CN109959724A - 一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位*** - Google Patents

一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及机械结构运行情况的监测***，特指一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，包括计算机、频谱分析仪、数据处理单元、弱光栅、弱光纤光栅传感器、楔形块与超声激励装置，超声激励装置固定于楔形块上，楔形块固定于被测金属件的一端，弱光纤光栅传感器的敏感单元为两个弱光栅中间的光纤段，弱光纤光栅传感器固定于被测金属件的另一端，弱光纤光栅传感器通过光缆连接于数据处理单元，数据处理单元连接于频谱分析仪，频谱分析仪连接于计算机。采用光纤传感技术，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、防爆、频带宽、损耗低、精度高等特点，成功解决了传统的电类传感技术易受电磁场、外界环境及天气的干扰而造成的安全陷患问题。

Description

一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***
技术领域
本发明涉及机械结构运行情况的监测***技术领域，特指一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***。
背景技术
我国属于工业大国，机械行业在经济发展中占据着重要角色，但是机械结构的安全运行一直困扰着人们，机械结构在运行中容易出现整体断裂、疲劳损坏、过大的残余变形等破坏形式，轻则影响到机器运行，重则威胁到人们的安全，所以监测机械结构的安全运行一直受到人们的密切关注。传统的电类传感器虽然可以监测机械结构的运行状态，但是无法进行实时在线监测，且精度不高，容易受到电磁干扰等恶劣环境的影响。
目前，机械结构探伤与缺陷定位的方法主要有：
1)中国专利(专利号201710563305.7)“超声波探伤***的控制装置以及超声波探伤***”中所介绍的结构探伤方法，由发送传感器发送一定频率和一定波长的超声波，再由接收传感器接收超声波的反射波，通过分析处理发送的信号和接收的信号来对被测件进行探伤与缺陷的定位。但该发明采用的传感属于电类传感技术，易受电磁场、外界环境的影响，而且采用该电类传感技术检测存在灵敏度不高、抗腐蚀性差、无法进行实时监测等缺点，尤其一些机械结构在恶劣环境中运行无法使用电类传感器。
2)中国专利(专利号201810443145.7)“基于压电激励光纤光栅传感的裂纹损伤定量检测方法”中所介绍的结构探伤方法，由压电激励装置在被测件中产生超声波信号，再由光纤光栅传感器检测被测件中的超声波信号，再将检测到的信号进行分析处理来实现对测件的结构状态进行检测。但该光纤光栅传感器的敏感单元为光纤布拉格光栅，只能实现点测量，而且测量精度低，无法实现分布式测量，检测范围小以致不能对整体的机械结构进行检测。
目前，传统的机械结构探伤与缺陷定位的***主要是采用电类传感器，由于电类传感器本身易受电磁干扰，不具备防暴功能且在恶劣的环境中工作困难，采用多点测量时组网困难，使得信号的及时处理受限。而采用光纤光栅传感器的检测方法虽能实现在恶劣环境中工作，但是却无法实现分布式高精度测量。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，由于弱光纤光栅传感本身具有抗电磁干扰，可在恶劣环境中工作，测理灵敏度高和精度高，便于组网等优点，且该***的弱光纤光栅传感器的敏感单元为两弱光栅的中间光纤部分，可以实现分布式在线测量，本***可以实现对机械结构的整体运行状态在线分布式检测，保证机械结构安全运行，保证工人的人身安全和设备安全。
为了实现上述目的，本发明应用的技术方案如下：
一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，包括计算机、频谱分析仪、数据处理单元、弱光栅、弱光纤光栅传感器、楔形块与超声激励装置，超声激励装置固定于楔形块上，楔形块固定于被测金属件的一端，弱光纤光栅传感器的敏感单元为两个弱光栅中间的光纤段，弱光纤光栅传感器固定于被测金属件的另一端，弱光纤光栅传感器通过光缆连接于数据处理单元，数据处理单元连接于频谱分析仪，频谱分析仪连接于计算机。
进一步而言，所述超声激励装置包括压电陶瓷与信号发生器，信号发生器连接于压电陶瓷，压电陶瓷通过超声传导耦合液贴合在楔形块上。
进一步而言，所述压电陶瓷通过超声传导耦合液贴合在楔形块的斜面上，楔形块的平面通过超声传导耦合液贴合在被测金属件的一端。
进一步而言，所述超声传导耦合液采用医用超声耦合液。
进一步而言，所述弱光纤光栅传感器通过胶粘剂贴合在被测金属件的另一端。
进一步而言，所述胶粘剂采用AB胶。
进一步而言，所述弱光纤光栅传感器为高频弱光纤光栅振动传感器。
进一步而言，所述弱光纤光栅传感器与超声波声轴线同轴布置。
本发明有益效果：
本发明采用机械设计，通过超声激励装置在被测金属件中产生产生超声信号，然后通过弱光纤光栅传感器检测超声信号来对机械结构运行状态进行监测，采用光纤传感技术，具有抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、防爆、频带宽、损耗低、精度高等特点，成功解决了传统的电类传感技术易受电磁场、外界环境及天气的干扰而造成的安全陷患问题，该弱光纤光栅传感器的敏感单元为两光栅中间的光纤段，实现了在线分布式测量，从而保证机械结构的安全运行，并对缺陷进行快速定位，提高了工作效率。
附图说明
图1是本发明整体结构示意图。
1.计算机；2.频谱分析仪；3.数据处理单元；4.光缆；5.弱光栅；6.弱光纤光栅传感器；7.胶粘剂；8.被测金属件件；9.楔形块；10.超声传导耦合液；11.压电陶瓷；12.信号发生器。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1所示，本发明所述一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，包括计算机1、频谱分析仪2、数据处理单元3、弱光栅5、弱光纤光栅传感器6、楔形块9与超声激励装置，超声激励装置固定于楔形块9上，楔形块9固定于被测金属件8的一端，弱光纤光栅传感器6的测量单元为两个弱光栅5的中间段，弱光纤光栅传感器6固定于被测金属件8的另一端，弱光纤光栅传感器6通过光缆4连接于数据处理单元3，数据处理单元3连接于频谱分析仪2，频谱分析仪2连接于计算机1。以上所述构成本发明基本结构。
本发明采用这样的结构设置，其工作原理：通过超声激励装置产生特定频率的超声波信号传入到被测金属件8当中，然后弱光纤光栅传感器6拾取到被测金属件8中的超声波信号通过光缆4送入数据处理单元3中，获取相应的数字信号，由数据处理单元3将数字信号传送到频谱分析仪2进行频谱分析，最终传送到计算机1的分析***及模态识别***软件，分析采集到的未出现损伤时的频率分布图谱，与发生损伤时的图谱比较，当被测金属件8中出现损伤时，所测波形中将出现新的波包，然后通过损伤前后新增波包到来的时刻确定缺陷的位置，实现了对机械结构的探伤与缺陷定位。实现对机械结构的安全监测，增强机械结构运行安全性，该***适应长期在线监测、灵敏度高、精度高、稳定性好、便于维修和保养。
实际应用中，弱光纤光栅传感器6的测量单元为两个弱光栅5的中间段，可以实现分布式测量，其长度为光栅间距，可根据实际需求定制，由于光栅长度相比于光栅间距可以忽略不计，所以该***可以实现分布式测量。
实际应用中，所述的计算机1上预先设有分析***及模态识别***软件。
实际应用中，所述的数据处理单元3中预先设有相应的数字信号。
更具体而言，所述超声激励装置包括压电陶瓷11与信号发生器12，信号发生器12连接于压电陶瓷11，压电陶瓷11通过超声传导耦合液10贴合在楔形块9上。采用这样的结构设置，可以调节超声波的幅值及频率。
实际应用中，通过调节信号发生器12的输入信号来激励压电陶瓷11产生特定频率的超声波信号。
更具体而言，所述压电陶瓷11通过超声传导耦合液10贴合在楔形块9的斜面上，楔形块9的平面通过超声传导耦合液10贴合在被测金属件8的一端。
实际应用中，所述楔形块9介于超声激励装置与被测金属件8之间，先根据理论算出超声波信最佳入射角度，然后再选用相同倾斜角度的楔形块9，则可以将超声波的入射角度调节到最佳状态。
更具体而言，所述超声传导耦合液10采用医用超声耦合液。保证超声波的良好穿透，较大的减少了超声波在介质中传播的损耗，并且是有完全水溶性不损害超声激励装置和被测金属件8。
更具体而言，所述弱光纤光栅传感器6通过胶粘剂7贴合在被测金属件8的另一端。
更具体而言，所述胶粘剂7采用AB胶。其不仅可以将弱光纤光栅传感器稳定的固定在被测金属件8表面，还能较大的减少所探测到的超声波信号的损耗。
更具体而言，所述弱光纤光栅传感器6为高频弱光纤光栅振动传感器。该传感器能够响应到5000Hz左右的超声波信号，当弱光纤光栅传感器6所测波形中出现新的波包时，可通过损伤前后新增波包到来的时刻确定缺陷位置。
更具体而言，所述弱光纤光栅传感器6与超声波声轴线同轴布置。采用这样的结构设置，由于光纤光栅具有轴向应变敏感性，而超声能量主要集中在声轴线上，则同轴布置更易于检测到超声波信号。
以上对本发明实施例中的技术方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：包括计算机(1)、频谱分析仪(2)、数据处理单元(3)、弱光栅(5)、弱光纤光栅传感器(6)、楔形块(9)与超声激励装置，所述超声激励装置固定于楔形块(9)上，所述楔形块(9)固定于被测金属件(8)的一端，所述弱光纤光栅传感器(6)的敏感单元为两个弱光栅(5)中间的光纤段，所述弱光纤光栅传感器(6)固定于被测金属件(8)的另一端，所述弱光纤光栅传感器(6)通过光缆(4)连接于数据处理单元(3)，所述数据处理单元(3)连接于频谱分析仪(2)，所述频谱分析仪(2)连接于计算机(1)。
2.根据权利要求1所述的一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：所述超声激励装置包括压电陶瓷(11)与信号发生器(12)，所述信号发生器(12)连接于压电陶瓷(11)，所述压电陶瓷(11)通过超声传导耦合液(10)贴合在楔形块(9)上。
3.根据权利要求2所述的一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：所述压电陶瓷(11)通过超声传导耦合液(10)贴合在楔形块(9)的斜面上，所述楔形块(9)的平面通过超声传导耦合液(10)贴合在被测金属件(8)的一端。
4.根据权利要求3所述的一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：所述超声传导耦合液(10)采用医用超声耦合液。
5.根据权利要求1所述的一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：所述弱光纤光栅传感器(6)通过胶粘剂(7)贴合在被测金属件(8)的另一端。
6.根据权利要求5所述的一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：所述胶粘剂(7)采用AB胶。
7.根据权利要求5所述的一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：所述弱光纤光栅传感器(6)为高频弱光纤光栅振动传感器。
8.根据权利要求5所述的一种超声激励弱光纤光栅的机械结构探伤与缺陷定位***，其特征在于：所述弱光纤光栅传感器(6)与超声波声轴线同轴布置。
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