光纤布拉格光栅（FBG）如何监测复合材料？

一.概述

复合材料因其轻质、高强、耐腐蚀等特性，广泛应用于航空航天、风电叶片、汽车制造等领域。然而，其内部结构复杂，易在制造或服役过程中出现分层、纤维断裂、基体开裂等损伤。传统检测方法（如超声、X射线）难以实时监测动态变化，而光纤布拉格光栅（FBG）传感器凭借体积小、抗电磁干扰、可嵌入材料内部等优势，成为复合材料健康监测的理想工具。它可实时感知应变、温度、损伤演化等关键参数，助力实现材料性能的全程追踪与预警。

二.原理

FBG传感器的核心是刻有周期性折射率光栅的光纤。当复合材料受到外力、温度变化或内部损伤时，嵌入其中的FBG会随基体发生形变，导致光栅周期或折射率改变，其反射的布拉格波长随之偏移。通过解调波长偏移量，即可精确量化复合材料的应变、温度等参数变化。由于光纤直径仅百微米级，嵌入后几乎不影响材料力学性能，且支持多点分布式测量。

监测参数与传感器设计

FBG在复合材料监测中的应用主要通过以下参数实现：

• 应变分布监测：

复合材料各向异性显著，局部应变异常可能预示损伤。将FBG以特定角度嵌入铺层间或贴合表面，可实时监测多方向应变分布。例如，风电叶片受风载时，FBG阵列可捕捉弯曲应变梯度，识别高应力危险区域。

来源《FBG传感器在复合材料层合板应变监测中的应用》

• 温度场监测：

复合材料固化过程或服役环境温度变化可能引发热应力。FBG直接测量材料内部温度分布，结合温补算法可区分温度与机械应变效应。例如，树脂基复合材料固化时，FBG可追踪放热反应温度峰值，优化工艺参数。

来源《基于光纤Bragg光栅传感器的碳纤维复合材料内部热应变场监测》

• 损伤与缺陷检测：

分层、纤维断裂等损伤会改变材料局部刚度，引发应变突变或振动特性异常。通过分析FBG波长跳变或动态响应频谱，可定位损伤区域。例如，碳纤维复合材料受冲击后，FBG可捕捉分层界面处的异常应变信号。

• 固化过程监测：

在复合材料制造中，FBG可嵌入预浸料层间，实时监测树脂收缩、固化度及残余应力。固化初期树脂流动性变化会导致FBG波长缓慢漂移，而完全固化后信号趋于稳定，为工艺优化提供依据。

来源《基于内埋光纤Bragg光栅传感器的复合材料固化过程监测》

三.总结与展望

FBG技术为复合材料提供了从制造到服役的全生命周期监测方案，实现了“结构-传感”一体化设计。未来，随着微纳加工技术的进步，FBG传感器可进一步微型化，甚至与纤维增强体融合，实现更精准的分布式感知。