CN105466861A - 集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统，包括传感单元、信号采集单元和分析预警单元；传感单元由光纤传感器和声发射传感器组成，光纤传感器和声发射传感器布设在结构表面，并与信号采集单元连接；信号采集单元将采集到的光信号和电信号传到分析预警单元，利用了光纤传感的灵敏性和抗干扰性的特点，准确的检测建筑检测部件因施工，温度，地震和其他因素引发的应变，通过分析控制结构裂缝出现之前的结构安全状态。同时，利用声发射传感器对结构内部出现断裂后进行检测，以判断建筑的安全性和指导建筑的修复。本发明克服了传统的健康检测的单指标性和时间性限制的缺陷，可以提供全寿命的健康检测信息。

Description

集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种新型的结构健康检测技术，适用于钢结构和混凝土结构。其应用技术领域广泛，包括大跨结构的机场、桥梁、车站、厂房、会议及体育场馆等结构；同时该技术也可以用于实验室内的小型构件的试验研究等。
背景技术
光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，在经过光纤送入光探测器，经解调后，获得被测参数，其在测试结构的应变方面有着极高的灵敏度，因此也被大量的应用于结构的健康检测的前期的应变监测中。
声发射(AcousticEmission简称AE)又称应力波发射，是材料或零部件受力作用产生变形、断裂，或内部应力超过屈服极限而进入不可逆的塑性变形阶段，以瞬态弹性波形式释放应变能的现象。这种弹性波以声波形式存在，频率范围很宽包括数赫兹到数兆赫兹，该技术能够对结构缺陷、裂纹进行动态监测，对损伤进行定位及判定损伤的发展趋势。
发明内容
针对现有技术，本发明基于先进的光纤光栅传感和声发射传感技术提出了一种集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统，该系统具有光纤传感对结构应变的高灵敏性、抗干扰性和声敏传感器对结构裂缝的有效的定位，本发明通过对光纤光信号和声发射电信号的有效结合，充分利用了二者对应变和定位的检测优势，克服了传统的健康检测的单指标性和时间性限制的缺陷，可以提供全程的和全面的健康检测信息。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统，包括传感单元、信号采集单元和分析预警单元；所述传感单元由光纤传感器和声发射传感器组成，所述光纤传感器和声发射传感器布设在结构表面，并与所述信号采集单元连接；所述信号采集单元采用双通道采集系统，用于同时采集光纤传感器采集到的光信号和声发射传感器采集到的电信号，并将采集到的光信号和电信号传到所述分析预警单元，所述分析预警单元采用无线收发芯片CC1101。
采用上述集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统的检测方法，步骤是：
检测开始后，光纤传感器率先进入工作状态，此时，声发射传感器为待工作状态；光纤传感器将检测到的光信号通过信号采集单元传送给分析预警单元，所述分析预警单元首先对接收到的光信号进行滤波处理，然后经过分析获得检测到的结构的应变ε，将该应变ε与预设的预警应变阀值ε0进行比较，如果检测到的应变ε小于预警应变阀值ε0，则光纤传感器继续工作，直到当检测到的结构的应变ε大于或等于预警应变阀值ε0时，触发声发射传感器进入工作状态，同时，光纤传感器退出工作状态；声发射传感器将检测到的电信号通过信号采集单元传送给分析预警单元，所述分析预警单元首先对接收到的电信号进行滤波处理，然后经过分析获得检测到的结构的事件发生率r，将该事件发生率r与预设的预警事件发生率阀值r0进行比较，如果检测到的结构的事件发生率r小于预警事件发生率阀值r0，则声发射传感器继续工作，直到当检测到的事件发生率r大于或等于预警事件发生率阀值r0时，系统报警并停止检测工作。
系统报警的同时将控制信号反馈给光纤传感器和声发射传感器，用于控制所述光纤传感器和声发射传感器后续的状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明将光纤传感和声发射传感集为一体，形成一种有效的结构的健康检测系统，一方面利用了光纤传感的灵敏性和抗干扰性的特点，准确的检测建筑检测部件因施工，温度，地震和其他因素引发的应变，从而对其进行应力的分析，控制结构裂缝出现之前的结构安全状态。另一方面，利用声敏传感器对结构内部出现断裂后进行检测，可以有效的定位裂缝，预测开裂的发展程度和趋势，对检测数据进行合理有效的分析，从而提供准确的结构使用状态信息，以判断建筑的安全性和指导建筑的修复。本发明克服了传统的健康检测的单指标性和时间性限制的缺陷，可以提供全程的和全面的健康检测信息。
附图说明
图1是本发明结构健康检测系统框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
如图1所示，本发明一种集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统，包括传感单元、信号采集单元和分析预警单元；所述传感单元由布拉格光纤传感器和声发射压电传感器组成；所述信号采集单元采用双通道采集系统，用于同时采集光纤传感器采集到的光信号和声发射传感器采集到的电信号，并将采集到的光信号和电信号传到分析预警单元；所述分析预警单元包括主机和无线收发芯片CC1101，主机可以是台式机或者笔记本。
本发明中各单元的工作原理如下：
传感单元由光纤传感器和声发射传感器联合组成，二者由分析预警单元控制协同工作。检测工作开始时光纤传感器首先开启，主要针对检测结构的前期进行变形检测，当检测到的变形超过所设的阀值时，光纤传感器退出工作并立刻激发启动声发射传感器进入工作，从而进行后期开裂破坏等阶段的检测，直到检测结束；传感单元通过数据线连接到采集单元。
信号采集单元为双通道采集系统可同时采集光纤传感的光信号和声发射采集到的电信号，并将采集到的信号传到分析预警单元。
分析预警单元是本发明的核心部分，在整个检测系统中起着大脑的作用。其工作过程是：当检测开始后，信号采集单元将采集到的信号传输到该分析预警单元，该分析预警单元收到信号后首先对其进行滤波分析，从而减少噪音信号的影响；对经过处理的信号进行分析，将分析结果和预设的阀值进行比较，如果信号正常，则信号采集单元继续工作，如果超过阀值，分析预警单元报警，并停止检测工作。
采用上述集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统的检测方法，步骤是：
检测开始后，光纤传感器率先进入工作状态，此时，声发射传感器为待工作状态，光纤传感器检测的光信号反应为结构的应变ε，即光纤传感器将检测到的光信号通过信号采集单元传送给分析预警单元，所述分析预警单元首先对接收到的光信号进行滤波处理，从而减少噪音信号的影响；对经过处理的信号进行分析，经过分析获得检测到的结构的应变ε；将该应变ε与预设的预警应变阀值ε0进行比较，如果检测到的应变ε小于预警应变阀值ε0(即信号正常)，则光纤传感器继续工作，直到当检测到的结构的应变ε大于或等于预警应变阀值ε0时，触发声发射传感器进入工作状态，同时，光纤传感器退出工作状态；
声发射传感器检测电信号反应为结构的事件发生率r，即，声发射传感器将检测到的电信号通过信号采集单元传送给分析预警单元，所述分析预警单元首先对接收到的电信号进行滤波处理，从而减少噪音信号的影响；然后对经过处理的信号进行分析获得检测到的结构的事件发生率r；将该事件发生率r与预设的预警事件发生率阀值r0进行比较，如果检测到的结构的事件发生率r小于预警事件发生率阀值r0，则声发射传感器继续工作，直到当检测到的事件发生率r大于或等于预警事件发生率阀值r0时，说明结构已经严重损伤，此时发射预警信号给用户，并将控制信号反馈给传感单元，以便控制其后续的行为，至此，完成了该结构的健康检测工作。
需要说明的是：本发明检测方法中涉及到的将光纤传感器检测的光信号反应为结构的应变ε、将声发射传感器检测电信号反应为结构的事件发生率r、及不同结构的预警应变阀值ε0和预警事件发生率阀值r0的设定均属于本技术领域公知常识，因此，在本发明中不再赘述。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统，包括传感单元、信号采集单元和分析预警单元；其特征在于：
所述传感单元由光纤传感器和声发射传感器组成，所述光纤传感器和声发射传感器布设在结构表面，并与所述信号采集单元连接；所述信号采集单元采用双通道采集系统，用于同时采集光纤传感器采集到的光信号和声发射传感器采集到的电信号，并将采集到的光信号和电信号传到所述分析预警单元，所述分析预警单元包括主机和无线收发芯片CC1101。
2.根据权利要求1所述一种集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统，其特征在于，所述光纤传感器为布拉格光纤传感器，所述声发射传感器为声发射压电传感器。
3.一种集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测方法，其特征在于：采用如权利要求1或2所述集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测系统，
检测开始后，光纤传感器率先进入工作状态，此时，声发射传感器为待工作状态；
光纤传感器将检测到的光信号通过信号采集单元传送给分析预警单元，所述分析预警单元首先对接收到的光信号进行滤波处理，然后经过分析获得检测到的结构的应变ε，将该应变ε与预设的预警应变阀值ε0进行比较，如果检测到的应变ε小于预警应变阀值ε0，则光纤传感器继续工作，直到当检测到的结构的应变ε大于或等于预警应变阀值ε0时，触发声发射传感器进入工作状态，同时，光纤传感器退出工作状态；
声发射传感器将检测到的电信号通过信号采集单元传送给分析预警单元，所述分析预警单元首先对接收到的电信号进行滤波处理，然后经过分析获得检测到的结构的事件发生率r，将该事件发生率r与预设的预警事件发生率阀值r0进行比较，如果检测到的结构的事件发生率r小于预警事件发生率阀值r0，则声发射传感器继续工作，直到当检测到的事件发生率r大于或等于预警事件发生率阀值r0时，系统报警并停止检测工作。
4.根据权利要求3所述集光纤和声发射传感为一体的结构健康检测方法，其特征在于：系统报警的同时将控制信号反馈给光纤传感器和声发射传感器，用于控制所述光纤传感器和声发射传感器后续的状态。
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