基于光纤超声波动传感技术的主动和被动结构损伤识别方法研究

摘要

光纤超声波动传感器是结构健康监测和智能结构领域的研究热点之一，相比传统应力波检测的电学元件，光纤传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、适应性强、灵活多变、集感知与传输于一体等优点，将超声导波检测和声发射技术与光纤传感器相结合，有利于更广泛和便捷地应用于实际工程结构的损伤检测和监测。本论文主要研究了基于Mach-Zehnder（M-Z）干涉仪原理的超声波动光纤传感器的主动与被动结构损伤识别方法。
　　论文首先给出了M-Z干涉仪的基本原理，分析了基于M-Z干涉仪的光纤传感器测量超声波的原理。为了能使干涉仪处于最佳的工作状态，分析环境中的温度变化、随机振动以及光纤双折射对干涉仪输出信号的影响机制。
　　其次，将超声光纤传感器应用于圆管结构的主动损伤识别研究中。针对管结构，为了增加光纤传感器的灵敏度，在圆管中将光纤缠绕于圆管以增加传感臂的感应长度，并分析了圆管上的螺旋光纤对管中各种模态的敏感性。通过管中轴向传播导波模态的特性分析，选择L(0,2)模态作为检测模态，采用d31型压电晶片环形阵列对称激励，用光纤超声波动传感器进行损伤检测，研究了圆管中光纤传感器进行应力波检测的特性，并与传统的压电晶片的检测相比较。
　　最后给出了一种便携式的新型光纤超声波动传感器，在铝板试验中分析各个尺寸的光纤传感器的频响特性，并选择其中一种型号进行混凝土梁的破坏损伤声发射试验，对比分析了光纤传感器和传统声发射传感器对混凝土梁的损伤声发射信号的感知效果。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 基于波动理论损伤检测

1.3 光纤超声传感器技术

1.4 基于M-Z干涉仪光纤传感器研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章Mach-Zehnder干涉仪基本原理

2.1 Mach-Zehnder干涉仪原理

2.2 初始相位差与应力波幅值影响原理

2.3 光的偏振态对应力波测量的影响

2.4 应力波与光纤的相互作用的基本理论

2.5 本章小结

第3章 基于光纤超声传感器的圆管损伤监测

3.1 圆管中的导波基本理论

3.2 螺旋型光纤传感器在圆管中的相位差理论推导

3.2 试验方案

3.3 损伤检测

3.4 本章小结

第4章 基于光纤超声传感器的混凝土声发射信号检测

4.1 圆柱型光纤声发射传感器

4.2 光纤传感器频响特性

4.3 新型光纤超声传感器的混凝土梁声发射试验

4.4 本章小结

结论

参考文献

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