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美國研發新型光纖激光傳感器 可用于橋梁結構等監測

2017-02-16 272

近日,來自美國海軍研究實驗室(NRL)光學科學部與材料科學部的研究人員合作,成功地使用分布式反饋光纖激光聲發射傳感器檢測出了鉚接搭接接頭中裂紋產生的聲發射信號。

利用光纖激光聲發射傳感器對鉚接搭接接頭進行缺陷檢測:該圖顯示了左上方搭接接頭中鉚釘之間裂縫的萌生和生長現象。光纖激光傳感器安裝在檢測結構上,測量由裂紋缺陷所產生的聲發射信號,相關軟件將其記錄為聲事件(AE event)。

“我們研究了一種現場結構健康監測(SHM)自動化系統,它能有效監控結構的關鍵參數,例如溫度、內應力、沖擊以及裂紋缺陷等;并且能在結構損傷情況達到臨界水平之前可靠地將其檢測出來,以增加結構安全性和信息反饋速度,同時降低海軍平臺的操作成本”,來自光學科學部的物理學家Geoffrey Cranch博士說道:“目前,還沒有一個美國軍種使用原位技術來管理設備結構健康”。為了實現這一目標,關鍵的是需要一種能夠近乎實時檢測出與裂紋等缺陷的出現和增長相關的聲發射信號的傳感器。并且,這類傳感器必須比現有的大多數電子產品更小、更輕、易于操控,敏感度相當或有所提高。目的就是要使得這些組件的系統占用空間小,且可靠性高。

由美國海軍研究辦公室(ONR)材料科學部提供部分研究資金,NRL正在研制一種激光傳感器,它的寬度約為人類頭發絲那樣的寬度。在測試過程中,研究人員在一組鋁鉚接件中安裝了分布式的反饋光纖激光聲發射傳感器,并測量了兩個小時加速疲勞試驗中產生的一個0.5MHz帶寬的聲發射信號,同時利用一個等同的電傳感器進行測量。

這種嵌入式的傳感器可以用于解決鉚接件周期性“微動磨損”的聲事件以及檢測來自裂紋的聲發射信息。對搭接處的延時成像,將可以使觀測到的斷裂與測量的信號之間建立起關聯。

除了裂紋檢測,這種光纖激光傳感器還能夠有效檢測沖擊損害影響,此外,該傳感器還具有能夠與現有光纖應變和溫度傳感系統進行集成的潛力。這為滿足現場結構健康監測體系的操作安全要求提供了一種多參數傳感能力,值得一提的是,這還將顯著降低整體的成本費用。

“我們的研究團隊已經證明了這種光纖激光傳感技術能夠在模擬疲勞環境中檢測到裂紋產生的超聲波聲發射信號的能力”,Cranch說道:“這項研究的新穎之處主要在于光纖激光傳感技術以及它的應用方式等”。

從裂紋等缺陷中產生的聲信號還可以通過采用壓電式傳感器進行測量,并且這項技術還促進了現有的故障預測工作。然而,壓電傳感技術由于其設備體積較大且分布式監測能力有限,因此在許多方面中并不具有太大的實用性。

广西体彩网強調這項技術將有可能應用在除軍事領域以外的許多方面。“我們的研究及應用重點是海軍等國防方面,例如飛機、艦船和潛艇等。如果一些橋梁或者建筑物結構中含有易受疲勞和失效影響的關鍵部件,那么該技術同樣可以用于對這些結構進行連續監測”。

广西体彩网目前,還沒有其它的本征型光纖傳感器能夠與光纖激光聲發射傳感器在實驗室中測試所達到的性能相匹敵。與一些現有的電傳感技術相比,光纖激光傳感器已經被證明具有相當的甚至更高的聲發射信號敏感性。該系統已經可以將多個光纖激光傳感器集成到一束光纖中。目前,該研究小組正在進行的工作主要為理解并解釋這些聲發射數據以計算出一些有用的指標參數(例如故障幾率等)。未來的改進方向則主要集中在實現相控陣波束形成技術,以有效確定裂紋等缺陷的具體位置方面。

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