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光纤激光传感器用于结构健康监测

导读: 美国海军研究实验室的一位光学部的研究物理学家Geoffrey Cranch博士称,目前没有一个美国军种在使用原位技术来管理其设备的结构健康。

  美国海军研究实验室(NRL)的一位光学部的研究物理学家Geoffrey Cranch博士称,目前没有一个美国军种在使用原位技术来管理其设备的结构健康。他称:“一个自动的、原位结构健康监测(SHM)系统能够监测关键结构参数,如温度、应变、冲击和裂纹,能够在损坏达到严重等级之前可靠地检测损坏。”为此,需要那些可以近实时地检测与裂纹出现和增长相关的声发射信号的传感器。这类传感器必须比现有的电子产品更小更轻,敏感度相当或有所提高,体积更小。

  由美国海军研究材料科学部提供部分投资,NRL正在研制一种激光传感器,宽度约为头发丝宽。在测试过程中,研究人员在一组铝铆接件中安装了分布式的反馈光纤激光声发射传感器,并测量两个小时加速疲劳试验中产生的一个0.5MHz带宽的声发射信号,同时利用一个等同的电传感器进行测量。

  嵌入式传感器用于解决铆接件定期“表面磨损”的声事件以及来自裂纹信息的声发射。对搭接处的延时成像,将可以使观测到的断裂与测量的信号建立起关联。

  除了裂纹检测外,光纤激光传感器还证明了能够测量损害影响,并有潜力能够与现有光纤应变和温度传感系统进行集成。这为满足SHM系统的安全性要求提供了一种多参数传感能力,并能够显著降低总拥有费用。

  “我们研究团队验证了该光纤激光技术能够在模拟的疲劳环境中检测来自裂纹的超声波声发射,这项工作的新的部分是光纤激光技术以及它如何应用。”

  来自裂纹的声信号还可以使用压电传感器进行测量,该技术已经驱动了现有的失效预测工作。但是,Cranch称压电技术由于其几何尺寸大以及多路能力有线,在许多应用中不具有实用性。

  Cranch相信该技术在军事之外的领域也具有较大潜力,他称重点是海军平台,如飞机、舰船和潜艇,但该技术还可以用在民用飞机以及桥梁和建筑上。

  目前,没有其他的光纤传感器能够匹敌光纤激光声发射传感器在实验室中达到的性能。光纤激光传感器已经证实了与现有电传感器的声敏感性相当、甚至更高。该系统已经可以将多个光纤激光传感器集成到一束光纤中。目前的工作正在解释声发射数据,以计算失效概率等有用的指标。 

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