一種基于光纖布拉格光柵傳感器的局部裂紋實時監(jiān)測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖布拉格光柵傳感器的局部裂紋實時監(jiān)測方法，屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域。裂紋尖端的應(yīng)變分布具有明顯的不均勻特性，當光纖布拉格光柵傳感器在其柵點長度方向上受到非均勻應(yīng)變時，反射光譜的形狀與位置會發(fā)生變化。且應(yīng)變梯度不同，其光譜變化程度不同。將結(jié)構(gòu)待監(jiān)測部位簡化，并進行有限元分析得到不同裂紋長度下的應(yīng)變分布，據(jù)此確定傳感器的布局，提取反射光譜變化的特征參量，建立其與裂紋長度的定量關(guān)系，從而實現(xiàn)在有限長度范圍內(nèi)裂紋的實時監(jiān)測。沿裂紋擴展方向布置若干傳感器，使相鄰傳感器之間的距離小于等于后一傳感器的有效檢測范圍，即可實現(xiàn)對任意規(guī)定長度的裂紋的實時監(jiān)測。
【專利說明】
-種基于光纖布拉格光柵傳感器的局部裂紋實時監(jiān)測方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于光纖布拉格光柵(FBG)傳 感器的局部裂紋實時監(jiān)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 裂紋是結(jié)構(gòu)中典型的損傷類型之一。重要結(jié)構(gòu)在預(yù)計或額外使用期內(nèi)都會不可避 免地產(chǎn)生裂紋，如果不能及時準確地監(jiān)測出運些裂紋的萌生及其擴展情況，可能會導(dǎo)致重 大事故的發(fā)生，所W裂紋監(jiān)測對于提高結(jié)構(gòu)安全是至關(guān)重要的。其中，孔結(jié)構(gòu)和缺口等易產(chǎn) 生應(yīng)力集中的地方，成為產(chǎn)生裂紋最為常見的部位，故對運種局部裂紋的實時監(jiān)測十分重 要。近年來，為了實現(xiàn)對局部裂紋損傷的識別和監(jiān)測，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)得到飛速的發(fā)展。 結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測技術(shù)是一口設(shè)及材料、測控、力學、機械、信息通信等多個科學研究領(lǐng)域的前 沿技術(shù)，它同傳統(tǒng)的無損檢測技術(shù)相比具有能夠?qū)崟r、在線監(jiān)測的優(yōu)點。
[0003] 目前，在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域用于局部裂紋實時監(jiān)測的傳感器主要有壓電傳感器、 智能圖層傳感器等。但其均存在下述兩個問題:一是設(shè)備復(fù)雜不夠輕便;二是對局部裂紋運 一類較小損傷監(jiān)測不靈敏。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種基于光纖布拉格光柵(FBG)傳感器 的局部裂紋實時監(jiān)測方法，F(xiàn)BG傳感器具有輕便、電絕緣、耐腐蝕、能在強電磁干擾等條件下 工作等優(yōu)點，且其在可監(jiān)測范圍內(nèi)的靈敏度較高。本發(fā)明W實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過理論分析 建立裂紋與FBG傳感器響應(yīng)信號特征參量的關(guān)系模型，且通過實驗數(shù)據(jù)驗證該模型的正確 性。
[0005] 本發(fā)明提出一種基于光纖布拉格光柵的孔邊裂紋實時監(jiān)測方法，所述方法適用于 對局部裂紋進行實時監(jiān)測，具體包括W下幾個步驟：
[0006] 第一步，將結(jié)構(gòu)中待監(jiān)測部位簡化，明確監(jiān)測需求，并對其進行有限元分析，確定 裂紋擴展到不同長度時其附近應(yīng)變分布；
[0007] 將結(jié)構(gòu)中待監(jiān)測部位截取出來，將其簡化并進行受力分析，確定簡化結(jié)構(gòu)受到的 外力，據(jù)此確定試驗條件，包括載荷類型(靜拉伸或疲勞載荷)及其相關(guān)參數(shù)。同時，明確監(jiān) 測需求，包括需要監(jiān)測的裂紋闊值長度和精度〇。根據(jù)確定的試驗條件，對簡化結(jié)構(gòu)進行有 限元分析，得到裂紋擴展到不同長度時其附近的應(yīng)變分布。局部裂紋的顯著特征之一在于： 局部結(jié)構(gòu)多伴隨應(yīng)力集中，而裂紋通常由該應(yīng)力集中處萌生，并沿與主應(yīng)力垂直的方向擴 展;位置與擴展路徑較為明確，且一般為直裂紋。
[000引第二步，根據(jù)第一步中的有限元分析結(jié)果，對FBG傳感器進行布局；
[0009]沿裂紋擴展方向布置n個傳感器FBGi，F(xiàn)BG2，…，F(xiàn)BGn，每一傳感器柵點軸向均與裂 紋擴展方向垂直。沿裂紋擴展方向為X軸，與裂紋擴展方向垂直的方向為y軸。根據(jù)上述應(yīng)變 分布的有限元分析結(jié)果，確定每一傳感器柵點中屯、的坐標(xi，yi)，使其柵點長度方向上可 W感應(yīng)到較為明顯的應(yīng)變梯度(應(yīng)變梯度定義為應(yīng)變的一階導(dǎo)數(shù)，單位為mm-1)，應(yīng)保證柵 點遠離裂紋端點的應(yīng)變梯度大于icrVnfi。則每一傳感器i在裂紋擴展方向上的有效監(jiān)測范 圍為（xi-i,xi]，（i = l,2,...,n;x〇 = 0)。
[0010] 第=步，對簡化結(jié)構(gòu)在實驗室中進行疲勞試驗，采集不同裂紋長度下每一傳感器 的響應(yīng)信號；
[0011] 根據(jù)第一步中所述試驗條件，對簡化結(jié)構(gòu)在實驗室中進行疲勞試驗，每當裂紋擴 展一定增量，就記錄相應(yīng)的裂紋長度，并采集傳感器的反射光譜。其中，運一增量為所要求 的監(jiān)測精度的50%，如監(jiān)測精度為0.5mm，則裂紋每擴展0.25mm就記錄相應(yīng)裂紋長度。
[001。第四步，提取所采集到的FBG傳感器反射光譜的特征參量；
[0013] 隨著裂紋逐漸向傳感器的靠近，F(xiàn)BG傳感器柵點長度方向所受到的應(yīng)變分布不斷 變化，使得其反射光譜形狀和位置發(fā)生變化。提取反射光譜特征參量，定義兩個特征參量： 歸一化峰值&和歸一化展寬&，
[0014]
(1)
[0015] 其中，r刃反射軍峰值;AA為當反射率為加寸對應(yīng)兩波長之差，稱之為展寬;ro、AAo 分別為傳感器的初始反射率峰值和展寬。
[0016] 第五步，建立FBG傳感器反射光譜特征值與裂紋長度之間的定量模型；
[0017] 分別建立每一傳感器在其有效監(jiān)測范圍內(nèi)，其反射光譜特征參量與裂紋擴展長度 之間的定量模型。W兩特征參量&、&為自變量，裂紋長度為因變量，采用多元回歸分析的方 法對每一傳感器分別進行建模。
[001引對于第i個傳感器，有
[0019]
(2)
[0020] 其中aG (xi-i，xi]; i = l，2, . . .，n;xo = 0;fi為第i個傳感器特征參量與裂紋長度的 回歸模型也心分別為歸一化峰值和歸一化展寬;kij( j = 0，1，2，3，4)為第i個傳感器回歸 模型的回歸系數(shù)。
[0021] 第六步，實現(xiàn)對裂紋的實時監(jiān)測；
[0022] 實際監(jiān)測過程中，需要先判斷裂紋擴展至哪一傳感器的有效監(jiān)測范圍之內(nèi)。判斷 方法如下：
[0023] 定義
[0024] Et=Iat-XiI (3)
[0025] 其中，at為傳感器在t時刻所輸出的裂紋長度，Xi為第i個傳感器的橫坐標(初次定 義見第二步），當?shù)趇個傳感器在t時刻&;<-!(〇為精度，初次定義見第一步），則判斷裂紋擴 展至第i-1個傳感器的有效檢測范圍。
[0026] 完成判斷后，采集相應(yīng)傳感器的光譜信號，提取特征參量并帶入其定量模型，即 (2)式'1(&，&)(1 = 1，2,3，...），便可實現(xiàn)對裂紋的實時監(jiān)測。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點在于：
[0028] (1)由于光纖布拉格光柵傳感器具有輕便、電絕緣、耐腐蝕、能在強電磁干擾等條 件下工作等優(yōu)點，已經(jīng)在結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但目前其應(yīng)用不關(guān)屯、在傳感器 柵點長度方向上的應(yīng)變分布，只通過反射光譜中屯、波長的漂移量測得整個柵點所受到的平 均應(yīng)變，多應(yīng)用構(gòu)件的應(yīng)力和溫度的準分布監(jiān)測。而利用光纖布拉格光柵傳感器對局部裂 紋進行監(jiān)測尚未有人提出。與其他對局部裂紋監(jiān)測方法相比，該傳感器具有更好的應(yīng)用前 景；
[0029] (2)光纖布拉格光柵傳感器對在其柵點長度上的非均勻應(yīng)變非常敏感，當在其柵 點長度方向上受到非均勻應(yīng)變時，反射光譜的形狀與位置會發(fā)生變化，且應(yīng)變梯度越大， 光譜變化越劇烈。裂紋尖端的應(yīng)變分布具有明顯的不均勻特性，故可根據(jù)反射光譜的變化 程度，判斷裂紋距傳感器的距離。提取反射光譜變化的特征參量，建立其與裂紋長度的定量 關(guān)系，從而實現(xiàn)了在有限長度范圍內(nèi)裂紋的實時監(jiān)測；
[0030] (3)沿裂紋擴展方向布置若干傳感器，使相鄰傳感器之間的距離小于等于后一傳 感器的有效檢測范圍，從而實現(xiàn)了對任意規(guī)定長度的裂紋的實時監(jiān)測。
【附圖說明】
[0031] 圖1為本發(fā)明提供的基于光纖布拉格光柵傳感器的孔邊裂紋實時監(jiān)測方法總體過 程示意圖；
[0032] 圖2為實施例裂紋尖端附近的應(yīng)變分布；
[0033] 圖3為實施例中光纖布拉格光柵傳感器的布局；
[0034] 圖4為實施例中裂紋長度與相應(yīng)循環(huán)周次；
[0035] 圖5為實施例中歸一化峰值隨裂紋擴展的變化規(guī)律；
[0036] 圖6為實施例中歸一化展寬隨裂紋擴展的變化規(guī)律；
[0037] 圖7為實施例中模型計算值與裂紋真實值的對比圖；
[0038] 圖8為實施例中模型計算值與裂紋真實值的殘差圖。
【具體實施方式】
[0039] 下面將結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
[0040] 本發(fā)明提供了一種基于光纖布拉格光柵傳感器的局部裂紋實時監(jiān)測方法，該方法 的總體過程示意圖如圖1所示。所述方法通過如下步驟具體實現(xiàn)：
[0041] 第一步，對受到單軸疲勞載荷的帶有中屯、圓孔的侶合金板材進行有限元分析；
[0042] 模擬工程中最常見的結(jié)構(gòu)與受載情況，即開有中屯、圓孔的無限大平板受到單軸疲 勞載荷。本實施例采用侶合金板試件，尺寸為600mmX300mmX2mm，中間開有孔徑為IOmm的 孔，孔邊通過線切割預(yù)制一個3mm的缺口。試驗最大應(yīng)力為75MPa，應(yīng)力比為0.1，加載頻率為 3Hz。擬監(jiān)巧UlOmm的疲勞裂紋，監(jiān)測精度a要求為1mm。
[0043] 對其在上述加載條件下進行有限元分析，得到裂紋在擴展到不同長度時其附近的 應(yīng)變分布W及變化情況，W指導(dǎo)傳感器的布局。圖2為裂紋尖端附近的應(yīng)變分布的仿真結(jié) 果，可W看出裂紋前端3-4mm內(nèi)的應(yīng)變分布具有明顯的不均勻的特性。
[0044] 第二步，根據(jù)上述有限元分析結(jié)果，對FBG傳感器進行布局；
[0045] 由第一步中的有限元分析結(jié)果可W看出，在裂紋尖端前3-4mm范圍內(nèi)y軸方向的應(yīng) 變具有較為明顯的梯度，故沿裂紋擴展方向布置3個傳感器FBGi，F(xiàn)BG2，F(xiàn)BG3，每一傳感器柵 點軸向均與裂紋擴展方向垂直，柵點長度均為2mm。W缺口頂端為原點，沿裂紋擴展方向為X 軸，與裂紋擴展方向垂直的方向為y軸，則其坐標(Xi，yi)分別為(3,2)、（6,2)、（10,2)，柵點 遠離裂紋端點的應(yīng)變梯度為1.13 X l(T4mnfi，每一傳感器i在裂紋擴展方向上的有效監(jiān)測范 圍為（xi-i,xi](i = l ,2,... ,n;x〇 = 0)。
[0046] 圖3為本實施例中光纖布拉格光柵傳感器的布局；
[0047] 第=步，對試件進行疲勞加載試驗，得到隨著裂紋擴展每一傳感器的響應(yīng)信號；
[0048] 對試件進行疲勞加載試驗，加載條件如第一步中所述。每當裂紋擴展一定增量，就 記錄裂紋長度a,并采集每一傳感器的反射光譜。其中，運一增量為要求的監(jiān)測精度的50%。 本實施例中，要求監(jiān)測精度為1mm，則裂紋每擴展0.5mm，就記錄裂紋長度，并采集傳感器的 反射光譜。
[0049] 圖4為實施例中裂紋長度與相應(yīng)循環(huán)周次；
[0050] 第四步，提取所采集到的FBG傳感器反射光譜的特征參量；
[0051] 隨著裂紋逐漸向傳感器的靠近，F(xiàn)BG傳感器柵點長度方向所受到的應(yīng)變分布不斷 變化，使得其反射光譜形狀和位置發(fā)生變化。提取反射光譜特征參量，運里定義了兩個特征 參量：巧一化峰值目1巧歸一化展奄02，
[0化2]
[0053] 其中，r為反射率峰值;AA為當反射率為加寸對應(yīng)兩波長之差，稱之為展寬;ro、AAo 分別為傳感器的初始反射率峰值和展寬。
[0054] 圖5為本實施例中歸一化峰值&隨裂紋擴展的變化規(guī)律；圖6為歸一化展寬阮隨裂 紋擴展的變化規(guī)律?？蒞發(fā)現(xiàn)隨裂紋的靠近，兩特征參量均發(fā)生了較為明顯的變化。
[0055] 第五步，建立FBG傳感器反射光譜特征值與裂紋長度之間的定量模型，實現(xiàn)裂紋的 實時監(jiān)測。
[0056] 分別建立每一傳感器在其有效監(jiān)測范圍內(nèi)，其反射光譜特征參量與裂紋擴展長度 之間的定量模型。W兩特征參量&、&為自變量，裂紋長度為因變量，采用多元回歸分析的方 法對每一傳感器分別進行建模。
[0化7] 姑旱笠 i水佑咸典右
[005引
（1)
[0059] 其中3￡(心1，義1];1 = 1，2，...，11刪=0擊為第1個傳感器特征參量與裂紋長度的 回歸模型;&心分別為歸一化峰值和歸一化展寬;ku(j = 0，l，2,3,4)為第i個傳感器回歸 模型的回歸系數(shù)。
[0060] 該實施例中每一傳感器的有效監(jiān)測范圍W及其在該范圍內(nèi)定量模型回歸系數(shù)如 表1所不。
[0061 ]表1光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測裂紋定量模型回歸系數(shù)
[0062]
[0063] 第六步，實現(xiàn)對裂紋的實時監(jiān)測；
[0064] 實際監(jiān)測過程中，需要先判斷裂紋擴展至哪一傳感器的有效監(jiān)測范圍之內(nèi)。判斷 方法如下：
[00化]定義
[0066] Et= I at-Xi (3)
[0067] 其中，at為傳感器在t時刻所輸出的裂紋長度，Xi為第i個傳感器的橫坐標(初次定 義見第二步），當?shù)趇個傳感器在t時刻(a為精度，初次定義見第一步），則判斷裂紋擴 展至第i-1個傳感器的有效檢測范圍。
[0068] 后采集相應(yīng)傳感器的光譜信號，提取特征參量并帶入其定量模f 1(01，防）a = 1，2， 3)，便可實現(xiàn)對裂紋的實時監(jiān)測。
[0069] 本實施例中沿裂紋擴展方向布置了 3個FBG傳感器，裂紋的初始擴展處于FBGi的有 效監(jiān)測范圍之內(nèi)，將FBGl的反射光譜的特征參量帶入fi(ei，02)可實時得到裂紋長度，當Et 小于0.5mm時，則表明裂紋擴展至FBG2的有效監(jiān)測范圍之內(nèi)，W此類推，即可實現(xiàn)對IOmm裂 紋的實時監(jiān)測。圖7為模型計算值與裂紋真實值的對比圖，圖中各點均分布在對角線左右； 圖8為其殘差圖，各點殘差均勻分布在零線兩側(cè)。數(shù)據(jù)擬合優(yōu)度R2為0.9989。由此可W看出， 擬合效果良好。
【主權(quán)項】
1. 一種基于光纖布拉格光柵的孔邊裂紋實時監(jiān)測方法，對局部裂紋進行實時監(jiān)測，具 體包括以下幾個步驟： 第一步，截取結(jié)構(gòu)中待監(jiān)測部位，簡化并進行受力分析，確定簡化結(jié)構(gòu)受到的外力，確 定試驗條件，包括載荷類型及其相關(guān)參數(shù)；同時，明確監(jiān)測需求，包括需要監(jiān)測的裂紋閾值 長度和精度α;根據(jù)確定的試驗條件，對簡化結(jié)構(gòu)進行有限元分析，得到裂紋擴展到不同長 度時其應(yīng)變分布； 第二步，沿裂紋擴展方向布置η個傳感器，分別為FBGi，F(xiàn)BG2，…，F(xiàn)BGn，每一傳感器柵點 軸向均與裂紋擴展方向垂直;沿裂紋擴展方向為X軸，與裂紋擴展方向垂直的方向為y軸，根 據(jù)應(yīng)變分布的有限元結(jié)果，確定每一傳感器柵點中心的坐標( Xl，yi)，使其柵點長度方向上 感應(yīng)到應(yīng)變梯度，柵點遠離裂紋的端點的應(yīng)變梯度大于ΙΟ^πιπΤ 1，則每一傳感器i在裂紋擴 展方向上的有效監(jiān)測范圍為(Xi-i，xi]，i = l，2，···，n;XQ = 0; 第三步，根據(jù)試驗條件，對簡化結(jié)構(gòu)在實驗室中進行疲勞試驗，每當裂紋增量A，記錄相 應(yīng)的裂紋長度，并采集傳感器的反射光譜； 第四步，提取所采集到的FBG傳感器反射光譜的特征參量； 隨著裂紋逐漸向傳感器的靠近，F(xiàn)BG傳感器柵點長度方向所受到的應(yīng)變分布不斷變化， 使得其反射光譜形狀和位置發(fā)生變化，提取反射光譜特征參量，設(shè)歸一化峰值為&，歸一化 展寬為fe:⑴ 其中，r為反射率峰值，Λλ為當反射率為〇時對應(yīng)兩波長之差即展寬，π)、Λλ〇分別為傳 感器的初始反射率峰值和展寬； 第五步，分別建立每一傳感器在其有效監(jiān)測范圍內(nèi)，其反射光譜特征參量與裂紋擴展 長度之間的定量模型，以兩特征參量扮、&為自變量，裂紋長度為因變量，采用多元回歸分析 的方法對每一傳感器分別進行建模，對于第i個傳感器：(2) 其中：ae (Xi-^xi] ;i = l，2, . . .，n，XQ = 0;fi為第i個傳感器特征參量與裂紋長度的回 歸模型;β 1、β 2分別為歸一化峰值和歸一化展寬，k i j為第i個傳感器回歸模型的回歸系數(shù)，j =0,1,2,3,4 ； 第六步，判斷裂紋擴展至哪一傳感器的有效監(jiān)測范圍之內(nèi)，設(shè)： et= | at-xi (3) 其中，&為傳感器在t時刻所輸出的裂紋長度，Xl為第i個傳感器的橫坐標，當?shù)趇個傳感 器在t時刻巧<|，則判斷裂紋擴展至第i-Ι個傳感器的有效檢測范圍； 完成判斷后，采集相應(yīng)傳感器的光譜信號，提取特征參量并帶入定量模型式(2)，得到h (βι，&)，實現(xiàn)對裂紋的實時監(jiān)測。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于光纖布拉格光柵的孔邊裂紋實時監(jiān)測方法，所述的A 為監(jiān)測精度的50 %。
【文檔編號】G01N21/88GK105954293SQ201610286305
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】劉曉鵬, 張衛(wèi)方, 何晶靖, 王鄧江
【申請人】北京航空航天大學