机械板结构损伤的多源激励-光纤光栅传感的复合检测方法研究

摘要

近年来，机械结构逐渐向大型化、智能化方向发展，由于运行环境具有多元随机的特点，使得其结构响应往往表现为多个激励源共同作用的效果。传统单源激励方法难以满足其实际响应特性，因此，研究开发新型检测技术是机械结构损伤检测技术发展的重要趋势之一。多源激励-光纤光栅检测技术（Multi-source excitation-fiber Bragg grating detection technique，MSE-FBG）是一种新兴的检测方法，基本原理是向结构试件同时施加多个激励源，通过光纤光栅分布传感，获得结构应变信息以分析损伤状态。该检测方法采用多源激励技术，结合光纤光栅质轻、便于分布传感、抗电磁干扰能力强的优势，在机械结构损伤检测领域具有较大的发展空间，但目前还鲜有报道。
　　本文以航空金属板材为对象，提出多源激励-光纤光栅分布传感的检测新方法，重点研究基于双振动、振动-超声以及双超声的双源激励模式，通过FBG测量的分布应变信号，揭示多源激励下FBG的应变传感特征，围绕双源激励信号的耦合机理、损伤对信号调制机制的基础问题展开研究，解决多源激励下板结构裂纹损伤检测与定位的技术问题。主要的特色和创新点是通过多源激励与光纤光栅分布检测的结合，创建面向航空金属板结构损伤的分布检测新方法，建立损伤与分布检测信号的映射关系。论文的主要工作如下：
　　建立双振动、振动-超声、双超声三种模式组合的激励模型：分别推导双振动激励模式下的频率响应函数，振动-超声激励模式下的非线性超声波波动方程，双超声激励模型下的应变响应函数，为多源激励检测方案提供理论基础。
　　研究三种不同组合激励下的FBG响应特性及参数特性，侧重研究两个激励源信号的频率、相位、幅值、位置等因素对FBG响应特性的影响，为后续损伤定位提供参数基础。同时，对三种激励下的检测信号进行特征提取分析：通过希尔伯特变换对双振动调制信号进行包络分析；通过连续小波变换对振动-超声检测的调制信号进行时频分析，并进行调制属性判断；采用小波变换工具，对双超声检测信号进行去噪、滤波等处理，为损伤定位分析提供数据保证。
　　建立多源激励-FBG检测实验系统：采用信号发生器激励压电片，通过逆压电效应在板结构中产生波信号，利用FBG对激励波进行测量，采用可调激光光源对FBG中心波长偏移进行解调，该系统用于各向同性板材中多源激励下的传感特性研究，验证了该系统用于板中多源激励下信号测量的可行性，并对各向同性板材损伤进行检测。在此基础上，进一步探讨两步定位法和椭圆成像法的损伤定位，实验表明两步定位法可缩小损伤判定范围，椭圆成像定位法对各向同性板结构的圆孔损伤和裂纹损伤的定位均有效。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究概况

1.3 课题来源及拟解决的关键问题

1.4 研究内容及章节结构

1.5 本章小结

第2章 多源激励原理

2.1 双振动激励模型

2.2振动-超声激励模型

2.3双超声激励模型

2.4 压电激励模式研究

2.5 本章小结

第3章 多源激励下光纤光栅的响应特性研究

3.1光纤光栅传感原理

3.2多源激励-FBG测量的检测系统

3.3双振动激励下光纤光栅传感的响应特性

3.4振动-超声激励下光纤光栅传感的响应特性

3.5 双超声激励下光纤光栅传感的响应特性

3.6本章小结

第4章 多源激励检测信号的特征提取方法研究

4.1双振动激励信号的特征提取方法研究

4.2基于振动-超声调制信号的特征提取方法研究

4.3基于双超声激励检测信号的特征提取

4.4本章小结

第5章 基于多源激励-光纤光栅传感的检测参数研究

5.1双振动激励下的检测参数研究

5.2振动-超声激励下的检测参数研究

5.3双超声激励下的检测参数研究

5.4本章小结

第6章 多源激励-FBG分布传感下的损伤定位研究

6.1 概述

6.2传感器分布拓扑原则

6.3 结构损伤的二步定位算法

6.4基于板结构损伤的椭圆成像定位法

6.5本章小结

第7章 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 创新点

7.3工作展望

参考文献

攻读博士学位期间参加的科研项目

攻读博士学位期间的科研成果

致谢