一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法

摘要

本发明公开了一种基于光纤布拉格光栅传感器的局部裂纹实时监测方法，属于结构健康监测技术领域。裂纹尖端的应变分布具有明显的不均匀特性，当光纤布拉格光栅传感器在其栅点长度方向上受到非均匀应变时，反射光谱的形状与位置会发生变化。且应变梯度不同，其光谱变化程度不同。将结构待监测部位简化，并进行有限元分析得到不同裂纹长度下的应变分布，据此确定传感器的布局，提取反射光谱变化的特征参量，建立其与裂纹长度的定量关系，从而实现在有限长度范围内裂纹的实时监测。沿裂纹扩展方向布置若干传感器，使相邻传感器之间的距离小于等于后一传感器的有效检测范围，即可实现对任意规定长度的裂纹的实时监测。

主权项

一种基于光纤布拉格光栅的孔边裂纹实时监测方法，对局部裂纹进行实时监测，具体包括以下几个步骤：第一步，截取结构中待监测部位，简化并进行受力分析，确定简化结构受到的外力，确定试验条件，包括载荷类型及其相关参数；同时，明确监测需求，包括需要监测的裂纹阈值长度和精度α；根据确定的试验条件，对简化结构进行有限元分析，得到裂纹扩展到不同长度时其应变分布；第二步，沿裂纹扩展方向布置n个传感器，分别为FBG₁，FBG₂，…,FBG_n，每一传感器栅点轴向均与裂纹扩展方向垂直；沿裂纹扩展方向为x轴，与裂纹扩展方向垂直的方向为y轴，根据应变分布的有限元结果，确定每一传感器栅点中心的坐标(x_i,y_i)，使其栅点长度方向上感应到应变梯度，栅点远离裂纹的端点的应变梯度大于10^‑4mm^‑1，则每一传感器i在裂纹扩展方向上的有效监测范围为(x_i‑1,x_i]，i＝1,2,…,n；x₀＝0；第三步，根据试验条件，对简化结构在实验室中进行疲劳试验，每当裂纹增量A，记录相应的裂纹长度，并采集传感器的反射光谱；第四步，提取所采集到的FBG传感器反射光谱的特征参量；随着裂纹逐渐向传感器的靠近，FBG传感器栅点长度方向所受到的应变分布不断变化，使得其反射光谱形状和位置发生变化，提取反射光谱特征参量，设归一化峰值为β₁，归一化展宽为β₂：${\beta }_1=\frac{r}{r_0};{\beta }_2=\frac{\Delta \lambda }{{\mathrm{\Delta \lambda }}_0}---\left(1\right)$其中，r为反射率峰值，△λ为当反射率为0时对应两波长之差即展宽，r₀、△λ₀分别为传感器的初始反射率峰值和展宽；第五步，分别建立每一传感器在其有效监测范围内，其反射光谱特征参量与裂纹扩展长度之间的定量模型，以两特征参量β₁、β₂为自变量，裂纹长度为因变量，采用多元回归分析的方法对每一传感器分别进行建模，对于第i个传感器：$a=f_i({\beta }_1,{\beta }_2)=k_{i0}+k_{i1}{\beta }_1+k_{i2}{\beta }_2+k_{i3}{\beta }_1^2+k_{i4}{\beta }_2^2---\left(2\right)$其中：a∈(x_i‑1,x_i]；i＝1,2,...,n，x₀＝0；f_i为第i个传感器特征参量与裂纹长度的回归模型；β₁、β₂分别为归一化峰值和归一化展宽，k_ij为第i个传感器回归模型的回归系数，j＝0,1,2,3,4；第六步，判断裂纹扩展至哪一传感器的有效监测范围之内，设：ε_t＝|a_t‑x_i|     (3)其中，a_t为传感器在t时刻所输出的裂纹长度，x_i为第i个传感器的横坐标，当第i个传感器在t时刻则判断裂纹扩展至第i‑1个传感器的有效检测范围；完成判断后，采集相应传感器的光谱信号，提取特征参量并带入定量模型式(2)，得到f_i(β₁,β₂)，实现对裂纹的实时监测。