王 容,吳 奇,熊 克,張含琦
(1.南京工業(yè)職業(yè)技術大學,南京 210023;2.南京航空航天大學機械結構力學及控制國家重點實驗室,南京 210016)
目前,碳纖維增強復合材料(Carbon fiber reinforced plastic,CFRP)廣泛應用于航空航天領域,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,具有靈敏度高、檢測范圍廣等優(yōu)點,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,難以用于惡劣工作環(huán)境的航空航天領域中。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、適應惡劣環(huán)境等優(yōu)點,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]設計了一種基于PSFBG 的實時在線監(jiān)測系統(tǒng),結果表明該系統(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注。非線性超聲檢測方法主要包括高次諧波、波形調制和頻率偏移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,采用高次諧波法檢測金屬板的疲勞裂紋,結果表明非線性參數(shù)與超聲波傳播距離和傳感角度有關。Polimeno 等[12]基于二次諧波技術成功檢測出復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和仿真檢測復合材料中的分層損傷,結果表明非線性參數(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合材料的微損傷,但都是利用PZT 傳感器實現(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 傳感器進行比較。通過對測得的Lamb 波信號進行數(shù)據(jù)處理,從而計算非線性參數(shù),研究非線性參數(shù)與裂紋個數(shù)之間的規(guī)律。本研究使用PSFBG 傳感系統(tǒng)實現(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可靠的技術手段。
試驗選用的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)域為PSFBG 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[15]可知,PSFBG 可視為兩個均勻光纖光柵和相移區(qū)構成的法布里-珀羅腔結構,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,L為柵區(qū)長度;κ為耦合系數(shù);R為光柵反射率。試驗選取的PSFBG調制深度為5.7e-4,對應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,即擴大了超聲檢測的帶寬。
PSFBG 超聲傳感系統(tǒng)結構如圖2所示,用于檢測CFRP 板中傳播的Lamb 波。本系統(tǒng)利用一個環(huán)形器連接可調諧激光器(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)采集設備將平衡光電探測器的輸出電壓數(shù)字化。此時,激光波長應鎖定在PSFBG 光譜波峰的3dB 位置。由于溫度和濕度的變化會導致PSFBG波長發(fā)生偏移,影響超聲檢測的靈敏度,因此在試驗中引入比例-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
當超聲波通過健康CFRP 板時,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]試驗設備引起的非線性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。
將單向碳纖維預浸料按照[90404]S的順序進行鋪層,經(jīng)過熱壓機高溫高壓作用后形成試驗所需的CFRP 板,厚度為2.3mm。將CFRP 板裁剪為200mm×20mm,并對其邊緣進行研磨及拋光處理,未觀察到CFRP 板損傷。CFRP 超聲試驗布置結構示意如圖3(a)所示,裂紋標注位置為三點彎曲試驗固定裂紋形成區(qū)域,具體裂紋信息將在下節(jié)中進行描述。試驗選用壓電復合材料(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彎曲試驗中間加載點60mm處。1 根布拉格波長接近1550nm的PSFBG 粘貼在CFRP 板距加載點位置60mm 處。在靠近PSFBG的旁邊粘貼一個直徑為5mm,厚度為3.2mm 的PZT 傳感器(New Focus,AE- 900M),以驗證PSFBG 檢測結果的準確性。
試驗中激勵信號選取為Hamming窗調制周期為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 次平均后進行降噪記錄。
為使CFRP 板在較為可控的位置產(chǎn)生裂紋,利用測試機(INSTRON,M10-16280-EN)進行三點彎曲試驗,如圖3(b)所示。支座支持跨距為72mm,加載點位于兩支撐點中間位置。試驗中采用位移控制,加載速度為0.5mm/min。加載時CFRP 上層材料受壓縮應力,底部受拉應力作用。由于特定[90404]S的CFRP 鋪層順序,底部抗拉強度較低。因此,CFRP 板將最先在加載點位置底部附近產(chǎn)生基體裂紋[19]。
圖3 CFRP 試驗結構示意圖(mm)Fig.3 Schematic diagram of CFRP test structure(mm)
對CFRP 試件進行三點彎曲試驗,在分別產(chǎn)生第1、2、4、6、8、10 條裂紋后,暫停加載,對試件進行超聲試驗,因此,共進行6 次加載。圖4為將加載曲線疊加而成的位移和載荷關系。當CFRP 產(chǎn)生裂紋時,載荷會出現(xiàn)一定程度的突變,如圖4所示。例如,當位移達到3.15mm,載荷為144.59N 時,觀察到荷載突降,對應產(chǎn)生第一條裂紋。試驗中發(fā)生了10 次載荷突降,因此,對應產(chǎn)生了10個基體裂紋。圖5 為CFRP 基體裂紋照片,表1 為CFRP 板產(chǎn)生每一條裂紋時的加載情況。通過測量發(fā)現(xiàn)10 條裂紋在加載點位置23mm 范圍內(nèi)??梢悦黠@看出三點彎曲試驗使CFRP 試件共出現(xiàn)了10 條基體裂紋,利用光學顯微鏡觀察試驗件側面得到的典型基體裂紋對應形狀(圖5)。基體裂紋由試驗件表面貫穿了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
圖6(a)和(b)與圖7(a)和(b)分別為當CFRP 板產(chǎn)生2 個基體裂紋時,PZT 和PSFBG 檢測的典型超聲波形及對應的傅里葉變換結果??梢钥闯?,兩種傳感器到達時間基本一致。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,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。由試驗結果可知,PSFBG 可以準確檢測CFRP 板中高達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,對信號進行小波變換[20]。PZT 和PSFBG 的小波變換結果分別如圖6(c)和7(c)所示,大部分能量集中在1MHz處,其中放大區(qū)域為二次諧波能量集中區(qū)域。從小波變換結果中提取基頻和諧波頻率處的包絡線,選取包絡線第一個峰值,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CFRP 試件中傳播的Lamb 波信號,計算對應的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′和基體裂紋個數(shù)的關系線性擬合結果。可以看出,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,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,因此對應的β′不斷增長。并且,PSFBG 檢測結果中β′上升趨勢明顯高于PZT 結果。表2 比較了PZT 和PSFBG 檢測結果的線性擬合斜率和標準差,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 的標準差要高于PZT,可認為PZT 檢測結果更趨近于線性,更加穩(wěn)定。因此,綜合試驗結果表明,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'與基體裂紋個數(shù)的關系Fig.8 Relationship between β'and number of matrix cracks
(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)試驗結果表明,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 結構健康監(jiān)測的潛在工具。