CN105954293B - 一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法，属于结构健康监测技术领域。裂纹尖端的应变分布具有明显的不均匀特性，当光纤布拉格光栅传感器在其栅点长度方向上受到非均匀应变时，反射光谱的形状与位置会发生变化。且应变梯度不同，其光谱变化程度不同。将结构待监测部位简化，并进行有限元分析得到不同裂纹长度下的应变分布，据此确定传感器的布局，提取反射光谱变化的特征参量，建立其与裂纹长度的定量关系，从而实现在有限长度范围内裂纹的实时监测。沿裂纹扩展方向布置若干传感器，使相邻传感器之间的距离小于等于后一传感器的有效检测范围，即可实现对任意规定长度的裂纹的实时监测。
Description
技术领域
本发明属于结构健康监测技术领域，具体涉及一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的局部裂纹实时监测方法。
背景技术
裂纹是结构中典型的损伤类型之一。重要结构在预计或额外使用期内都会不可避免地产生裂纹，如果不能及时准确地监测出这些裂纹的萌生及其扩展情况，可能会导致重大事故的发生，所以裂纹监测对于提高结构安全是至关重要的。其中，孔结构和缺口等易产生应力集中的地方，成为产生裂纹最为常见的部位，故对这种局部裂纹的实时监测十分重要。近年来，为了实现对局部裂纹损伤的识别和监测，结构健康监测技术得到飞速的发展。结构健康监测技术是一门涉及材料、测控、力学、机械、信息通信等多个科学研究领域的前沿技术，它同传统的无损检测技术相比具有能够实时、在线监测的优点。
目前，在结构健康监测领域用于局部裂纹实时监测的传感器主要有压电传感器、智能图层传感器等。但其均存在下述两个问题：一是设备复杂不够轻便；二是对局部裂纹这一类较小损伤监测不灵敏。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种基于光纤布拉格光栅(FBG)传感器的局部裂纹实时监测方法，FBG传感器具有轻便、电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，且其在可监测范围内的灵敏度较高。本发明以实验数据为基础，通过理论分析建立裂纹与FBG传感器响应信号特征参量的关系模型，且通过实验数据验证该模型的正确性。
本发明提出一种基于光纤布拉格光栅的孔边裂纹实时监测方法，所述方法适用于对局部裂纹进行实时监测，具体包括以下几个步骤：
第一步，将结构中待监测部位简化，明确监测需求，并对其进行有限元分析，确定裂纹扩展到不同长度时其附近应变分布；
将结构中待监测部位截取出来，将其简化并进行受力分析，确定简化结构受到的外力，据此确定试验条件，包括载荷类型(静拉伸或疲劳载荷)及其相关参数。同时，明确监测需求，包括需要监测的裂纹阈值长度和精度α。根据确定的试验条件，对简化结构进行有限元分析，得到裂纹扩展到不同长度时其附近的应变分布。局部裂纹的显著特征之一在于：局部结构多伴随应力集中，而裂纹通常由该应力集中处萌生，并沿与主应力垂直的方向扩展；位置与扩展路径较为明确，且一般为直裂纹。
第二步，根据第一步中的有限元分析结果，对FBG传感器进行布局；
沿裂纹扩展方向布置n个传感器FBG1，FBG2，…,FBGn，每一传感器栅点轴向均与裂纹扩展方向垂直。沿裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴。根据上述应变分布的有限元分析结果，确定每一传感器栅点中心的坐标(xi,yi)，使其栅点长度方向上可以感应到较为明显的应变梯度(应变梯度定义为应变的一阶导数，单位为mm-1)，应保证栅点远离裂纹端点的应变梯度大于10-4mm-1。则每一传感器i在裂纹扩展方向上的有效监测范围为(xi-1,xi]，(i＝1,2,…,n；x0＝0)。
第三步，对简化结构在实验室中进行疲劳试验，采集不同裂纹长度下每一传感器的响应信号；
根据第一步中所述试验条件，对简化结构在实验室中进行疲劳试验，每当裂纹扩展一定增量，就记录相应的裂纹长度，并采集传感器的反射光谱。其中，这一增量为所要求的监测精度的50％，如监测精度为0.5mm，则裂纹每扩展0.25mm就记录相应裂纹长度。
第四步，提取所采集到的FBG传感器反射光谱的特征参量；
随着裂纹逐渐向传感器的靠近，FBG传感器栅点长度方向所受到的应变分布不断变化，使得其反射光谱形状和位置发生变化。提取反射光谱特征参量，定义两个特征参量：归一化峰值β1和归一化展宽β2，
其中，r为反射率峰值；△λ为当反射率为0时对应两波长之差，称之为展宽；r0、△λ0分别为传感器的初始反射率峰值和展宽。
第五步，建立FBG传感器反射光谱特征值与裂纹长度之间的定量模型；
分别建立每一传感器在其有效监测范围内，其反射光谱特征参量与裂纹扩展长度之间的定量模型。以两特征参量β1、β2为自变量，裂纹长度为因变量，采用多元回归分析的方法对每一传感器分别进行建模。
对于第i个传感器，有
其中a∈(xi-1,xi]；i＝1,2,...,n；x0＝0；fi为第i个传感器特征参量与裂纹长度的回归模型；β1、β2分别为归一化峰值和归一化展宽；kij(j＝0,1,2,3,4)为第i个传感器回归模型的回归系数。
第六步，实现对裂纹的实时监测；
实际监测过程中，需要先判断裂纹扩展至哪一传感器的有效监测范围之内。判断方法如下：
定义
εt＝|at-xi| (3)
其中，at为传感器在t时刻所输出的裂纹长度，xi为第i个传感器的横坐标(初次定义见第二步)，当第i个传感器在t时刻(α为精度，初次定义见第一步)，则判断裂纹扩展至第i-1个传感器的有效检测范围。
完成判断后，采集相应传感器的光谱信号，提取特征参量并代入其定量模型，即(2)式fi(β1,β2)(i＝1,2,3,...)，便可实现对裂纹的实时监测。
本发明的优点在于：
(1)由于光纤布拉格光栅传感器具有轻便、电绝缘、耐腐蚀、能在强电磁干扰等条件下工作等优点，已经在结构健康监测领域得到广泛应用。但目前其应用不关心在传感器栅点长度方向上的应变分布，只通过反射光谱中心波长的漂移量测得整个栅点所受到的平均应变，多应用构件的应力和温度的准分布监测。而利用光纤布拉格光栅传感器对局部裂纹进行监测尚未有人提出。与其他对局部裂纹监测方法相比，该传感器具有更好的应用前景；
(2)光纤布拉格光栅传感器对在其栅点长度上的非均匀应变非常敏感，当在其栅点长度方向上受到非均匀应变时，反射光谱的形状与位置会发生变化，且应变梯度越大，光谱变化越剧烈。裂纹尖端的应变分布具有明显的不均匀特性，故可根据反射光谱的变化程度，判断裂纹距传感器的距离。提取反射光谱变化的特征参量，建立其与裂纹长度的定量关系，从而实现了在有限长度范围内裂纹的实时监测；
(3)沿裂纹扩展方向布置若干传感器，使相邻传感器之间的距离小于等于后一传感器的有效检测范围，从而实现了对任意规定长度的裂纹的实时监测。
附图说明
图1为本发明提供的基于光纤布拉格光栅传感器的孔边裂纹实时监测方法总体过程示意图；
图2为实施例裂纹尖端附近的应变分布；
图3为实施例中光纤布拉格光栅传感器的布局；
图4为实施例中裂纹长度与相应循环周次；
图5为实施例中归一化峰值随裂纹扩展的变化规律；
图6为实施例中归一化展宽随裂纹扩展的变化规律；
图7为实施例中模型计算值与裂纹真实值的对比图；
图8为实施例中模型计算值与裂纹真实值的残差图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供了一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法，该方法的总体过程示意图如图1所示。所述方法通过如下步骤具体实现：
第一步，对受到单轴疲劳载荷的带有中心圆孔的铝合金板材进行有限元分析；
模拟工程中最常见的结构与受载情况，即开有中心圆孔的无限大平板受到单轴疲劳载荷。本实施例采用铝合金板试件，尺寸为600mm×300mm×2mm，中间开有孔径为10mm的孔，孔边通过线切割预制一个3mm的缺口。试验最大应力为75MPa，应力比为0.1，加载频率为3Hz。拟监测10mm的疲劳裂纹，监测精度α要求为1mm。
对其在上述加载条件下进行有限元分析，得到裂纹在扩展到不同长度时其附近的应变分布以及变化情况，以指导传感器的布局。图2为裂纹尖端附近的应变分布的仿真结果，可以看出裂纹前端3-4mm内的应变分布具有明显的不均匀的特性。
第二步，根据上述有限元分析结果，对FBG传感器进行布局；
由第一步中的有限元分析结果可以看出，在裂纹尖端前3-4mm范围内y轴方向的应变具有较为明显的梯度，故沿裂纹扩展方向布置3个传感器FBG1，FBG2，FBG3，每一传感器栅点轴向均与裂纹扩展方向垂直，栅点长度均为2mm。以缺口顶端为原点，沿裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴，则其坐标(xi,yi)分别为(3,2)、(6,2)、(10,2)，栅点远离裂纹端点的应变梯度为1.13×10-4mm-1，每一传感器i在裂纹扩展方向上的有效监测范围为(xi-1,xi](i＝1,2,…,n；x0＝0)。
图3为本实施例中光纤布拉格光栅传感器的布局；
第三步，对试件进行疲劳加载试验，得到随着裂纹扩展每一传感器的响应信号；
对试件进行疲劳加载试验，加载条件如第一步中所述。每当裂纹扩展一定增量，就记录裂纹长度a，并采集每一传感器的反射光谱。其中，这一增量为要求的监测精度的50％。本实施例中，要求监测精度为1mm，则裂纹每扩展0.5mm，就记录裂纹长度，并采集传感器的反射光谱。
图4为实施例中裂纹长度与相应循环周次；
第四步，提取所采集到的FBG传感器反射光谱的特征参量；
随着裂纹逐渐向传感器的靠近，FBG传感器栅点长度方向所受到的应变分布不断变化，使得其反射光谱形状和位置发生变化。提取反射光谱特征参量，这里定义了两个特征参量：归一化峰值β1和归一化展宽β2，
其中，r为反射率峰值；△λ为当反射率为0时对应两波长之差，称之为展宽；r0、△λ0分别为传感器的初始反射率峰值和展宽。
图5为本实施例中归一化峰值β1随裂纹扩展的变化规律；图6为归一化展宽β2随裂纹扩展的变化规律。可以发现随裂纹的靠近，两特征参量均发生了较为明显的变化。
第五步，建立FBG传感器反射光谱特征值与裂纹长度之间的定量模型，实现裂纹的实时监测。
分别建立每一传感器在其有效监测范围内，其反射光谱特征参量与裂纹扩展长度之间的定量模型。以两特征参量β1、β2为自变量，裂纹长度为因变量，采用多元回归分析的方法对每一传感器分别进行建模。
对于第i个传感器，有
其中a∈(xi-1,xi]；i＝1,2,...,n；x0＝0；fi为第i个传感器特征参量与裂纹长度的回归模型；β1、β2分别为归一化峰值和归一化展宽；kij(j＝0,1,2,3,4)为第i个传感器回归模型的回归系数。
该实施例中每一传感器的有效监测范围以及其在该范围内定量模型回归系数如表1所示。
表1光纤布拉格光栅传感器监测裂纹定量模型回归系数
第六步，实现对裂纹的实时监测；
实际监测过程中，需要先判断裂纹扩展至哪一传感器的有效监测范围之内。判断方法如下：
定义
εt＝|at-xi| (3)
其中，at为传感器在t时刻所输出的裂纹长度，xi为第i个传感器的横坐标(初次定义见第二步)，当第i个传感器在t时刻(α为精度，初次定义见第一步)，则判断裂纹扩展至第i-1个传感器的有效检测范围。
后采集相应传感器的光谱信号，提取特征参量并代入其定量模fi(β1,β2)(i＝1,2,3)，便可实现对裂纹的实时监测。
本实施例中沿裂纹扩展方向布置了3个FBG传感器，裂纹的初始扩展处于FBG1的有效监测范围之内，将FBG1的反射光谱的特征参量代入f1(β1,β2)可实时得到裂纹长度，当εt小于0.5mm时，则表明裂纹扩展至FBG2的有效监测范围之内，以此类推，即可实现对10mm裂纹的实时监测。图7为模型计算值与裂纹真实值的对比图，图中各点均分布在对角线左右；图8为其残差图，各点残差均匀分布在零线两侧。数据拟合优度R2为0.9989。由此可以看出，拟合效果良好。
Claims (2)
1.一种基于光纤布拉格光栅的孔边裂纹实时监测方法，对局部裂纹进行实时监测，具体包括以下几个步骤：
第一步，截取结构中待监测部位，简化并进行受力分析，确定简化结构受到的外力，确定试验条件，包括载荷类型及其相关参数；同时，明确监测需求，包括需要监测的裂纹阈值长度和精度α；根据确定的试验条件，对简化结构进行有限元分析，得到裂纹扩展到不同长度时其应变分布；
第二步，沿裂纹扩展方向布置n个传感器，分别为FBG1，FBG2，…,FBGn，每一传感器栅点轴向均与裂纹扩展方向垂直；沿裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴，根据应变分布的有限元结果，确定每一传感器栅点中心的坐标(xi,yi)，使其栅点长度方向上感应到应变梯度，应变梯度定义为应变的一阶导数，单位为mm-1，应保证栅点远离裂纹端点的应变梯度大于10-4mm-1，则每一传感器i在裂纹扩展方向上的有效监测范围为(xi-1,xi]，i＝1,2,…,n；x0＝0；
第三步，根据试验条件，对简化结构在实验室中进行疲劳试验，每当裂纹增量A，记录相应的裂纹长度，并采集传感器的反射光谱；
第四步，提取所采集到的FBG传感器反射光谱的特征参量；
随着裂纹逐渐向传感器的靠近，FBG传感器栅点长度方向所受到的应变分布不断变化，使得其反射光谱形状和位置发生变化，提取反射光谱特征参量，设归一化峰值为β1，归一化展宽为β2：
其中，r为反射率峰值，△λ为当反射率为0时对应两波长之差即展宽，r0、△λ0分别为传感器的初始反射率峰值和展宽；
第五步，分别建立每一传感器在其有效监测范围内，其反射光谱特征参量与裂纹扩展长度之间的定量模型，以两特征参量β1、β2为自变量，裂纹长度为因变量，采用多元回归分析的方法对每一传感器分别进行建模，对于第i个传感器：
其中：a∈(xi-1,xi]；i＝1,2,...,n，x0＝0；fi为第i个传感器特征参量与裂纹长度的回归模型；β1、β2分别为归一化峰值和归一化展宽，kij为第i个传感器回归模型的回归系数，j＝0,1,2,3,4；
第六步，判断裂纹扩展至哪一传感器的有效监测范围之内，设：
εt＝|at-xi| (3)
其中，at为传感器在t时刻所输出的裂纹长度，xi为第i个传感器的横坐标，当第i个传感器在t时刻则判断裂纹扩展至第i-1个传感器的有效检测范围；
完成判断后，采集相应传感器的光谱信号，提取特征参量并代入定量模型式(2)，得到fi(β1,β2)，实现对裂纹的实时监测。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤布拉格光栅的孔边裂纹实时监测方法，所述的A为监测精度的50％。
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| CN101221104A (zh) * | 2007-10-16 | 2008-07-16 | 吴智深 | 基于分布式应变动态测试的结构健康监测方法 |
| CN101520317A (zh) * | 2009-04-10 | 2009-09-02 | 山东大学 | 基于光纤应变传感的岩石变形破裂三维动态测试系统 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105954293A (zh) | 2016-09-21 |
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