CN109613005A - 基于ofdr的损伤检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于OFDR的损伤检测方法，包括以下步骤：将一根传感光纤预拉后，分两路平行布设在待测结构件上，一路全胶固定，另一路间隔点胶固定；通过单模跳线将传感光纤连接到OFDR装置信号输入端口；对待测结构件施加外力，OFDR装置获取并解调传感光纤中瑞利散射谱频移量，得到传感光纤所受应变，通过分析和处理，建立结构件位置‑应变关系，生成结构件应变状况示意图；根据结构件应变状况示意图直观获取损伤位置。本发明间接由光纤的应变获取结构件每一位置的应变，利用损伤部位的应力突变现象准确定位损伤，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及损伤检测领域，尤其涉及一种基于OFDR的损伤检测方法。
背景技术
随着社会经济的发展，各式各样用材新颖、设计复杂的结构件在土木结构、航空航天、制造加工等领域得到了广泛的使用且日渐向着大型化、复杂化的方向发展。由于材料自身、加工、设计等方面不可避免的缺陷，或者环境侵蚀、长期荷载加持等外界因素的综合作用，导致各类结构件存在不同程度的损伤，直接关系其安全性和可靠性。如大型土木工程中，混凝土构件的初始裂纹一般十分微小，不易被察觉。随着使用时间的推移，反复荷载、温度变化等因素影响，裂纹不断地拓展、累积，在无人为修补的情况下，造成了路面凹陷、桥面坍塌等恶劣后果。因此，对结构件损伤的预警、定位与诊断评估显得十分重要。
目前有很多检测技术、设备可以进行损伤识别、评估，大致可以分为有损检测和无损检测。传统的有损检测技术具有一定的破坏性，它是以损伤结构为目的，获取不同损伤形式的极限指标。有损检测除手段复杂、耗时多外，往往不能完全模拟实际使用中造成损伤的环境和损伤形成的过程，从而逐渐被淘汰，无损检测成为了当前检测技术的研究热点。光电成像法、射线检测法、红外检测法、超声波法等是目前较为成熟的无损检测手段，这些手段有效解决了检测对构件带来的永久性损伤，能够较快的获取损伤的出现和位置信息，结合损伤演变模型及合适的理论算法能达到较好的检测效果，但是仍然存在很多共同的局限：(1)检测范围有限，对一些小型、有规则的结构有较好的损伤识别效果，对一些大型、设计复杂的结构某些部位难以达到，无法进行全面的检测；(2)属于定期检测的方法，不能及时发现间隔期内的损伤；(3)检测过程繁琐，损伤识别灵敏度过低，无法应用于对损伤破坏响应速度较为迅速的领域。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中结构件损伤检测灵敏度低、检测范围小等缺陷，提供一种检测精度高，检测范围广的基于OFDR的损伤检测方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于OFDR的损伤检测方法，包括以下步骤：
将一根传感光纤预拉后，至少分两路平行布设在待测结构件上，一路全胶固定，另一路间隔点胶固定；
通过单模跳线将传感光纤连接到OFDR装置信号输入端口；
对待测结构件施加外力，OFDR装置获取并解调传感光纤中瑞利散射谱频移量，得到传感光纤所受应变，通过分析和处理，建立结构件位置-应变关系，生成结构件应变状况示意图；
根据结构件应变状况示意图直观获取损伤位置。
接上述技术方案，所述传感光纤为包括G652.D、聚酰亚胺光纤的各类涂覆层，或者特定结构的单模光纤。
接上述技术方案，在待测结构件上刻槽，传感光纤埋入刻槽内。
4.根据权利要求1所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，传感光纤贴合在待测结构件表面。
接上述技术方案，传感光纤与待测结构件贴合所用胶水包括各类室温速干胶水及各类耐高温、低温胶。
接上述技术方案，点胶间隔为5-15cm。
接上述技术方案，在待测构件表面积较大时，传感光纤预拉后以“S”型走向分别沿横向、纵向均匀布设，形成光纤网络。
接上述技术方案，横向或者纵向布设的相邻光纤，其中一路光纤为点胶固定，另一路为全胶固定。
接上述技术方案，OFDR装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机，其中：
所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为测量信号光，另一路为参考光；测量信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；
所述传感光纤与所述光纤耦合器的端口连接，所述传感光纤中每一处产生的瑞利散射信号沿路返回进入所述光纤耦合器，与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；
所述光电探测器将所述拍频干涉信号转化为电信号；
所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；
所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对采集信号进行解调，分析、生成结构件应变状况示意图。
接上述技术方案，所述计算机进行信号解调的方法包括以下步骤：
将参考信号及测量信号通过非均匀快速傅里叶变化转换到距离域；
利用空间分辨率大小的移动窗口将距离域信号划分为多个信号；
将测量信号与参考信号的多个距离域信号通过非均匀快速反傅里叶变换转换到波长域，得到光纤中每一位置的测量光和参考光瑞利散射光谱；
将测量光与参考光的瑞利散射光谱进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，通过应变频移系数，得到传感光纤中每一位置的所受应变，建立待测结构件位置-应变关系。
本发明产生的有益效果是：
提供一种基于OFDR的损伤检测方法，将传感光纤紧密贴合在待测结构件表面或者表面的刻槽内，通过OFDR技术解调光纤中瑞利散射谱频移量，间接由光纤的应变获取结构件每一位置的应变，利用损伤部位的应力突变现象准确定位损伤。针对不同测量领域的要求，可通过光纤与待测结构件贴合方式选择是对损伤范围的定位还是具体损伤点定位，损伤范围圈定根据点胶间隔确定。全胶固定时，待测构件每一位置的应变通过与其同步变形的光纤得到，因而可实现对损伤的准确定位。本发明有效克服了其他检测技术测量范围受限，定位精度差，灵敏度低等问题，并可实现实时、连续测量。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例传感光纤在待测结构件上的布设示意图；
图2为本发明实施例OFDR测量装置示意图；
图3为本发明实施例不同荷载下，玻纤板的应变状况示意图；
图4为网络式损伤检测光纤布设示意图。
图2中：1为线性扫频激光器、2为光纤分束器、3为光纤环形器、4为光纤耦器(1x2)、5为光电探测器、6为数据采集卡、7为计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例基于OFDR的损伤检测方法，包括以下步骤：
将一根传感光纤预拉后，至少分两路平行布设在待测结构件上，一路全胶固定，另一路间隔点胶固定；
通过单模跳线将传感光纤连接到OFDR装置信号输入端口；
对待测结构件施加外力，OFDR装置获取并解调传感光纤中瑞利散射谱频移量，得到传感光纤所受应变，通过分析和处理，建立结构件位置-应变关系，生成结构件应变状况示意图；
根据结构件应变状况示意图直观获取损伤位置，并可根据损伤位置评估损伤程度。
传感光纤可选择包括G652.D、聚酰亚胺光纤等各类涂覆层、特殊结构的单模光纤。
为了进一步地使传感光纤与待测结构件表面紧密贴合，实现方式包括胶水粘贴，还可以在结构件表面刻槽，然后将传感光下埋入刻槽，如通过胶水固定在刻槽内，使传感光纤所受应变与结构件一致。
如图1所示，在一块完好无损的40mm*80mm环氧树脂玻璃纤维板上布设有两路传感光纤(由一根传感光纤L弯成平行的两路)，分两路平行布设，一路全胶b固定，另一路间隔10cm点胶a固定。事先清洁玻纤板表面干净，用胶水(待测结构件贴合所用胶水包括502、704等各类室温速干胶水，及810、607等各类耐高温、低温胶)将传感光纤粘贴在其表面。为提高测量结果的准确性，粘贴过程中，对光纤进行一定程度的预拉，确保光纤与玻纤板完全贴合。通过普通单模跳线将光纤连接到OFDR装置信号输入端口。
如图2所示，本发明基于OFDR的损伤检测方法中OFDR装置包括线性扫频激光器1、光纤分束器2、光纤环形器3、光纤耦合器4、光电探测器5、数据采集卡6和计算机7。
线性扫频激光器1作为光源发出波长周期性变化的激光，激光进入光纤分束器2被分为两路。一路为信号光，一路为参考光，参考光直接进入耦合器4的a端口。信号光进入环形器3的a端口通过输入端口进入外接光纤并发生向后散射，后向散射光沿路返回到环形器3并通过c端口出射进入耦合器4。两路光在此处发生干涉，产生拍频信号。光电探测器5将光信号转化为电信号，被数据采集卡6采集，并在计算机7中进行运算处理得到拍频信号的频谱信息。
本发明实例中，将玻纤板处于自然状态下OFDR装置采集到的拍频信号作为参考信号。当荷载施加在玻纤板上时，玻纤产生应变，与之紧密贴合的光纤亦产生同步变形导致其瑞利散射谱发生频移，将此时OFDR装置采集的到拍频信号作为测量信号，与参考信号一起进行解调，获取待测结构件各位置应变。具体的信号解调步骤如下：
将参考信号及测量信号通过非均匀快速傅里叶变化转换到距离域；
利用空间分辨率大小的移动窗口将距离域信号划分为多个信号；
将测量信号与参考信号的多个距离域信号通过非均匀快速反傅里叶变换转换到波长域，得到光纤中每一位置的测量光和参考光瑞利散射光谱；
将测量光与参考光的瑞利散射光谱进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，通过应变频移系数，得到光纤中每一位置的所受应变，建立待测结构件位置-应变关系。
玻纤板荷载的施力采取两端固定，中部施压的方式。不同荷载下，利用OFDR装置解调得到的玻纤板的应变状况示意图如图3所示。图中横坐标为长度，纵坐标为应变。1.9m至2.4m间为全胶固定光纤，2.9m至3.4米为点胶固定光纤。两段均在三个位置出现了尖峰或凸起的台阶，分别位于1.9836m、2.1836m、2.3936m处及2.9136-2.9836m、3.1136-3.1836、3.3036-3.3736之间。根据损伤过程中结构件会出现局部应力突变现象，可以判断玻纤板上的这些位置出现了损伤，且损伤程度随着荷载的增大在不断拓展。
全胶固定时，玻纤板每一位置的应变通过与其同步变形的光纤得到，因而可实现对损伤的准确定位，定位精度达到毫米级别；点胶固定时，两点胶之间任意位置的损伤会引起该段光纤出现应力突变，因而仅可实现对损伤范围的圈定，定位精度与点胶间隔有关。
本发明的另一个实施例是针对大面积的待测构件形成光纤网络式损伤检测。如在1m*1m的平整待测物表面布设一根较长的传感光纤。传感光纤按“S”型走向分别沿横向、纵向均匀布设形成光纤网络，如图4所示。网络式光纤布设在一根传感光纤上，通过横向、纵向各位置应变情况，实现了损伤的面式检测，使得一次测量中能有效获取双向损伤位置、损伤延伸情况等。
综上，本发明将传感光纤紧密贴合在待测结构件表面，通过OFDR技术解调光纤中瑞利散射谱频移量，间接由光纤的应变获取结构件每一位置的应变，利用损伤部位的应力突变现象准确定位损伤。因基于先进的OFDR技术，该方法定位精度高，可达毫米级别；检测灵敏度高，测量范围不受限制，耗时少，可实现实时、连续测量，并对损伤的出现具有一定的预警功能，有效克服了现有技术中灵敏度低、检测范围小等技术难题。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
将一根传感光纤预拉后，至少分两路平行布设在待测结构件上，一路全胶固定，另一路间隔点胶固定；
通过单模跳线将传感光纤连接到OFDR装置信号输入端口；
对待测结构件施加外力，OFDR装置获取并解调传感光纤中瑞利散射谱频移量，得到传感光纤所受应变，通过分析和处理，建立结构件位置-应变关系，生成结构件应变状况示意图；
根据结构件应变状况示意图直观获取损伤位置。
2.根据权利要求1所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，所述传感光纤为包括G652.D、聚酰亚胺光纤的各类涂覆层，或者特定结构的单模光纤。
3.根据权利要求1所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，在待测结构件上刻槽，传感光纤埋入刻槽内。
4.根据权利要求1所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，传感光纤贴合在待测结构件表面。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，传感光纤与待测结构件贴合所用胶水包括各类室温速干胶水及各类耐高温、低温胶。
6.根据权利要求1所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，点胶间隔为5-15cm。
7.根据权利要求1所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，在待测构件表面积较大时，传感光纤预拉后以 “S”型走向分别沿横向、纵向均匀布设，形成光纤网络。
8.根据权利要求7所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，横向或者纵向布设的相邻光纤，其中一路光纤为点胶固定，另一路为全胶固定。
9.根据权利要求1所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，OFDR装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机，其中：
所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为测量信号光，另一路为参考光；测量信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；
所述传感光纤与所述光纤耦合器的端口连接，所述传感光纤中每一处产生的瑞利散射信号沿路返回进入所述光纤耦合器，与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；
所述光电探测器将所述拍频干涉信号转化为电信号；
所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；
所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对采集信号进行解调，分析、生成结构件应变状况示意图。
10.根据权利要求9所述的基于OFDR的损伤检测方法，其特征在于，所述计算机进行信号解调的方法包括以下步骤：
将参考信号及测量信号通过非均匀快速傅里叶变化转换到距离域；
利用空间分辨率大小的移动窗口将距离域信号划分为多个信号；
将测量信号与参考信号的多个距离域信号通过非均匀快速反傅里叶变换转换到波长域，得到光纤中每一位置的测量光和参考光瑞利散射光谱；
将测量光与参考光的瑞利散射光谱进行互相关运算，得到各个位置的互相关峰偏离值，通过应变频移系数，得到传感光纤中每一位置的所受应变，建立待测结构件位置-应变关系。
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