基于光纤光栅传感技术的应力波检测及应用

摘要

近年来，冲击载荷及应力波等名词不断出现在各类工程领域乃至人们的日常生活中。材料在静、动载荷下的力学行为不同，针对动态载荷问题需要运用应力波理论对其进行分析。随着动力学理论的发展及完善，应力波已大量应用于爆炸学、地震学、材料学等各个领域中。利用应力波进行结构的缺陷检测是近些年来提出的新方法，其中以管道的缺陷检测最为热门。管道以远距离传输、无能耗、使用持久等优点，在运输行业中发挥着重要的作用。若管道发生泄漏，不但国家经济受损，居民的健康乃至生命都可能受到威胁。因此，对管道的缺陷检测显得十分必要。
　　光纤光栅传感器作为一种光无源传感器件，具有精度高、度高、体积小、抗电磁干扰能力强、能够进行网络化传感且便于远距离传输等优点，在各类工程应用中得到了大量应用。
　　论文的创新点及主要的研究内容如下:
　　1、结合弹性应力波的理论基础及光纤光栅的传感原理，提出利用光纤光栅传感系统对弹性杆中的应力波进行检测的方法，并将该系统应用于管道的缺陷定位检测中。
　　2、介绍了一维弹性杆中应力波检测技术的发展，概述应力波对管道缺陷检测的应用。简述了光纤光栅传感器的发展、传感特性、应用现状及解调方法。
　　3、通过建立两弹性杆共轴碰撞模型对应力波传播进行了仿真分析，得到应力波的传播规律。通过对管道中产生的应力波进行仿真分析，确定使用L(0，1)模态波检测缺陷的方法。
　　4、利用光纤光栅测试系统和应变片测试系统对弹性杆中的应力波进行了实验检测，对两者的检测信号进行了时域及频域分析。利用光纤光栅测试系统对管道受到单点载荷作用时产生的L(0，1)模态波进行了检测，利用该模态波确定了管道中缺陷的位置。利用小波分析技术对管道中传播的应力波进行了能量谱分析。
　　通过对两种测试系统检测结果的对比，实验验证了光纤光栅用于弹性杆中应力波及管道中导波检测的可行性。该研究为应力波的检测技术提供了一种新的方法。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 应力波检测的研究背景及意义

1．2 应力波检测技术的研究现状

1．2．1 应力波检测技术

1．2．2 应力波的能量谱分析

1．2．3 应力波技术的应用

1．3 光纤光栅传感的研究进展

1．3．1 光纤光栅及传感

1．3．2 光纤光栅传感技术的应用

1．4 本文的研究内容

第二章 基于光纤光栅的应力波检测的原理

2．1 应力波的基本理论

2．1．1 一维弹性应力波的波动方程

2．1．2 弹性应力波的相互作用

2．2 分离式霍普金森压杆

2．2．1 分离式霍普金森压杆系统

2．2．2 有限长杆的共轴碰撞

2．2．3 不同界面处弹性波的反射与透射

2．3 管道中应力波的传播

2．3．1 导波的频散性

2．3．2 圆管中导波的多模态性

2．3．3 导波用于管道缺陷检测原理

2．4 基于小波变换的应力波能量谱分析

2．5 光纤光栅传感器的工作原理

2．5．1 光纤光栅传感器用于应力波检测原理

2．5．2 光纤光栅传感器的信号解调方法

2．6 本章小结

第三章 应力波仿真分析

3．1 ANSYS有限元分析简介

3．1．1 非线性有限元分析简介

3．1．2 选择单元类型及建模

3．1．3 划分网格

3．1．4 定义接触类型

3．1．5 加载载荷及约束

3．2 SHPB压杆系统的仿真分析

3．3 管道系统(含缺陷)的仿真分析

3．4 本章小结

第四章 基于光纤光栅的应力波检测实验研究

4．1 基于光纤光栅的应力波检测系统

4．2 SHPB系统应力波检测实验

4．3 管道缺陷检测实验

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文