环形腔全光纤F-P干涉仪的声发射检测实验研究

提出了一种新型结构的用于声发射检测的全光纤F-P干涉仪。选用2×2光纤耦合器,将耦合器的一个入射端与一个出射端焊接相连,以耦合器代替传统的反射腔面,构成光纤环形传输腔,腔体贴附或埋入待测固体中检测声发射信号。通过理论推导和计算机仿真,确定了此结构光纤传感器的检测特性。实验以大理石板作为待测介质,对利用信号发生器驱动PZT（压电陶瓷）作为已知超声源在大理石板中产生的连续型声发射信号,及冲击波作用下大理石板中产生的突发型声发射信号进行了检测,并利用Fourier变换,得到了声发射信号的特征频率。实验结果表明,此种结构传感器能够检测材料结构中促使光纤轴向伸缩长度的量级为10-8m的声发射信号并识别其特征频率,该结构光纤传感器无需光程的匹配,适用于大尺度构件的监测,为材料结构健康检测与监控提供了一种新的方法。     

双Fabry-Perot干涉腔型光纤声发射传感器

设计了一种新型的双Fabry-Perot腔光纤传感器用于材料损伤引起的声发射信号检测。基于低细度Fabry-Perot腔多光束干涉原理,建立了光纤Fabry-Perot传感器检测声发射信号的数学模型。分析双Fabry-Perot腔正交点稳定工作机制,设计并制作了具有双Fabry-Perot腔结构的光纤声发射传感器来保持传感器正交点的稳定性。通过模拟AE信号检测与热应力干扰实验对设计的传感器进行了实验验证。实验一通过冲击振动与折断铅笔芯产生两类模拟声发射信号,使用商用的压电传感器和光纤传感器进行对比实验,结果表明光纤传感器能够成功检测到两类模拟声发射信号,灵敏度为12.9nm,带宽达到30kHz。实验二对传感器进行工作点稳定测试,结果表明双F-P腔的控制机制能够保证传感器工作在正交点,解决了传感器输出信号衰减的问题。     

基于光纤光栅阵列和MVDR算法的声发射定位

基于光纤光栅(FBG)传感器网络构建了声发射检测系统,并提出了最小方差无失真响应(MVDR)的声发射源定位方法。构建的系统由7个FBG传感器组成传感器线阵列,采用未经平坦的放大自发辐射(ASE)光源边缘滤波实现信号解调。利用Shannon小波变换从频散复杂的声发射信号中提取窄带信号,并基于MVDR算法扫描整个监测区域获取空间谱。根据空间谱函数计算输出值,并将计算的输出值作为像素值。最后,通过提取空间谱中的最大值的坐标确定声发射源的位置。在LY12铝合金板上进行了实验验证。结果表明,该方法在400mm×400mm的区域内,声发射定位的最大误差为9.4mm,平均误差为7.2mm,耗时小于3s。该系统具有较高的实时性和定位精度,是一种声发射源定位的新方法。     

泄漏声发射传感器性能检测技术研究

提出了利用压电晶体逆压电效应作为标准声源的声发射传感器的性能检测方法。在此基础上,设计实现了基于比较检测法的泄漏声发射传感器性能检测系统,并应用到泄漏声发射传感器辐照后的性能检测中。检测结果和传感器使用效果表明,该方法用于声发射传感器性能检测是可行的。     

基于Sagnac光纤声发射传感器研究

基于光纤Sagnac干涉效应,建立一套光纤声发射传感系统,并分析其系统构成和测量原理,建立标准声发射采集系统并进行室内实验,完成对三个声源信号:断铅信号、摩擦信号和敲击信号的采集测试。实验结果表明,与传统声发射检测系统相比,新型光纤Sagnac声发射检测系统具有整体简单,操作简易,设备体积小等优点。     

声发射与超声波同时敏感的光纤光栅传感网络研究

针对声场分布的特点和光纤光栅的轴向应变敏感性,提出一种同时进行声发射和超声测量的扇形光纤光栅传感网络。搭建了光纤光栅高速波长解调系统,实验研究了声发射、超声波单独作用和联合作用下传感网络的信号响应强度和时频特性。实验表明,该传感网络可进行声发射与超声信号的同时测量,并可检测到非线性超声现象;声场扩散角内轴向布置的光纤光栅声响应强度高,而横向布置的光纤光栅对声信号不敏感。     

新型PVDF声发射传感器的设计方法及应用

基于声发射技术研制了一种新型PVDF压电传感器。介绍了声发射传感器的结构、工作原理以及声发射传感器压电元件、背衬材料、声匹配层和前置放大器接口电路设计对传感器灵敏度、分辨率和信噪比的影响。利用美国物理声学公司声发射信号数据采集处理DiSP系统进行了断铅信号采集试验。测试结果表明：设计的新型PVDF声发射传感器对断铅信号具有宽频带响应。应用研制的新型PVDF声发射传感器、数字示波器和计算机组成的数据采集处理系统对4M20氮氢气压缩机六段排气阀进行了状态监测，结果表明新型声发射传感器能够用于设备状态监测，设计方法可行。     

基于声发射信号的钢桶泄漏特性试验研究

基于企业验漏需求,设计搭建了钢桶泄漏试验台和钢桶泄漏声发射信号检测系统。通过实验研究了不同泄漏工况下,钢桶泄漏产生的声发射信号特性。试验表明钢桶泄漏声发射信号频域特征出现在90~100k Hz。通过小波包分解,提取了90~100k Hz频段的能量作为泄漏特征。得到了钢桶的泄漏能量特征和信号均方根值(RMS)随泄漏孔径尺寸、钢桶内部加压压力和声发射传感器位置的变化规律。建立了基于钢桶声发射信号的泄漏检测规则,为实际应用过程中选择泄漏特征参数、加压压力和选择传感器位置及个数提供了参考。     

基于LabVIEW的声发射采集分析系统研发北大核心CSCD

针对声发射技术应用于结构健康监测时面临的硬件系统及传感器价格昂贵、分析软件自行扩展困难、无法实现大规模数据采集与分析的问题,基于LabVIEW平台开发了声发射采集分析系统,实现了声发射信号的采集、存储与分析等功能。在一块铝板表面安装压电陶瓷传感器并进行了断铅试验,通过采集信号并计算得出了声发射特征参数,验证了采集系统的可行性。最后在铝板上进行了声发射源的定位实验研究,结果表明测定的声发射源位置与实际位置误差范围在5%之内,证明了开发的声发射分析系统的准确性。     

光纤光栅传感器阵列在撞击定位监测中的应用

本文提出基于半导体环形激光器的光纤传感阵列系统,用于在铝板上撞击定位监测。采用光纤法布里-珀罗(F-P)标准具对光纤布拉格光栅(FBG)传感器信号进行解调。施加在FBG传感器的应变被编码为FBG反射光的波长位移,然后由自由光谱范围为50 GHz的光纤F-P标准具转换为强度调制。通过波分复用技术,光纤F-P标准具可同时解调多个FBG信号,光纤传感阵列系统安装在厚度为1 mm的铝板上,50 g的小钢球在20 cm的高度自由下落撞击铝板产生声发射信号。利用时频小波分析,从测量的FBG传感器瞬态响应中获得的Lamb波的群速度频散曲线,并根据三角定位算法,确定撞击点的坐标。经过撞击试验,通过本系统和定位算法的平均定位精度误差在30.89 mm,达到了较好的精度。     

基于光纤光栅和支持向量机的声发射定位系统

利用光纤光栅传感器和边缘滤波原理构建传感系统,结合小波分解与重构和支持向量机算法,对铝合金板声发射定位进行了研究。根据划分区域进行声发射实验,探索声发射源所在区域与信号特征之间的关系。在对声发射信号进行小波分解的基础上,使用近似系数和细节系数进行重构,并对重构后的各信号计算其振荡能量作为信号特征,进行声发射区域识别。以重构信号的振荡能量作为输入、声发射区域位置类别作为输出构建支持向量机多分类模型,实现了声发射区域定位识别。实验结果表明,在400mm×400mm×2mm的铝合金板上对36个测试样本进行了多次声发射区域定位识别,在180次模拟实验中实现了176次声发射区域准确定位,正确率达到97.78%,声发射区域识别精度为30mm×30mm。该研究结果为机械结构的声发射区域定位检测提供了有效方法。     

耦合型单模光纤传感器用于振动测量研究

讨论了一种以单模光纤耦合器的熔融区为敏感单元的耦合型单模光纤传感器。分析了该传感器的敏感机理,依据单模光纤耦合器耦合输出与耦合区长度和折射率的函数关系,提出该种传感器可实现振动测量。搭建了基于等强度悬臂梁的振动检测系统,通过与压电振动传感器的对比测试表明该传感器可更好地实现振动信号的测量,并分析了其振动响应特性。实验证明耦合型单模光纤传感器可以用于振动信号的测量。     

基于声发射技术的损伤诊断Agent研究

为解决实际大型结构的健康监测问题,首先针对大型铝板结构建立了多Agent系统,整个多Agent系统可实现压电传感器、光纤传感器、应变片传感器等不同传感器的选取和自组网络,自动实现声发射源监测、紧固件松动、应变分布监测等三种典型损伤监测。介绍了作为整个系统实现的基础工作之一的基于声发射技术的损伤诊断Agent的构造过程。通过具体试验,基于声发射技术,集成不同的时延判定方法,针对铝板、环氧板、碳纤维板进行了声发射源定位的诊断Agent研究。     

混凝土结构中PZT传感器的多功能性分析及应用

针对混凝土结构被动监测中的压电陶瓷(也称锆钛酸铅,Pb-based lead zirconium titanate,简称PZT)传感器信号的多功能特性,提出了PZT传感器不同用途信号的提取方法。根据不同功能信号的频率范围差异,通过小波Mallat分解,得到用于反映结构整体动态信息的振动信号以及局部断裂破坏引起的声发射信号,通过与加速度传感器和声发射传感器信号比较,验证了提取方法的正确性,并将该方法应用到钢筋混凝土框剪结构模型地震破坏试验的实时监测中。试验结果表明,应用该方法提取到的振动信号能准确测得结构主频率等结构的动态信息,声发射信号部分能清楚捕捉局部损伤引起的能量释放情况。应用该方法可准确提取出结构的振动信号和声发射信号,利用同一PZT传感器能够实时评估和监测结构的整体动态特性和局部损伤状况。     

声发射技术在航空维修中的应用进展

本文简要介绍了声发射检测的原理和适用范围,以及谐振式声发射传感器与光纤传感器的特点。并阐述了目前声发射检测技术在航空构件疲劳裂纹监测、复合材料监测以及飞机结构健康监测等方面的应用进展。     

结构声发射的数值模拟及实验研究

由于声发射源产生的瞬态弹性波会在传播过程中产生各种频率和模态的声发射信号,这给应用声发射技术进行无损检测带来一定困难。针对声发射信号在实际介质中传播的复杂性,为了研究弹性波的传播对波形的影响,提出了利用有限元方法模拟声发射信号在薄铝板的传播及几何形状边界反射过程,得到声发射波形的时域特征,进一步分析了声发射信号在铝板中的传播特性;搭建了与有限元模型相应的声发射断铅实验系统来采集断铅信号。试验及研究结果表明,利用声发射断铅实验系统获得的信号与有限元计算方法得到的模拟信号基本吻合,说明有限元数值计算方法可以作为分析声发射信号传播过程的一种手段;该结果为基于声发射的结构缺陷检测技术提供了数值模型,同时声发射技术用于无损检测也有了更精确的理论基础。     

两点封装的光纤布拉格加速度传感器设计

提出了一种双半孔梁光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器实现加速度信号测量的方法.首先,建立了两点封装FBG的加速度传感模型,理论分析了加速度与位移敏感点的线性响应.其次,从理论上分析了两点封装方案中FBG的自振特性,讨论了封装光纤的长度和预应力对光纤自振频率的影响.最后,依据FBG的自振特性设计了FBG加速度传感器,并通过实验研究了FBG加速度传感器的线性响应和幅频响应特性.实验结果表明:提出的传感器在10～250 Hz具有较好的平坦区,加速度响应灵敏度为41.2pm/G;加速度与波长具有较好的线性关系,线性度为99.8％.同时,该加速度传感器具有较强的方向抗干扰性,轴向交叉灵敏度小于4.8％.     

基于FBG和BP神经网络的声发射定位方法

针对传统基于神经网络的声发射定位选择的样本不具有广泛代表性的问题,提出了基于光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,简称FBG)传感和反向传播(back propagation,简称BP)神经网络的声发射定位技术。该方法使用提取的窄带信号间时差作为样本,无需考虑损伤特性及波速对定位的影响,同时使用Levenberg-Marquardt(简称LM)算法训练样本,提高了BP神经网络的训练速度。在500mm×500mm的铝合金板上进行实验,声发射定位的平均误差为6.65mm,验证了该方法的有效性和准确性。     

表面弹性波OPCM传感器的标定

标定了一种被称为正交异性压电复合材料(OPCM)的声发射(AE)传感器.利用断铅信号作为声源,SR-15型AE传感器作为标准传感器,以比较法研究了OPCM的脉冲响应.在玻璃纤维板上重点研究了OPCM的正交异性特性--陶瓷项数量的影响及响应规律的描述.实验结果表明,该传感器适于探测表面弹性波,陶瓷项数达到30,正交异性显著,能够很好地减小噪声、边界回弹波等信号对诊断信号的干扰,有助于板类结构健康监测.     

声发射技术在压缩机故障检测中的应用

研究了声发射传感器在压缩机故障检测中的应用,对声发射检测和振动检测方法的异同进行了分析和比较,介绍了应用于压缩机故障检测的声发射传感器的结构原理,用自行开发的传感器进行了压缩机故障信号的检测分析。