技术领域
[0001] 本
申请属于结构材料无损在线损伤检测领域，能进行在线损伤
位置、伤口大小程度的自动探测识别，具体涉及一种自动在线识别结构损伤的复合材料光纤阵列。
背景技术
[0002] 随着科技的发展，我国的大飞机，载人
航天器，深海探测器等装备取得了很大的突破。这些高科技装备的外部工作环境较恶劣，通常承受很复杂的外
力，容易受损。若想成功完成任务，需要一种自动在线识别材料损伤的光纤阵列。
[0003] 目前，为了对装备进行维护，保证装备正常工作，后勤人员需要定期进行无损探伤。常用的无损探伤方法有：X光射线探伤、
超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、
涡流探伤、γ射线探伤等方法。这些无损探伤方法，都是在装备运行很长时间之后才进行，无法即时在复杂环境下发现装备损伤，而且事先并不知道损伤在哪里，需要对整个表面都检测一遍。要实现对装备进行大面积手动检测，就得耗费大量的时间和精力。检测合格后若无特殊状况，装备要工作到下一次检测维护时间点。在复杂环境下工作，装备随时都有受损的可能性，无法及时发现结构的损伤程度，会对人员和装备带来很大的危害。
发明内容
[0004] 鉴于上述问题，本申请提供一种在线损伤位置、伤口大小程度的自动探测识别装置，安装在结构材料表面的自动在线识别损伤的光纤阵列。使用本申请提供的方法，可以在装备运行时，对装备表面材料进行实时无损探伤，操作方便，平稳迅速。
[0005] 本申请采用的技术方案如下：
[0006] 一种自动在线识别结构材料损伤的光纤阵列，包括：
[0007] 复合材料光纤网，由光纤阵列组成，用黑色
树脂制成很薄光纤复合材料
预浸料，通过
固化黏贴在检测位置或嵌入在复合材料中，光纤可以传递光线，遇到外力时容易断，光纤呈网格状分布，分成X与Y两个相互垂直(或倾斜)的方向，X方向上所有光纤平行，Y方向上所有光纤与X方向上的所有光纤垂直(或倾斜)；在复合材料光纤网的X方向和Y方向各设有一套光电回路，每套光电回路包括
光源、光
开关A、光开关B和光电
传感器；
[0008] 光源，发出可见光，将
电能转化为光能；
[0009] 光开关A，且位于光纤网的一侧，拥有一个输入端，多个输出端，具有对光线的传输路线进行切换的功能，可以接收光源发出的可见光，通过内部的扭转微镜逐次将可见光传递给不同的光纤；
[0010] 光开关B，且位于光纤网的另一侧，拥有多个输入端，一个输出端，具有对光线的传输路线进行切换的功能，可以通过内部的扭转微镜逐次接收光纤传递的可见光，将可见光传递给
光电传感器；
[0011] 光电传感器，若有可见光照射到光电传感器上，光电传感器就会输出电
信号；否则，光电传感器无
电信号输出；
[0012] 两套光电回路与一个计算机相连，将接收电信号实时转化为脉冲信号，将实时
波形图与无损波形比较，经过处理，计算机输出断裂点的位置坐标，并根据断裂点分布判断伤口大小。
[0013] 本申请提供的一种自动在线识别结构损伤的复合材料光纤阵列，主要利用光纤容易传递光线且传输损失小的特性，进行在线探伤。两路光源向光开关A发射可见光，经由光开关A中的扭转微镜反射，光照射到光纤上。若材料正常，则光纤无损伤，可见光可以通过光纤，照射到两路光开关B，经过光开关B中的扭转微镜反射，可见光照射到光电传感器上，传感器输出电信号至计算机。若材料损伤，则此处光纤受损，两路可见光无法传递到光电传感器，光电传感器在损坏交点无电信号输出。随后，光开关A中的扭转微镜自动偏转适当
角度，可见光照射向下一根光纤，重复上述检测步骤。计算机对接收的电信号进行处理，就会输出断裂点的位置坐标。如果只有其中一路没有信号，随着裂纹的进一步扩展，纵横交错的另一根光纤也会没有信号，经过处理，计算机输出断裂点的坐标，并显示在计算机屏幕上，设备使用人员会根据断裂点的坐标及其分布确定伤口大小。为进一步控制设备运行提供决策，及时避免人民生命和财产受到损失。
[0014] 进一步地，所述自动在线识别材料损伤的光纤阵列用黑色树脂制成很薄光纤复合材料预浸料，通过固化黏贴在检测位置或嵌入在复合材料中，既能固定各组成要素的相对位置，又使可见光传递不产生混乱。
[0015] 进一步地，光纤阵列尽量黏贴在主要承载零件或重要零件的
应力集中位置或最大危险应力点附近，或者容易出现致命破坏的位置，通过在这些位置安装本在线自动识别结构损伤的复合材料光纤阵列，可以
预防人民生命和财产受到较大的损失。
[0016] 进一步地，所述复合材料光纤阵列在线自动检测完一根光纤后，光开关A和光开关B中的扭转微镜同时自动偏转适当角度，光线向下一根光纤照射，检测下一根光纤的完整性。两次偏转时间间隔较短而且同步，都是由计算机控制。
[0017] 进一步地，所述扭转微镜由基底、
电极、微镜面、扭转梁、固定支座构成；微镜面対称安装在扭转梁上，扭转梁的两端通过两个固定支座设置在基底的上方，且在微镜面的底面放置上电极板，在基底的顶面放置下电极板，上电极板与下电极板上下对应，通过控制微镜两侧的上下极板之间的
电场强度，调整扭转微镜的偏转角度，从而实现可见光在不同光纤之间的切换；微镜由静电力形成的驱动力矩，使镜面绕梁转动，改变反射光线的路径。光开关A和光开关B中的扭转微镜同步进行扭转。
[0018] 进一步地，所述微镜面的上表面溅射有金属反射层，微镜面的内部由多晶
硅制成，微镜面的两侧由扭转梁
支撑，微镜面的下表面铺有较轻的金属条。
[0019] 进一步地，所述电极可与微镜面的金属条形成静电场，产生驱动力拒。
[0020] 进一步地，所述光纤呈网格状分布，在铺设时应用极细的光纤
纤维，并非直径较粗的光纤。
[0021] 进一步地，所述光电传感器，分别同时检测X或Y两个方向的可见光，在同一个光纤阵列内部存在有两个光电传感器。
[0022] 进一步地，所述光纤阵列，制成复合材料光纤预浸料，并固化黏贴在检测位置或嵌入在复合材料中，在光纤阵列完全黏贴在检测位置时，一般都是无损伤的，此时计算机接收光电传感器产生的脉冲波形，计算机记录这两个脉冲波，作为基准波形。
[0023] 进一步地，所述光纤阵列在检测时，计算机将新生成的波形与基准波形进行比较分析，若新生成的波形某处高电位缺失，此处对应的光纤断裂，计算机可输出损伤点坐标，或损伤光纤所在位置。
[0024] 所述一种自动在线识别结构损伤的复合材料光纤阵列的使用方法，具体步骤如下：
[0025] (1)打开电源，本申请会自动在线识别装备上的材料损伤。
[0026] (2)计算机显示损伤位置
[0027] (3)若装备无损伤，继续作业；若装备的材料结构损伤明显，计算机可输出损伤点坐标，或损伤光纤所在位置，可立即进行修补。
[0028] 本发明的有益效果如下：
[0029] 本发明提出的在线自动识别结构损伤的复合材料光纤阵列，该光纤阵列尽量黏贴在主要承载零件或重要零件的应力集中位置或最大危险应力点附近，或者容易出现致命破坏的位置，在这些位置安装本自动在线识别结构损伤的复合材料光纤阵列，通过实时对结构材料进行在线探伤，经过处理，计算机输出断裂点的坐标，并能进行在线识别损伤位置、伤口大小程度，将结果显示在计算机屏幕上，设备使用人员会根据损伤程度，为进一步控制设备运行状态提供决策，及时避免人民生命和财产受到损失。本申请操作简单方便，运行稳定可靠。
附图说明
[0030] 构成本申请的一部分的
说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性
实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
[0031] 图1为复合材料光纤阵列在材料表面的黏贴结构；
[0032] 图2为光纤阵列预浸料嵌入固化在复合材料中；
[0033] 图3为复合材料光纤阵列在线识别损伤原理；
[0034] 图4为无损状态计算机生成波形；
[0035] 图5为损伤状态生成波形；
[0036] 图6为复合材料光纤阵列在线识别损伤的工作流程；
[0037] 图7光开关A和光开关B结构；
[0038] 图8光开关微镜平衡位置；
[0040] 图10光开关微镜逆时针偏转。
[0041] 图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用。a.
基础结构材料或/和复合材料，b.光纤阵列，1.光开关A，2.光源，3.光纤网，4.光开关B，5.光电传感器，6.计算机，7.微镜面，8.扭转梁，9.固定支座，10.上电极板，11.下电极板，12.基底。
具体实施方式
[0042] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
[0043] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
[0044] 正如背景技术部分所描述的，为了对装备进行维护，保证装备正常工作，后勤人员需要定期进行无损探伤。常用的无损探伤方法有：X光射线探伤、
超声波探伤、磁粉探伤、渗透探伤、涡流探伤、γ射线探伤等方法。这些无损探伤方法，都是在装备运行很长时间之后才进行，无法即时在复杂环境下发现装备损伤，而且事先并不知道损伤在哪里，需要对整个表面都检测一遍。要实现对装备进行大面积手动检测，就得耗费大量的时间和精力。检测合格后若无特殊状况，装备要工作到下一次检测维护时间点。在复杂环境下工作，装备随时都有受损的可能性，无法及时发现结构的损伤程度，会对人员和装备带来很大的危害。
[0045] 下面结合说明书附图1到图10和具体实施例对本申请作进一步的描述：
[0046] 其中：图1为复合材料光纤阵列在材料表面的黏贴结构，图2为光纤阵列在复合材料中的固化结构，图3为复合材料光纤阵列在线识别损伤原理，图4为无损状态计算机生成波形，图5为损伤状态生成波形，图6为复合材料光纤阵列在线识别损伤的工作流程，图7光开关A和光开关B结构，图8光开关微镜平衡位置，图9光开关微镜顺时针偏转，图10光开关微镜逆时针偏转；这里a为基础结构材料，b为光纤阵列，1为光开关A，2为光源，3为光纤网，4为光开关B，5为光电传感器，6为计算机，7.微镜面，8.扭转梁，9.固定支座，10.上电极板，11.下电极板，12.基底。
[0047] 本申请利用光纤质地较脆、容易传递光的特性，提供了一种自动在线识别材料损伤的光纤阵列，通过树脂制成复合材料光纤预浸料，并固化黏贴在检测位置或嵌入在复合材料中，该光纤阵列尽量黏贴在主要承载零件或重要零件的应力集中位置或最大危险应力点附近，或者容易出现致命破坏的位置，在这些位置安装本自动在线识别结构材料损伤的光纤阵列，光纤阵列主要使用光源、光开关A、复合材料光纤网、光开关B、光电传感器、计算机，若材料损坏，其附近的光纤随之损坏，该处光纤无法传递光线，从而进行在线实时识别损伤位置、伤口大小程度，并将结果显示在计算机屏幕上。
[0048] 本实施列中将极细的光纤排成阵列b分成X与Y两个垂直方向，两根光纤距离约3mm，将光纤铺成网格状形成光纤网3，网格周边的较长光纤按顺序引入装备内部空间。当然不难理解的，在其他实施例中，X方向的光纤还可以与Y方向的光纤呈非90°设置；但是要求大于0°，小于180°；X方向上所有光纤平行，Y方向上所有光纤与X方向上的所有光纤垂直或倾斜；
[0049] 具体的，图1表示将制成的复合材料光纤阵列预浸料固化黏贴在基础结构材料a的检测位置上，图2表示将制成的光纤阵列预浸料嵌入固化在复合材料中，找到光纤网3的首端，X方向安装一个光开关A，Y方向安装另外一个光开关A，调整好光开关内扭转微镜的角度，在两个光开关A附近分别安装一个光源2，找到光纤网3的末端，X方向安装一个光开关B，Y方向安装另外一个光开关B，调整好光开关B内扭转微镜的角度，在X方向和Y方向分别安装光电传感器5，光电传感器5在光开关B输出端附近，将X方向和Y方向的光电传感器5分别用
导线连接到计算机上，具体光纤阵列的连接原理如图3所示。
[0050] 上述的光源2发出可见光，将电能转化为光能；
[0051] 上述的光开关A，拥有一个输入端，多个输出端，具有对光线的传输路线进行切换的功能，可以接收光源发出的可见光，通过内部的扭转微镜逐次将可见光传递给不同的光纤；
[0052] 上述的光开关B，拥有多个输入端，一个输出端，具有对光线的传输路线进行切换的功能，可以通过内部的扭转微镜逐次接收光纤传递的可见光，将可见光传递给光电传感器；
[0053] 上述的光电传感器，若有可见光照射到光电传感器上，光电传感器就会输出电信号；否则，光电传感器无电信号输出；具体如图4和图5所示。
[0054] 上述的计算机，将接收电信号实时转化为脉冲信号，将实时波形图与无损波形比较，经过处理，计算机输出断裂点的位置坐标，并根据断裂点分布判断伤口大小。
[0055] 进一步地，在实际操作时，光纤阵列尽量黏贴在主要承载零件或重要零件的应力集中位置或最大危险应力点附近，或者容易出现致命破坏的位置，通过在这些位置安装本在线自动识别结构损伤的复合材料光纤阵列，可以预防人民生命和财产受到较大的损失。
[0056] 进一步地，所述复合材料光纤阵列在线自动检测完一根光纤后，光开关A和光开关B中的扭转微镜同时自动偏转适当角度，光线向下一根光纤照射，检测下一根光纤的完整性。两次偏转时间间隔较短而且同步，都是由计算机控制，具体工作流程如图6所示。
[0057] 具体的，所述扭转微镜的対称结构和工作原理如图7、图8、图9和图10所示，它由微镜面7、扭转梁8、固定支座9、上电极板10、下电极板11和基底12构成。微镜面7安装在扭转梁8上，扭转梁8的两端通过两个固定支座9设置在基底12的上方，且在微镜7的底面放置上电极板10，在基底12的顶面放置下电极板9，上电极板10与下电极板9上下对应，通过控制微镜两侧的上下极板之间的电场强度，调整扭转微镜的偏转角度，从而实现可见光在不同光纤之间的切换。
[0058] 微镜由静电力形成的驱动力矩，使镜面绕梁转动，改变反射光线的路径。光开关A和光开关B中的扭转微镜同步进行扭转。所述微镜面的上表面溅射有金属反射层，微镜面的内部由
多晶硅制成，微镜面的两侧由扭转梁支撑，微镜面的下表面铺有较轻的金属条。所述电极可与微镜面的金属条形成静电场，产生驱动力拒。
[0059] 进一步地，所述光纤呈网格状分布，在铺设时应用极细的光纤纤维，并非直径较粗的光纤。
[0060] 所述复合材料光纤阵列在检测时，计算机将新生成的波形与基准波形进行比较分析，若新生成的波形某处高电位缺失，此处对应的光纤断裂，计算机可输出损伤点坐标，或损伤光纤所在位置。将光纤阵列涂覆极薄的黑色环
氧树脂，制成的很薄复合材料光纤阵列预浸料，并固化黏贴在基础结构材料a的检测位置上，或嵌入在复合材料中，材料和光纤阵列刚完成铺设时是无
载荷无损伤的，此时计算机6接收X方向/Y方向的光电传感器产生的波形，计算机记录这两个脉冲形波，作为基准波形，具体如图4所示。如果基础结构材料a破坏，引起光纤阵列某些网格点上的光纤不能传输光线，计算机6接收X方向和Y方向的光电传感器产生的波形，具体如图5所示，缺失的脉冲波形对应的X方向和Y方向光纤交点就是损伤的位置坐标。本实施例提出的一种自动在线识别材料损伤的复合材料光纤阵列，使用方式如下：
[0061] 确认本申请处于工作状态之后，光纤阵列会自动检测，计算机自动处理信息，用户只需在计算机6前接受信息。
[0062] 本实施例中提出的一种自动在线识别材料损伤的复合材料光纤阵列，其内部工作过程如下：
[0063] 光源2发出可见光，经由光开关A反射，可见光照射到光纤阵列网3上。
[0064] 若材料正常光纤无损伤，可见光通过光纤3，照射到光开关B上，经过光开关B中的扭转微镜反射，可见光照射到光电传感器5上，传感器5输出电信号至计算机6。
[0065] 若材料损伤，则此处光纤受损，可见光无法传递到光电传感器5，光电传感器5无电信号输出。
[0066] 复合材料光纤阵列自动检测完一根光纤后，光开关A自动偏转适当角度，光线向下一根光纤照射，检测下一根光纤的完整性。光电传感器5的电信号状态变化，全部记录在计算机中。
[0067] 计算机6把接收到的新脉冲波形与基准波形比较，若新生成脉冲波形发生了缺失，经过处理，计算机输出断裂点的坐标。具体过程如图6所示。
[0068] 本实施例提供的一种自动在线识别结构材料损伤的复合材料光纤阵列，主要利用光纤容易传递光线且传输损失小的特性，进行在线探伤。两路光源向光开关A发射可见光，经由光开关A中的扭转微镜反射，光照射到光纤上。若材料正常，则光纤无损伤，可见光可以通过光纤，照射到两路光开关B，经过光开关B中的扭转微镜反射，可见光照射到光电传感器上，传感器输出电信号至计算机。若材料损伤，则此处光纤受损，两路可见光无法传递到光电传感器，光电传感器在损坏交点无电信号输出。随后，光开关A中的扭转微镜自动偏转适当角度，可见光照射向下一根光纤，重复上述检测步骤。计算机对接收的电信号进行处理，就会输出断裂点的位置坐标。如果只有其中一路没有信号，随着裂纹的进一步扩展，纵横交错的另一根光纤也会没有信号，经过处理，计算机输出断裂点的坐标和这路没有信号光纤位置，并显示在计算机屏幕上，设备使用人员会根据断裂点的坐标及其分布确定伤口大小。为进一步控制设备运行提供决策，及时避免人民生命和财产受到损失。
[0069] 以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不是本申请的全部实施例，不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
[0070] 除说明书所述技术特征外，其余特征均为本领域技术人员已知技术，为了突出本申请的创新特点，上述技术特征在此不在赘述。
