基于光纤光栅传感的超声无损检测研究

论文摘要

超声无损检测作为一种高效、快捷的检测技术在结构体健康监测领域应用广泛。传统的超声无损检测方式为使用压电传感器探测在结构体中传播的超声波,然后根据探测的超声波信号对结构体中损伤进行识别。但是探测超声波信号的压电传感器存在易受电磁干扰、不耐腐蚀等缺点,导致其在某些特殊领域应用中的可靠性不高。因此本文尝试使用光纤光栅代替压电传感器进行超声波探测,围绕光纤光栅的超声波传感特性以及基于光纤光栅传感的超声无损检测展开研究,具体工作如下:（1）研究了兰姆波的频散特性,绘制了6061铝合金板的频散曲线。并通过有限元法仿真了兰姆波在铝板中的传播过程,印证了使用兰姆波进行损伤识别的可行性。同时理论推导了光纤光栅反射谱波长受超声波调制的函数关系式。（2）研究了光纤光栅在不同布置位置、不同长度、不同粘贴方式下的超声波传感特性。实验结果表明:为提高探测的超声波信号信噪比,光纤光栅的选择应遵循光纤光栅长度与超声波波长比值较小的原则,并将其沿超声波声场轴线布置。同时发现远程粘贴型光纤光栅具有同直接粘贴型光纤光栅相等的超声波探测能力。最后,为解决光纤光栅在进行超声波探测中存在的布置位置受限、可重复利用率低、裸光纤光栅安全与稳定性低等问题,设计了一种基于耦合锥结构的高灵敏度光纤光栅超声波传感器,并通过实验对该传感器性能进行了验证,证明了该传感器具有良好的超声波探测能力,且可以较好的分辨出兰姆波信号中的A0和S0模式。（3）搭建了基于光纤光栅传感的超声无损检测系统,使用本文设计的光纤光栅超声波传感器分别探测携带有圆孔型缺陷和狭缝型缺陷信息的兰姆波信号。实验结果表明:通过检测兰姆波时域信号中波包幅值的衰减可以实现铝板中有无缺陷的判别;通过检测兰姆波频域信号中是否新增0.5kHz或者大于0.5kHz频率成分可以实现缺陷类型的识别;通过比较两次测量的兰姆波时域信号中波包幅值的衰减或者前后频域信号的差异可判断缺陷有无扩展。具体特征如下:（1）兰姆波与圆孔型缺陷作用后,会产生0.5kHz新频率成分且频率大小与孔径大小无关;而兰姆波与狭缝型缺陷作用后,会产生大于0.5kHz新频率成分且频率大小与狭缝大小有关。因此可以通过检测兰姆波频域信号中有无0.5kHz频率成分实现对缺陷类型识别。（2）兰姆波与缺陷作用后,时域信号均会发生不同程度的衰减,且缺陷越大衰减越大,因此可以根据兰姆波时域信号中波包幅值的衰减实现缺陷有无扩展的判别。进一步的,缺陷的扩展也可以通过兰姆波频域信号变化进行表征。铝板中有圆孔型缺陷发生扩展时,兰姆波频率成分不会变化,但S0模式能量会下降;铝板中有狭缝型缺陷发生扩展时,兰姆波频率成分会发生变化。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 论文选题的背景与研究意义

1.2 基于光纤光栅传感的超声无损检测技术研究现状

1.3 本文的主要工作与结构安排

第2章超声波与光纤光栅传感基本原理

2.1 超声波概述

2.1.1 超声波的分类及特点

2.1.2 兰姆波基本理论

2.2 超声激励下的FBG传感原理

2.2.1 FBG传感基本原理

2.2.2 FBG与超声波作用理论

2.2.3 FBG波长的高速解调方法

2.3 兰姆波在铝板中传播的有限元模拟

2.3.1 有限元法的基本原理

2.3.2 基于COMSOL的有限元分析

2.4 本章小结

第3章光纤光栅的超声波传感特性研究

3.1 超声激励下的光纤光栅解调系统

3.2 光纤光栅布置位置对超声波探测的影响

3.3 光纤光栅不同长度对超声波探测的影响

3.4 光纤光栅粘贴方式对超声波探测的影响

3.5 基于耦合锥结构的光纤光栅超声波传感器设计

3.6 本章小结

第4章基于光纤光栅传感的板结构损伤识别

4.1 超声无损检测原理

4.2 兰姆波的激励

4.2.1 压电陶瓷的分类及特点

4.2.2 兰姆波激励信号的选取

4.3 基于光纤光栅传感的损伤识别

4.3.1 圆孔型缺陷的识别

4.3.2 狭缝型缺陷的识别

4.4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的主要研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 史镜名

导师: 郑狄

关键词: 光纤光栅,超声无损检测,兰姆波,损伤识别

来源: 西南交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,自动化技术

单位: 西南交通大学

分类号: TP212;O426.9

DOI: 10.27414/d.cnki.gxnju.2019.000797

总页数: 60

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