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《武汉理工大学》 2013年
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超声激励—光纤光栅传感检测技术的相关理论与应用研究

孟丽君  
【摘要】:超声激励-光纤光栅检测技术(Ultrasonic excitation-fiber Bragg gratings damage detection techniques, UE-FBGs)是近几年发展起来的一种新的检测技术,其基本原理是利用分布布置的光纤光栅(Fiber Bragg Gratings-FBG)代替无损检测中的压电陶瓷来检测超声信号,根据FBG测量的超声、应变等信息分析结构的损伤。该技术将FBG抗电磁干扰、分布式传感等独特优势与超声波的方向性好、穿透能力强等特点相结合,在结构损伤检测领域呈现出良好的发展潜力。国外已有高校和研究机构对此展开研究,而国内还未见相关报道。 本论文旨在利用超声激励机械结构,通过FBG测量携带损伤信息的超声和结构应力应变等信息,建立面向机械结构损伤定位检测的新理论和新技术。重点研究基于超声激励下FBG高速解调技术和表面粘贴型FBG传感体复合结构模型,揭示超声激励下,粘贴型FBG从基体材料到纤芯的应变传递特征,实验研究基于超声激励和FBG分布传感的机械损伤检测与定位的新原理、新方法,解决机械结构裂纹损伤在线检测、识别和定位的基础问题。论文的主要工作如下: 1.总结了超声激励下FBG反射波长的高速解调技术、FBG的应变传递特性与敏感特性三个关键问题的研究进展及该技术在复合材料和金属材料损伤监测方面的应用概况。 2.分析了机械结构中超声波声场的分布特点,确定了FBG应轴向布置在离声源较近的远声场区;研究了铝合金的频散曲线及超声入射角与频厚积的关系曲线,为针对不同材料合理选择超声探头频率和入射角提供了理论基础;仿真分析了在超声源激励下机械结构试件的超声应力场分布,为FBG多点布置与优化提供了依据。 3.研究了FBG反射波长的匹配滤波解调系统和基于可调激光光源的FBG解调系统,分析了各检测系统的工作原理,理论推导了对应输出电压与所测超声应变的关系式,将两测量系统均用于超声清洗槽振动信号的测量,对比分析了两解调系统的灵敏度和解调速度,最终试验验证了基于可调激光光源的FBG解调系统对金属板件中兰姆波信号测量的可行性。 4.提出了超声激励下粘贴型FBG应变传递模型,并利用剪滞理论得出相应的应变传递方程。仿真分析了基于该模型的FBG应变传递特征及超声波频率、胶层厚度、待测材料对FBG从基体材料到纤芯的应变传递效率的影响关系;最后用超声探头对铝合金薄板件进行超声激励,用AB胶粘贴的FBG对板中的兰姆波进行测量,实验验证了超声激励下粘贴型FBG传感特性。 5.利用传输矩阵法讨论了超声激励下FBG光谱特性,讨论分析了超声波长度和超声波能量对FBG反射谱的影响,研究印证了当超声波能量适当且FBG长度小于等于超声波波长的一半时,FBG可用于结构损伤检测中超声信号的测量。 6.搭建了超声激励-FBG检测系统:系统采用超声波探伤仪激励超声探头从而在薄板中产生超声波,利用粘贴型FBG对超声波进行测量,用基于可调激光光源的解调系统实现FBG中心波长的解调,并将该装置用于5052铝合金板中超声波声轴线声强分布特征的研究,验证了该装置用于板中超声波信号测量的可行性;利用该装置分别进行5052铝合金板中两处直径为6mm的孔缺陷的检测,实验证明,当板中出现孔缺陷时,FBG所测波形中出将现新的波包,可通过损伤前后新增波包到来的时刻确定孔的位置,两孔的缺陷定位偏差分别为3.3mm和0.8mm;利用该装置开展了基于分布式FBG测试数据的板缺陷损伤检测的试验研究,初步确定了损伤的位置和大小。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2013
【分类号】:TP274.5

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