美军首创用于结构健康监测的光纤激光传感器热交换机

2019-08-24 04:10

近日,来自美国海军研究实验室(NRL)光学科学部与材料科学部的研究人员合作,成功地使用分布式反馈光纤激光声发射传感器检测出了铆接搭接接头中裂纹产生的声发射信号。

利用光纤激光声发射传感器对铆接搭接接头进行缺陷检测:该图显示了左上方搭接接头中铆钉之间裂缝的萌生和生长现象。光纤激光传感器(见右上方的插图)安装在检测结构上,测量由裂纹缺陷所产生的声发射信号,相关软件将其记录为声事件(AE event)。一个典型的数据记录如右下图所示。从图中可以发现,当缺陷生长时,AE event振幅将会大大增加。图片来源:美国海军研究实验室。

“我们研究了一种现场结构健康监测(SHM)自动化系统,它能有效监控结构的关键参数,例如温度、内应力、冲击以及裂纹缺陷等;并且能在结构损伤情况达到临界水平之前可靠地将其检测出来,以增加结构安全性和信息反馈速度,同时降低海军平台的操作成本”,来自光学科学部的物理学家Geoffrey Cranch博士说道:“目前,还没有一个美国军种使用原位技术来管理设备结构健康”。为了实现这一目标,最关键的是需要一种能够近乎实时检测出与裂纹等缺陷的出现和增长相关的声发射信号的传感器。并且,这类传感器必须比现有的大多数电子产品更小、更轻、易于操控,敏感度相当或有所提高。最终目的就是要使得这些组件的系统占用空间小,且可靠性高。

由美国海军研究办公室(ONR)材料科学部提供部分研究资金,NRL正在研制一种激光传感器,它的宽度约为人类头发丝那样的宽度。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,并测量了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。

这种嵌入式的传感器可以用于解决铆接件周期性“微动磨损”的声事件以及检测来自裂纹的声发射信息。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之间建立起关联。

除了裂纹检测,这种光纤激光传感器还能够有效检测冲击损害影响,此外,该传感器还具有能够与现有光纤应变和温度传感系统进行集成的潜力。这为满足现场结构健康监测体系的操作安全要求提供了一种多参数传感能力,值得一提的是,这还将显着降低整体的成本费用。

“我们的研究团队已经证明了这种光纤激光传感技术能够在模拟疲劳环境中检测到裂纹产生的超声波声发射信号的能力”,Cranch说道:“这项研究的新颖之处主要在于光纤激光传感技术以及它的应用方式等”。

从裂纹等缺陷中产生的声信号还可以通过采用压电式传感器进行测量,并且这项技术还促进了现有的故障预测工作。然而,压电传感技术由于其设备体积较大且分布式监测能力有限,因此在许多方面中并不具有太大的实用性。

Cranch强调这项技术将有可能应用在除军事领域以外的许多方面。“我们的研究及应用重点是海军等国防方面,例如飞机、舰船和潜艇等。如果一些桥梁或者建筑物结构中含有易受疲劳和失效影响的关键部件,那么该技术同样可以用于对这些结构进行连续监测”。

目前,还没有其它的本征型光纤传感器能够与光纤激光声发射传感器在实验室中测试所达到的性能相匹敌。与一些现有的电传感技术相比,光纤激光传感器已经被证明具有相当的甚至更高的声发射信号敏感性。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,该研究小组正在进行的工作主要为理解并解释这些声发射数据以计算出一些有用的指标参数(例如故障几率等)。未来的改进方向则主要集中在实现相控阵波束形成技术,以有效确定裂纹等缺陷的具体位置方面。

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