技术领域
[0001] 本实用新型涉及应变测试领域，尤其涉及一种大尺度复合材料应变空间高密度监测系统。技术背景
[0002] 复合材料由于其优越的性能被广泛应用于航空航天、海洋、航空、交通、体育/休闲和
土木工程领域中，特别在航天航空领域，为了提高
飞行器的综合性能，满足更高性能的飞行要求，各种航空航天飞行器广泛采用大尺度、轻质的薄壁柔性复合材料。然而虽然复合材料带来的益处颇多，但由于其具有材质复杂、尺寸较大且轻薄等特点，在外界环境作用下容易产生结构振动、形变、疲劳等问题，给飞行器带来不小的安全隐患，因此需要在飞行器地面性能检测和飞行过程期间对复合材料进行实时的结构健康监测，及时对材料结构安全和性能
缺陷进行检测、识别、
定位和评估，从而实时有效的维护和安全操作。
[0003] 一般复合材料上若存在对材料结构构成安全和性能缺陷的损伤时，则损伤点周边的应
力分布会发生相应的变化，因此可以通过检测复合材料上的应变分布变化来判断是否存在损伤。相比于
热电偶、热敏
电阻等，光纤光栅
传感器因具有空间高密度复用、
质量轻、绝缘、易埋设等特点更适用于大尺度复合材料的高
精度应变传感。常规的基于光栅传感器的应变检测技术由于受到
光源波长扫描范围的限制或大量等波长光栅复用后的回光
信号信噪比低等问题的影响，无法在大尺度飞行器复合材料上实现空间高密度的应变高精度监测。
[0004]
现有技术一【李政颖,孙文丰,王洪海.基于光频域反射技术的超弱反射光纤光栅传感技术研究[J].光学学报,2015,35(8).】本文基于OFDR技术，在单根光纤上实现了200个全同超弱反射光纤光栅的复用，光栅间隔为20mm，但是探测有效长度只有4m左右。
[0005] 现有技术二【周松.基于FBG的
铁路安全监测传感网络的复用技术应用[J].信息通信,2019(6).】本文基于常规光栅波长解调技术，并结合波分复用、时分复用及空分复用技术构建光纤光栅传感网络，达到公里量级的传感距离，但是应变的空间
分辨率较差,为厘米量级。
发明内容
[0006] 本实用新型
专利的目的在于克服现有技术的不足，提出一种大尺度复合材料应变空间高密度监测系统，在大尺度复合材料上实现空间高密度的应变监测。
[0007] 本实用新型的技术解决方案如下：
[0008] 提供了一种大尺度复合材料应变空间高密度监测系统，系统包括：光纤传感器、扫描
激光器、测试干涉光路、信号采集模
块、
信号处理系统。
[0009] 所述的光纤传感器是是由一根刻有等波长光栅子阵复合阵列的光纤构成，该光纤长度大于100m，所述的等波长光栅子阵复合阵列是由n个光栅子阵
串联而成，每个光栅子阵之间的间隔低于1mm，且每个光栅子阵的波长不相同，所述的光栅子阵由物理长度小于1cm，空间密度低于1mm，总数大于1000个波长相等的光栅组成，光纤上光栅子阵总数大于10。
[0010] 所述的光纤传感器是由一根刻有多波长光栅子阵复合阵列的光纤构成，该光纤长度大于100m，所述的多波长光栅子阵复合阵列是由n个复合光栅子阵串联而成，每个复合光栅子阵之间的间隔低于1mm，且每个复合光栅子阵的波长相同，所述的复合光栅子阵由物理长度小于1cm，空间密度低于1mm，总数大于1000个波长不同的光栅组成。
[0011] 所述的扫描激光器是一个窄线宽波长线性扫描激光器，且波长范围
覆盖所述的光纤传感器中的所有光栅的波长。
[0012] 所述的测试干涉光路包括第一2*2光纤
耦合器、第二2*2光纤耦合器、第三2*2光纤耦合器、光纤线圈、第一法拉第反射镜、第二法拉第反射镜和第三法拉第反射镜，扫描激光器的输出光经过第一2*2耦合器后分为两路，一路进入第二2*2光纤耦合器后分成两路传输，一路光经光纤线圈7后经第一法拉第反射镜反射，另一路经第二法拉第反射镜反射，两路反射光在第二2*2光纤耦合器输出端产生参考干涉信号；第二路进入第三2*2光纤耦合器后分成两路传输，一路传输光经第三法拉第反射镜反射，另一路进入光纤传感器且传输光由光纤上的各个光栅反射，两路返回光在第三2*2光纤耦合器输出端产生携带应变信息的干涉信号。
[0013] 所述的信号采集模块功能包括解波分、光电转换、
模拟信号采集、信号
模数转换。
[0014] 所述的信号处理系统功能包括扫描激光器控制、采集模块控制、光栅传感信号数字处理、应变信息分析。
[0015] 本实用新型涉及上述一种新型大尺度复合材料应变高精度监测方法的应变测试步骤包括：
[0016] 步骤1：将刻有等波长光栅子阵复合阵列或刻有多波长光栅子阵复合阵列的光纤敷设于待测复合材料需要应变测试的区域内；
[0017] 步骤2：扫描激光器的输出光经过第一2*2耦合器后分为两路，一路进入第二2*2光纤耦合器后分成两路传输，一路光经光纤线圈后经第一法拉第反射镜反射，另一路经第二法拉第反射镜反射，两路反射光在第二2*2光纤耦合器输出端产生参考干涉信号；第二路进入第三2*2光纤耦合器后分成两路传输，一路传输光经第三法拉第反射镜反射，另一路进入光纤传感器且传输光由光纤上的各个光栅反射，两路返回光在第三2*2光纤耦合器输出端产生携带应变信息的干涉信号。
[0018] 步骤3：两路干涉信号经过信号采集模块后形成
数字信号输入信号处理系统进行相应信号处理。
[0019] 本实用新型的有益效果是：本实用新型采用刻有等波长光栅子阵复合阵列或刻有多波长光栅子阵复合阵列的光纤监测复合材料的应变，增大单根光纤上光栅的复用数量和空间分布密度，保证光纤沿途应变空间高密度、高精度监测的同时，提升了光纤应变传感的距离。
附图说明
[0020] 图1为本实用新型的大尺度复合材料应变空间高密度监测系统的总体
框架图。
[0021] 图2为本实用新型
实施例一大尺度复合材料应变空间高密度监测系统的结构示意图。
[0022] 图3为本实用新型实例一等波长光栅子阵复合阵列的光纤传感器结构图。
[0023] 图4为本实用新型实例一复合材料敷设光纤传感器示意图，光纤可以贴于复合材料表面也可嵌入复合材料内部。
[0024] 图5为本实用新型实例一基于等波长光栅子阵复合阵列的光纤传感器波解波分复用效果图。
[0025] 图6为本实用新型实例一基于等波长光栅子阵复合阵列的光纤传感器波长解调流程效果图。其中a为时域中的干涉信号，b为频域中的干涉信号，c为光纤光栅反射
位置分布图，d为光纤光栅反射位置局部分布图，e为光纤布拉格光栅反射
光谱。
[0026] 图7本实用新型实例二增设空分复用技术的系统结构图。
[0027] 图8本实用新型实例三采用多波长光栅子阵复用结构的光纤传感器结构图。
[0028] 图中：1为信号处理系统，2为信号采集模块，3为测试干涉光路，4为第一2*2光纤耦合器，5为第二2*2光纤耦合器,6为第三2*2光纤耦合器，7为光纤线圈，8为第一法拉第反射镜，9为第二法拉第反射镜，10为第三法拉第反射镜，11为光纤传感器，12为扫描激光器。
具体实施方式
[0029] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的详细说明。但以下实施例仅用于解释本实用新型，本实用新型的保护范围并不受限于以下实施例。
[0030] 实例一：
[0031] 本实用新型的大尺度复合材料应变空间高密度监测系统，如图1，包括扫描激光器12、测试干涉光路3、光纤传感器11、信号采集模块2、信号处理系统1。
[0032] 所述扫描激光器为一窄线波长宽大范围扫描激光器，相干长度大于100m，波长扫描范围大于40nm，并且波长范围覆盖所述的光纤传感器中的所有光栅的波长。
[0033] 所述的测试干涉光路包括第一2*2光纤耦合器4、第二2*2光纤耦合器5、第三2*2光纤耦合器6、光纤线圈7、第一法拉第反射镜8、第二法拉第反射镜9和第三法拉第反射镜10，扫描激光器12的输出光经过第一2*2耦合器4后分为两路，一路进入第二2*2光纤耦合器5后分成两路传输，一路光经光纤线圈7后经第一法拉第反射镜8反射，另一路经第二法拉第反射镜9反射，两路反射光在第二2*2光纤耦合器5输出端产生参考干涉信号；第二路进入第三2*2光纤耦合器6后分成两路传输，一路传输光经第三法拉第反射镜10反射，另一路进入光纤传感器且传输光由光纤上的各个光栅反射，两路返回光在第三2*2光纤耦合器输出端产生携带应变信息的干涉信号。
[0034] 所述第一、第二和第三2*2光纤耦合器均为3dB，50/50光纤耦合器。
[0035] 所述光纤线圈7是一个长度大于100m的单模光纤。
[0036] 所述光纤传感器11如图3所示，是一根刻有等波长光栅子阵复合阵列的光纤，该光纤长度大于100m，所述的等波长光栅子阵复合阵列是由n个光栅子阵串联而成，每个光栅子阵之间的间隔低于1mm，且每个光栅子阵的波长不相同，所述的光栅子阵由物理长度小于1cm，空间密度低于1mm，总数大于1000个波长相等的光栅组成，光纤上光栅子阵总数大于
10。光纤上每个光栅子阵记为L1、L2、L3、L4....Ln，n>10，波长分别记为λ1、λ2、λ3、λ4....λn，n>
10；每个光栅阵子上各光栅记为Ln1、Ln2、Ln3、Ln4....Lnm，m>1000，波长分别记为λn1、λn2、λn3、λn4....λnm。
[0037] 所述光纤传感器上的光栅波长均随光栅所受应变成线性变化。
[0038] 所述光纤传感器如图4所示，既可以贴于复合材料表面，也可嵌于复合材料内部，敷设于复合材料上需要测试应变的区域，光纤传感器敷设前需拉直，给予一定的预
应力，使复合材料上的应变更好地耦合入光纤中。
[0039] 所述信号采集模块功能包括光电转换、模拟信号采集、12bit信号模数转换，
采样率大于10MHz。
[0040] 所述信号处理系统功能包括扫描激光器控制、采集模块控制、光栅传感信号数字处理、应变信息分析。
[0041] 所述扫描激光器控制包括，激光器波长范围设置，波长范围覆盖所述光纤传感器中的所有光栅子阵列的波长、激光器扫描速率设置为40nm/s、激光器输出功率设置为8mW。
[0042] 所述采集模块控制包括，采样时钟类型设置为板载时钟，采样速率设置为20MHz/s、采样触发类型设置为上升沿触发、采样数据量设置为1M，采样通道数设置为1。
[0043] 所述光栅传感信号数字处理如图5、图6所示，包括(1)根据所述光纤传感器上个光栅子阵的波长范围，基于波分技术从光频域上将各光栅子阵的传回的干涉信号进行区分，并分别进行后续信号处理。(2)第二2*2光纤耦合器
输出信号作为参考，将第三2*2光纤耦合器输出的各光栅子阵对应的干涉信号从时域信号映射到频域。(3)对频域上的各光栅子阵的干涉信号进行快速
傅立叶变换计算，将频域信号映射至空间域，从而得到光纤传感器上所有光栅所在的确切位置。(4)根据每一个光栅对应的位置，对每个光栅的空间域信号进行反傅里叶变换计算，从而得到光纤传感器上所有光栅的反射光谱信息。
[0044] 所述应变信息分析，包括(1)记录光纤传感器敷设后的所有光栅初始波长记录。(2)应变监测时所有光栅随复合材料应变场变化的波长偏移量。(3)将光栅波长偏移量转换成应变值。(4)根据应变
阈值，比较每个光栅所在复合材料区域的应变值，对变化大于阈值的区域给出警示信息。
[0045] 实例二：
[0046] 如图7所示，可以在实例一的
基础上采用空分技术复用“刻有等波长光栅子阵复合阵列的光纤”。根据空分复用的光纤传感器数量，则干涉测试光路中增加相应的测试干涉仪数量，同时信号采集模块及信号处理系统也配备相应的采样通道及
数据处理量。扫描激光器的输出光可通过第四2*2光纤耦合器进行分光，一路光进入第三2*2光纤耦合器，另一路光进入第五2*2光纤耦合器后，一路传输光经第四法拉第反射镜13反射，另一路进入第二光纤传感器14且传输光由光纤上的各个光栅反射。
[0047] 实例三
[0048] 考虑到光纤传感器上光栅复用形式的多样性，也采用如图8所示的多波长光栅子阵复用结构，所述的多波长光栅子阵复合阵列是由n个复合光栅子阵串联而成，每个复合光栅子阵之间的间隔低于1mm，且每个复合光栅子阵的波长相同，所述的复合光栅子阵由物理长度小于1cm，空间密度低于1mm，总数大于1000个波长不同的光栅组成，光纤上光栅子阵总数大于10。光纤上每个光栅子阵记为L’1、L’2、L’3、’L4....L’n，n>10；每个光栅阵子上各光栅记为L’n1、L’n2、L’n3、L’n4....L’nm，m>1000，波长分别记为λ1、λ2、λ3、λn4....λnm。
[0049] 以上方案均可以进行多种拓展或
变形，只是限于篇幅不再赘述，但均属于该专利。
