Diagram of fiber Bragg grating

這種特殊結(jié)構(gòu)可以起到波長選擇的作用，當(dāng)寬帶光入射FBG時，只有滿足特定條件的光會發(fā)生反射：

=2

(1)

其中：為反射光的中心波長；為FBG的有效折射率；為光柵周期。

FBG的中心波長受到有效折射率和光柵周期的影響，而這2個參量都會受到FBG所處環(huán)境的溫度和應(yīng)變的影響。在外界溫度穩(wěn)定的情況下，應(yīng)變引起的FBG的波長變化可以表示為：

Δ=2Δ+2Δ

(2)

其中：Δ為應(yīng)變引起的FBG有效折射率變化；Δ為應(yīng)變引起的光柵周期變化。由于結(jié)構(gòu)的特殊性，F(xiàn)BG對軸向應(yīng)變更敏感，結(jié)合彈性力學(xué)和數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以得到FBG波長變化與所受應(yīng)變的關(guān)系：

Δ=(1-)=

(3)

其中：為光纖的彈光系數(shù)；為FBG的軸向應(yīng)變靈敏度；為FBG所受的軸向應(yīng)變。由式(3)可知，在環(huán)境溫度穩(wěn)定的情況下，F(xiàn)BG具有很好的線性應(yīng)變特性。

3 實驗方案

3.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備如圖2所示。本次實驗采用基于可調(diào)諧F-P濾波法的光纖光柵解調(diào)儀，采樣率為5 kHz，滿足油箱表面的應(yīng)變測量需求。將完好的油箱固定在振動試驗臺上，用瞬干膠將FBG傳感器粘貼在油箱表面多個位置，在油箱內(nèi)充入氣體來增大油箱內(nèi)的氣壓，通過氣壓變化來判斷油箱是否出現(xiàn)裂縫。粘貼完成后，對各傳感器之間的光纖進(jìn)行熔接，將傳感器連接光纖光柵解調(diào)儀。

圖2 實驗設(shè)備示意圖Fig.2 Schematic diagram of experimental equipment

3.2 被測油箱及FBG傳感器布置

被測油箱實物如圖3所示。油箱通過5個螺栓固定在振動試驗臺上，保證油箱始終與試驗臺一起運動。油箱表面的FBG傳感器布置位置如圖4所示，圖4中紅圈處即為FBG傳感器。粘貼傳感器時，先用3M膠帶固定傳感器的一端，用手對傳感器施加預(yù)緊力，再用3M膠帶固定另一端，使傳感器緊貼被測點表面，固定完畢后，將瞬干膠水均勻涂抹在傳感器上。

圖3 被測裝甲車油箱實物圖Fig.3 Tested armored vehicle fuel tank

3.3 振動試驗臺

振動試驗臺按照輸入的路譜沿油箱水平長邊方向隨機運動，模擬裝甲車在行駛過程中的振動情況。輸入的路譜共分為5個行程，行程數(shù)越大振動越劇烈，每個行程按順序進(jìn)行，分別持續(xù)45 min，路譜信息如表1所示。

4 實驗結(jié)果與分析

經(jīng)過5個行程的振動后，油箱仍然完好沒有裂縫，試驗臺再次從第1行程開始振動，直到第4行程第137 s時，油箱內(nèi)的氣壓降至常壓，表明油箱出現(xiàn)微小的裂縫。裂縫位于油箱的焊縫處，位置如圖4(a)中所示。

第一輪循環(huán)的5個行程中，所有FBG傳感器的波長變化較小，最大值小于50 pm，第一輪循環(huán)前3個行程的FBG傳感器的波長變化曲線與第4行程的類似，第4、第5行程FBG傳感器的波長變化曲線如圖5、圖6。

表1 路譜信息Table 1 Road spectrum information

圖4 油箱表面FBG傳感器布置及裂縫位置示意圖Fig.4 FBG sensor arrangement on fuel tank surface and crack location

第二輪循環(huán)的前3個行程中，所有FBG傳感器的波長變化較小，變化最大值都小于15 pm。第二輪循環(huán)的前2個行程的FBG傳感器波長變化曲線與第3行程的類似，第3、第4行程的FBG傳感器的波長變化如圖7、圖8所示。在第4行程中，137 s時多個FBG傳感器的波長發(fā)生突變，形成了尖峰，此時油箱氣壓也發(fā)生變化，即137 s時油箱出現(xiàn)裂縫，經(jīng)過一段時間后波長變化速率開始增大。截止到停止數(shù)據(jù)采集時刻，F(xiàn)BG4的波長變化最大，達(dá)到了357.9 pm。

圖5 第一輪循環(huán)第4行程FBG傳感器波長變化曲線Fig.5 Wavelengths change diagram of FBG sensors in the fourth stroke of the first cycle

圖6 第一輪循環(huán)第5行程FBG傳感器波長變化曲線Fig.6 Wavelengths change diagram of FBG sensors in the fifth stroke of the first cycle

圖7 第二輪循環(huán)第3行程FBG傳感器波長變化曲線Fig.7 Wavelengths change diagram of FBG sensors in the third stroke of the second cycle

圖8 第二輪循環(huán)第4行程FBG傳感器波長變化曲線Fig.8 Wavelengths change diagram of FBG sensors in the fourth stroke of the second cycle

第二輪循環(huán)第4行程中，尖峰區(qū)域放大圖如圖9所示。圖9中137 s處出現(xiàn)的第一個峰值，略大于142 s處出現(xiàn)的第二個峰值，尖峰出現(xiàn)的時間與油箱氣壓變化的時間一致。137 s時，F(xiàn)BG6的波長變化最大，達(dá)到了-52.5 pm，超過了其他行程最終的波長變化量。尖峰現(xiàn)象證明了利用FBG傳感器識別油箱裂縫損傷出現(xiàn)的可行性。

圖9 第二輪循環(huán)第4行程FBG傳感器波長 變化曲線(局部放大)Fig.9 Partial amplification of wavelengths change of FBG sensors in the fourth stroke of the second cycle

將靠近油箱裂縫的4個FBG傳感器對第一輪循環(huán)的第4、第5行程和第二輪循環(huán)第3、第4行程的測量結(jié)果作圖，如圖10—圖13所示。

圖10 FBG7波長變化4個行程曲線Fig.10 Comparison of FBG7 wavelength changes in four strokes

圖11 FBG8波長變化4個行程曲線Fig.11 Comparison of FBG8 wavelength changes in four strokes

圖12 FBG9波長變化4個行程曲線Fig.12 Comparison of FBG9 wavelength changes in four strokes

圖13 FBG10波長變化4個行程曲線Fig.13 Comparison of FBG10 wavelength changes in four strokes

從圖10、圖12、圖13可以看出，第二輪循環(huán)第4行程中，F(xiàn)BG7、9、10在143 s時出現(xiàn)了波長減小的突變，說明FBG7、9、10在裂縫產(chǎn)生時受到了負(fù)應(yīng)變。在出現(xiàn)突變尖峰一段時間后，波長的變化速率增大，在測量結(jié)束時的波長變化量遠(yuǎn)大于其他行程。這一特點有助于判斷裝甲車油箱是否存在裂縫損傷。從圖 11可以看出，第二輪循環(huán)第4行程中，F(xiàn)BG8在143 s時出現(xiàn)了波長增大的突變，說明FBG8在裂縫產(chǎn)生時受到了正應(yīng)變，且該應(yīng)變大于FBG7、9、10受到的應(yīng)變。

5 結(jié)論

1) 提出了基于光纖光柵傳感器的裝甲車油箱的裂縫損傷識別方法。通過振動試驗臺模擬行駛路譜，粘貼在油箱表面的FBG傳感器的波長變化能夠反映油箱裂縫損傷。

2) 在裂縫損傷出現(xiàn)時，F(xiàn)BG傳感器的波長發(fā)生突變，隨后波長變化速率增大，驗證了FBG傳感器識別裝甲車油箱的裂縫損傷的可行性。

3) FBG傳感器在電磁干擾嚴(yán)重、裝甲車受到攻擊的情況下存活率較高，在裝甲車油箱裂縫損傷識別上具有良好的應(yīng)用前景。