光纤-超声检测技术原理是利用光纤传感器接收材料中传播的超声波,通过分析超声波特性确定结构健康状态。目前这种技术广泛应用于建筑、军事、工业制造等领域的结构损伤评估。然而,针对服役于严苛环境的复杂航空航天结构,需进一步开发适用的高精度损伤检测技术。在航空航天结构中,平板是其中非常重要的基础结构。平板结构在长期服役过程中会产生裂纹等微小损伤,微小裂纹在承受外界载荷时会发生扩展形成宏观损伤,降低结构的强度,甚至引发安全事故。因此微小裂纹损伤的检测与评估,对于保证平板结构的可靠性、安全性具有重要的工程意义和应用价值。目前,线性与非线性超声Lamb波被认为是平板结构微小裂纹检测的主要方法。为了精确地检测Lamb波,传感器是关键的系统器件。光纤光栅传感器具有耐腐蚀、不受电磁干扰、易于波分复用等特点,对Lamb波比较敏感,可适用于航空航天结构的Lamb波损伤检测。然而,目前的光纤-超声系统灵敏度较低、带宽较窄,难以准确地检测超声Lamb波,因此需要通过改进光纤-超声系统以满足线性和非线性超声Lamb波探测的需要。本研究设计了一种高灵敏度大带宽的光纤-超声传感系统,用于检测金属和复合材料平板中传播的线性和非线性Lamb波。通过理论、仿真和实验研究了光纤-超声的系统构成和系统特性,以及线性和非线性Lamb波特性,从而实现典型平板结构早期微小裂纹的表征和评价。主要内容总结如下:（1）搭建了新型光纤-超声检测系统,进行光纤光栅超声传感性能分析及应用拓展。结合波长扫描和平衡光电探测的方法,设计了一套基于比例-积分-微分反馈控制的高灵敏度、大带宽相移光纤光栅平衡检测系统,实现了频率高达5 MHz超声信号的探测,系统最小可检测灵敏度达到9 nε/Hz1/2。同时通过实验还发现光纤-超声系统具有对面内应变敏感、高灵敏性、实现光栅应变花超声传感角度为0-180°的灵敏性探测等特性。（2）研究了光纤光栅超声传感原理,线性和非线性Lamb波的检测原理,位错模型和微小裂纹-超声波相互作用模型的原理。介绍了光纤光栅检测应变、超声的原理,设计了基于激光器的边缘滤波技术用于光纤光栅高灵敏度超声解调。基于弹性波理论,利用微扰法推导了单频超声波产生的非线性效应以及非线性参数方程。建立了位错模型和微小裂纹-超声波相互作用模型,分析塑性变形、裂纹损伤与超声非线性特性的关系。研究为平板结构非线性光纤-超声实验的开展提供理论指导。（3）利用有限元方法模拟金属微小裂纹、复合材料基体裂纹与超声波的相互作用。利用LS-DYNA有限元仿真软件分别建立了金属和复合材料平板的三维模型。在金属模型中考虑了裂纹周围的塑性区域,并通过节点复制法在金属平板中设置了不同长度的裂纹,模拟了疲劳裂纹与Lamb波的相互作用。结果表明裂纹长度的扩展增加非线性参数,超声周期与频率、传感距离与角度影响非线性特性。通过仿真软件模拟了复合材料中0-10个基体裂纹与Lamb波的相互作用,结果表明基体裂纹个数的增加会减小超声幅值、增加非线性参数。（4）对金属微小裂纹、复合材料基体微小裂纹以及冲击产生的微小裂纹损伤进行线性和非线性超声实验研究。利用压电传感器和相移光纤光栅检测不同长度的金属微小裂纹、不同个数的复合材料基体裂纹引起的超声波特性的变化,发现实验结果与仿真相吻合。同时,利用两种传感器对复合材料的冲击损伤也进行了线性与非线性超声实验。结果表明冲击次数的增加导致基体裂纹、分层等微小损伤数量的增加,减小超声幅值、增加非线性参数。本研究研发了一种高灵敏度大带宽的光纤-超声检测系统,建立了可以准确描述裂纹与超声导波相互作用的有限元模型,成功利用光纤-超声方法检测金属疲劳裂纹、复合材料基体裂纹和冲击微小裂纹损伤的扩展。研发的光纤-超声技术可以作为航空航天平板结构微小裂纹损伤评估的有力手段,为航空航天结构健康状态的在线监测提供了可能。