復合材料基體裂紋光纖光柵非線性超聲Lamb波檢測試驗研究*

王 容，吳 奇，熊 克，張含琦

（1.南京工業職業技術大學，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節，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，FBG）代替傳統PZT 傳感器[1]。光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕、適應惡劣環境等優點，可以檢測材料中傳播的超聲波[2]。

然而，傳統的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，系統的帶寬可達5MHz。Yu 等[5]利用PSFBG 傳感系統成功檢測了CFRP 中傳播的聲發射信號。Hudson 等[6]設計了一種基于PSFBG 的實時在線監測系統，結果表明該系統可以檢測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。……