CN108645727A - 基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电激励‑光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，包括：A、搭建压电激励‑光纤光栅传感系统的步骤；B、确定基于可调激光光源的光纤光栅解调方式以及选取光栅长度的步骤；C、在结构裂纹损伤的监测环境中布置压电激励传感器与光纤接收传感器以获得裂纹长度的步骤；D、进行试件疲劳试验的步骤；E、进行信号处理的步骤，即对光纤光栅传感器采集得到信号进行滤波处理和选取时间窗，提取得到的特征值来进行裂纹长度检测。采用本发明的方法，以克服传统无损检测中压电陶瓷易受电磁干扰、温漂大、多点测量困难的缺点，将其应用于损伤检测领域能够实现对裂纹损伤进行定量检测。

Description

基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法
技术领域
本发明涉及裂纹损伤检测技术，尤其涉及一种基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法。
背景技术
光纤光栅传感器即光纤布拉格光栅传感器(FBG)，是近年来发展迅速的新一代无源光纤滤波器件，与传统的传感器相比，FBG与材料有很好的兼容性，且其突出优点是可以实现分布式测量，即在一根或者多根光纤上刻入多个FBG，利用信号解调技术和复用技术就可以实现多个点或多个量的分布式测量。不仅如此，光纤光栅还具有体积小、重量轻、传感器的结构简单、外形可变；测量信息为波长编码，有较强的抗干扰能力；灵敏度高、分辨率高等优点，应用在结构损伤检测方面具有极大的潜力。
压电激励-光纤光栅传感的损伤检测技术，是在传统的光纤光栅传感技术的基础上发展起来的一项新的检测技术，其基本原理是利用光纤光栅代替超声无损检测中的接收探头，用来检测物理结构中超声、应变等信号，进而分析判断机械结构的损伤信息。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，利用光纤光栅的抗电磁干扰，轴向敏感性好，可同时进行温度、应变和超声等多参数测量，易于埋覆等独特优势和超声的方向性好、穿透能力强等特点相结合，以克服传统无损检测中压电陶瓷易受电磁干扰、温漂大、多点测量困难的缺点，将其应用于损伤检测领域实现对裂纹损伤进行定量检测。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，包括如下步骤：
A、搭建压电激励-光纤光栅传感系统的步骤；
B、确定基于可调激光光源的光纤光栅解调方式以及选取光栅长度的步骤；
C、在结构裂纹损伤的监测环境中布置压电激励传感器与光纤接收传感器以获得裂纹长度的步骤；
D、进行试件疲劳试验的步骤；
E、进行信号处理的步骤，即对光纤光栅传感器采集得到信号进行滤波处理和选取时间窗，提取得到的特征值来进行裂纹长度检测。
其中：步骤A所述搭建压电激励-光纤光栅传感系统，具体为：将待测件、压电激励装置和光纤光栅传感解调装置搭建起来；其中，所述的待测件为完整的或有缺陷的结构件，同时也是Lamb波传导的媒介；所述的超声激励装置，包括压电传感器、信号发生装置和信号放大装置；所述信号发生装置产生一定频率的高压脉冲电信号以加载到压电传感器上，压电传感器在压电效应作用下获取待测件内超声超声波；所述的光纤光栅传感解调装置，包括传感用光纤光栅传感器及其解调装置；所述光纤光栅传感器与超声波声轴线同轴布置。
步骤B所述确定基于可调激光光源的光纤光栅解调方式，具体为：采用基于可调谐光源的解调方式对调制信号进行解调制；所述选取光栅长度，具体为：选取的光栅长度不大于Lamb波波长。
步骤C所述布置压电激励传感器与光纤接收传感器以获得裂纹长度，具体为：样件在疲劳试验/监测过程中在孔与孔之间产生裂纹，将压电传感器和光纤光栅传感器分别设置于损伤敏感区域的两侧；利用压电传感器激发Lamb波信号，该Lamb波信号沿所述结构传播，通过损伤敏感区域与裂纹损伤耦合，光纤光栅传感器感知携带损伤信息的Lamb波信号，通过对Lamb波信号进行分析，从而获得裂纹长度。
步骤D所述进行试件疲劳试验，具体为：利用疲劳试验机对结构施加频率为10Hz，最大应力为150MPa，应力比为0.1的正弦载荷。
步骤D进一步包括：采用光学显微镜观察裂纹长度，裂纹每增加3mm，疲劳试验机停机，压电传感器激发Lamb波信号，光纤传感器采集完后，继续进行疲劳试验直至试件断裂。
步骤E所述对光纤光栅传感器采集得到信号进行滤波处理和选取时间窗，提取得到的特征值来进行裂纹长度检测，具体包括：在Lamb波传播过程中从所述Lamb波信号中提取能量幅值、相位变化以及相关系数的特征值，以实现对裂纹的检测/监测；随着裂纹长度的增加，归一化幅值逐渐降低、相位延迟逐渐增加、相关系数逐渐减小，各个系数均与裂纹长度呈现强烈的线性相关性时，再利用上述的三个特征值来实现裂纹长度定量检测。
本发明的基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，具有如下有益效果：
1)本发明的裂纹损伤定量检测方法，应用该检测技术将光纤光栅的抗电磁干扰、轴向敏感性好、可同时进行温度、应变和超声等多参数测量，以及易于埋覆等独特优势和超声的方向性好、穿透能力强等的特点相结合，克服了传统无损检测中压电陶瓷易受电磁干扰、温漂大、多点测量困难的缺点，在损伤检测领域展现出很好的发展潜力。
2)本发明的方法通过采用压电激励-光纤光栅传感技术，以及搭建相应的压电激励-光纤光栅传感系统的实验装置，将其用于板结构裂纹的实现了裂纹损伤的定量检测识别，同时也验证了以光纤光栅代替传统的压电探头进行损伤监测的技术可行性。
附图说明
图1为本发明实施例基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法的流程示意图。
如图1所示，该基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，包括如下步骤：
步骤11：搭建压电激励-光纤光栅传感系统的步骤。所述压电激励-光纤光栅传感系统主要包括三个部分：待测件、压电激励装置和光纤光栅传感解调装置。
这里，所述搭建压电激励-光纤光栅传感系统，是将待测件、压电激励装置和光纤光栅传感解调装置搭建起来。其中：所述的待测件为完整的或有缺陷的结构件，同时也是兰姆波(Lamb波)传导的媒介。所述的超声激励装置，包括压电传感器、信号发生装置和信号放大装置；所述信号发生装置产生一定频率的高压脉冲电信号以加载到压电传感器上，压电传感器在压电效应作用下获取待测件内超声超声波。所述的光纤光栅传感解调装置，包括传感用光纤光栅传感器及其解调装置；所述光纤光栅传感器与超声波声轴线同轴布置。
步骤12：确定基于可调激光光源的光纤光栅解调方式以及选取光栅长度的步骤。
这里，所述确定基于可调激光光源的光纤光栅解调方式，具体为采用基于可调谐光源的解调方式对调制信号进行解调制。
在本实施例中，所述可调激光光源，用于为该系统提供激光能量，来自可调激光光源的激光经3dB光分路器到达光纤光栅，光纤光栅的反射光通过3dB分路器送至光电探测器，再经光电转换后，由数字示波器显示记录其信号。
所述的选取光栅长度，是指选取的光栅长度不大于Lamb波波长。如果光栅长度大于Lamb波波长，在光栅处的平均应变为0，不会引起中心波长偏移，无法采集Lamb波信号。因此，在工程应用中光栅长度不能大于Lamb波波长。
步骤13：在结构裂纹损伤的监测环境中布置压电激励传感器与光纤接收传感器以获得裂纹长度的步骤。
这里，所述布置压电激励传感器与光纤接收传感器，是指样件在疲劳试验/监测过程中容易在孔与孔之间产生裂纹，将压电传感器和光纤光栅传感器分别设置于损伤敏感区域的两侧。然后，Lamb波信号由压电传感器激发，沿结构传播，通过损伤敏感区域与裂纹损伤耦合，光纤光栅传感器感知携带损伤信息的Lamb波信号，通过对Lamb波信号进行分析，就可获得裂纹长度。
步骤14：进行试件疲劳试验的步骤。
具体为：利用疲劳试验机对结构施加频率为10Hz，最大应力为150MPa，应力比为0.1的正弦载荷。在本实施例中，采用光学显微镜观察裂纹长度，裂纹每增加3mm，疲劳试验机停机，压电传感器激发Lamb波信号，光纤传感器采集完后，继续进行疲劳试验直至试件断裂。
步骤15：进行信号处理获取特征值以检测/监测裂纹的步骤。
具体为：对光纤光栅传感器采集得到信号进行滤波处理和选取时间窗，提取得到的特征值来进行裂纹长度检测/监测。
这里，Lamb波在传播过程中遭遇裂纹损伤，需要绕过裂纹，增加了Lamb波的传播距离，在时域信号中表现为相位延迟。由于Lamb波的频散特性、多模特性，在与裂纹损伤耦合后，Lamb波的形状将会发生改变。因此可以从所述Lamb波信号中提取能量幅值、相位变化以及相关系数等特征值，用来实现对裂纹的监测。随着裂纹长度的增加，归一化幅值逐渐降低、相位延迟逐渐增加、相关系数逐渐减小，各个系数都与裂纹长度呈现强烈的线性相关性，因此可以用上述的三个特征值来实现裂纹长度定量检测的目的。
本发明的方法通过上述步骤11～步骤15，分析了采用压电激励-光纤光栅传感技术，搭建相应的压电激励-光纤光栅传感系统的实验装置，并在实施例中将其用于板结构裂纹的定量检测识别，同时也验证了以光纤光栅代替传统的压电探头进行损伤监测的技术可行性。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
A、搭建压电激励-光纤光栅传感系统的步骤；
B、确定基于可调激光光源的光纤光栅解调方式以及选取光栅长度的步骤；
C、在结构裂纹损伤的监测环境中布置压电激励传感器与光纤接收传感器以获得裂纹长度的步骤；
D、进行试件疲劳试验的步骤；
E、进行信号处理的步骤，即对光纤光栅传感器采集得到信号进行滤波处理和选取时间窗，提取得到的特征值来进行裂纹长度检测。
2.根据权利要求1所述基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤A所述搭建压电激励-光纤光栅传感系统，具体为：将待测件、压电激励装置和光纤光栅传感解调装置搭建起来；其中，所述的待测件为完整的或有缺陷的结构件，同时也是Lamb波传导的媒介；所述的超声激励装置，包括压电传感器、信号发生装置和信号放大装置；所述信号发生装置产生一定频率的高压脉冲电信号以加载到压电传感器上，压电传感器在压电效应作用下获取待测件内超声超声波；所述的光纤光栅传感解调装置，包括传感用光纤光栅传感器及其解调装置；所述光纤光栅传感器与超声波声轴线同轴布置。
3.根据权利要求1所述基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤B所述确定基于可调激光光源的光纤光栅解调方式，具体为：采用基于可调谐光源的解调方式对调制信号进行解调制；所述选取光栅长度，具体为：选取的光栅长度不大于Lamb波波长。
4.根据权利要求1所述基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤C所述布置压电激励传感器与光纤接收传感器以获得裂纹长度，具体为：样件在疲劳试验/监测过程中在孔与孔之间产生裂纹，将压电传感器和光纤光栅传感器分别设置于损伤敏感区域的两侧；利用压电传感器激发Lamb波信号，该Lamb波信号沿所述结构传播，通过损伤敏感区域与裂纹损伤耦合，光纤光栅传感器感知携带损伤信息的Lamb波信号，通过对Lamb波信号进行分析，从而获得裂纹长度。
5.根据权利要求1所述基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤D所述进行试件疲劳试验，具体为：利用疲劳试验机对结构施加频率为10Hz，最大应力为150MPa，应力比为0.1的正弦载荷。
6.根据权利要求5所述基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤D进一步包括：采用光学显微镜观察裂纹长度，裂纹每增加3mm，疲劳试验机停机，压电传感器激发Lamb波信号，光纤传感器采集完后，继续进行疲劳试验直至试件断裂。
7.根据权利要求1所述基于压电激励-光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法，其特征在于，步骤E所述对光纤光栅传感器采集得到信号进行滤波处理和选取时间窗，提取得到的特征值来进行裂纹长度检测，具体包括：在Lamb波传播过程中从所述Lamb波信号中提取能量幅值、相位变化以及相关系数的特征值，以实现对裂纹的检测/监测；随着裂纹长度的增加，归一化幅值逐渐降低、相位延迟逐渐增加、相关系数逐渐减小，各个系数均与裂纹长度呈现强烈的线性相关性时，再利用上述的三个特征值来实现裂纹长度定量检测。
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