基于光纖傳感的系統(tǒng)損傷識別的實驗研究*

陳玉林,陳慧琴,黃麗薇

(東南大學成賢學院電子工程系,南京 210088)

基于光纖傳感的系統(tǒng)損傷識別的實驗研究*

陳玉林*,陳慧琴,黃麗薇

(東南大學成賢學院電子工程系,南京 210088)

光纖光柵傳感器在工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中具有廣泛的應用。基于光纖傳感的系統(tǒng)參數(shù)識別方法,搭建鋁梁結(jié)構(gòu)的光纖傳感測量系統(tǒng),通過測量鋁梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)并對參數(shù)進行分析,來判斷鋁梁結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷;在此基礎上,通過分析光纖光柵傳感器測量所得的大量數(shù)據(jù),對鋁梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的損傷進行定位。實驗研究結(jié)果表明該方法能夠較好地監(jiān)測結(jié)構(gòu)損傷并對損傷進行定位,很大程度上減少結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全隱患,在現(xiàn)代工程應用中具有重要的意義。

光纖光柵;損傷識別;模態(tài)識別

隨著我國經(jīng)濟科技的快速發(fā)展,現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的發(fā)展逐漸呈現(xiàn)大型化、復雜化、功能化的趨勢。但由于工作環(huán)境的復雜化,使得結(jié)構(gòu)自身的損傷形式也不斷地多樣化,且沖擊、振動、極端環(huán)境等極易引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生隱蔽性較強的損傷[1-4]。而這些損傷都無法從表面觀察到,可能會造成重大的安全事故。因此,如何及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的損傷情況,并采取相應的有效措施對結(jié)構(gòu)進行修復,對于減少結(jié)構(gòu)安全隱患具有重要的研究意義。

光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器[5]。由于其具有電絕緣性能好、抗電磁干擾強、靈敏度高和易實現(xiàn)遠距離監(jiān)控等優(yōu)點,被廣泛應用于航空航天,土木工程等領域。1978年,加拿大的Hill K O[6]及其合作者首次從摻鍺光纖中觀察到了光子誘導光柵。其后,1983年Varnham[7]等制作出基于偏振效應的光纖傳感器,實現(xiàn)應變測量的局部化。1989年,Meltz G[8]等人提出了橫向全息成柵技術,使得光纖光柵傳感器的制作技術有了極大進步。1993年,Hill[9]等人提出了相位掩模寫入技術,并使得光柵的批量生產(chǎn)成為可能。在發(fā)展的初期,光纖光柵傳感器主要應用于混凝土結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測。隨后,日本、美國和瑞士科學家將該技術成功地應用于地基、橋梁和大壩等復雜結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測,光纖光柵傳感器的應用得到了很大的發(fā)展[10-11]。近年來,國內(nèi)許多高校和科研單位對光纖光柵傳感器進行了大量研究,并取得了較大成果。例如,武漢理工大學光纖傳感技術國家重點工業(yè)性試驗基地已成功研制出能分別測量應力、溫度、振動和加速度等光纖光柵傳感器[12-14],在光纖光柵傳感器的理論和應用技術研究領域處于國內(nèi)領先水平;2003年北京品傲光電科技有限公司生產(chǎn)的光纖光柵傳感系統(tǒng)被應用于深圳會展中心的健康監(jiān)測中,實現(xiàn)了對結(jié)構(gòu)主體施工期和服役期的健康監(jiān)測[15-21]。光纖光柵傳感器主要分為:均勻周期光纖光柵和非均勻周期光纖光柵。文中所使用的光纖布拉格光柵為均勻周期光纖光柵。

本文主要以鋁梁結(jié)構(gòu)為研究對象,搭建模態(tài)實驗系統(tǒng)和光纖傳感測量實驗系統(tǒng)。通過模態(tài)實驗分析,對比各實驗組在實驗過程中記錄的模態(tài)參數(shù),如固有頻率、阻尼、模態(tài)振型,從定性角度判斷結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷;在此基礎上,進行局部的光纖傳感測量實驗,將實驗測得的光纖信號數(shù)據(jù)通過MATLAB編程轉(zhuǎn)變?yōu)閼冃盘?并得出相應的頻響函數(shù),通過比較各實驗組特定頻率下的頻響函數(shù)值來確定損傷的位置。該研究可以很大程度上降低結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全隱患。

1 光纖光柵傳感原理

光纖光柵傳感器如圖1所示,每根傳感器均具有特定的柵距,當激光通過光纖光柵時,特定波長的光被反射回來從而被光纖光柵傳感解調(diào)儀所接收。反射光的中心波長為:

λ=2nneffΛ

(1)

式中:λ為反射的波長;nneff為有效折射率;Λ為柵距。

圖1 光纖光柵傳感器

溫度和變形均會引起柵距和有效折射率的變化,從而使光纖光柵傳感器的中心波長發(fā)生變化,由于本實驗在室溫環(huán)境下進行,且完成時間較短,可認為本實驗傳感器中心波長的變化全部由變形導致。其引起的中心波長變化可用式(2)表示:

Δλε=λ(1-Pe)ε=Kεε

(2)

式中:Pe為光纖光柵的彈光系數(shù),對于石英光纖Pe=0.22;Kε為光纖光柵傳感器的靈敏度,對于中心波長為1 540 nm的光纖光柵傳感器Kε≈1.2 pm/με。

2 實驗系統(tǒng)搭建

2.1 實驗梁的設計與準備

本實驗一共設計并制作了尺寸為860 mm×24 mm×2 mm的3根鋁梁,將其等分為8段,并對每段的節(jié)點處進行標號。通過對3根鋁梁加工,來引入初始缺陷,其中:1根無初始損傷(圖2(a));2根含有初始損傷(損傷狀態(tài)A和損傷狀態(tài)B),損傷情況如表1和圖2(b)、圖2(c)所示。

表1 各單元損傷工況

圖2 3種損傷情況鋁梁示意圖

2.2 模態(tài)實驗系統(tǒng)

在模態(tài)參數(shù)提取實驗中,主要利用AZ308數(shù)據(jù)采集箱對力錘敲擊的信號和加速度傳感器檢測到的信號進行采集,并將采集到的信號傳輸給AZ804信號調(diào)理儀,接著對信號進行簡單處理,最后將信號輸出給計算機進行模態(tài)參數(shù)提取,如圖3所示。

圖3 模態(tài)參數(shù)提取實驗系統(tǒng)

2.3 光纖傳感測量實驗系統(tǒng)

實驗中,共粘貼9根光纖光柵傳感器,分別位于1～9號節(jié)點處,通過部分串聯(lián)的形式,最終以4條通路連接到SM130光纖光柵傳感解調(diào)儀。主要利用AZ308數(shù)據(jù)采集箱對力錘敲擊的信號進行采集,并將采集到的信號傳輸給AZ804信號調(diào)理儀,對信號進行簡單處理,再將信號輸出給計算機A。利用SM130光纖光柵傳感解調(diào)儀對光纖光柵傳感器的信號(中心波長)進行接收和解調(diào),并將讀取的中心波長輸出給計算機B,如圖4所示。

圖4 光纖傳感測量實驗系統(tǒng)

3 模態(tài)實驗

本實驗將鋁梁平均分為8段,節(jié)點編號分別為1～9。對照組、實驗組A和實驗組B的加速度傳感器均固定在節(jié)點4處。實驗通過力錘垂直敲擊鋁梁來施加激勵,除固定端1、9號節(jié)點外,力錘依次敲擊2～8號節(jié)點,測得力錘敲擊各點的頻響函數(shù)。最后,通過擬合頻響函數(shù)完成模態(tài)參數(shù)識別,獲得固有頻率值、阻尼比及模態(tài)振型圖。

3.1 固有頻率與阻尼分析

實際中,對損傷識別起主導作用的只有前幾階模態(tài),因此,本實驗只提取各測量組的前3階模態(tài)參數(shù)進行數(shù)據(jù)處理分析。模態(tài)參數(shù)(固有頻率、阻尼)如表2、表3所示。

表2 各實驗組提取的固有頻率

表3 各實驗組提取的阻尼

分析表2和表3可知,無損傷對照組、單損傷實驗組A和多損傷實驗組B的固有頻率值和阻尼值均不相同,且相對差異較大,如表2中單損傷和多損傷狀態(tài)相對于無損狀態(tài)第1階模態(tài)頻率相對差異均超過10%,表3中單損和多損相對于無損狀態(tài)模態(tài)阻尼比相對差異均超過20%。由于模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有特性,相對于對照組的模態(tài)參數(shù),實驗組A、B的模態(tài)參數(shù)均發(fā)生改變,因此實驗組A、B的結(jié)構(gòu)發(fā)生了損傷。

3.2 模態(tài)振型分析

由于模態(tài)階次越高,阻尼作用造成的衰減就越快,所以低階振型的振動比高階振型的振動明顯。因此,為使分析更具代表性,本實驗僅對前三階模態(tài)振型進行處理分析。為使模態(tài)振型更為規(guī)范,本文將各組前三階歸一化模態(tài)振型進行對比以便觀察,如圖5所示。

圖5 3種模態(tài)振型對比

從圖5(a)可知,對照組振型位移的最大點為5號點,實驗組A振型位移的最大點為5號點,實驗組B振型位移的最大點為4號點。從圖5(b)可知,對照組振型位移的最大點為7號點,實驗組A振型位移的最大點為6號點,實驗組B振型位移的最大點為3號點。從圖5(c)可知,對照組振型位移的最大點為8號點,實驗組A振型位移的最大點為5號點,實驗組B振型位移的最大點為2號點。由于對照組、實驗組A與實驗組B的前三階模態(tài)振型具有較大差異,且對照組是無損傷鋁梁,因此可以判斷實驗組A、B的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均存在損傷。

4 光纖傳感測量實驗

運用MATLAB編程,將實驗所得力錘敲擊時的中心波長數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)應變數(shù)據(jù),得到時域上的應變ε。再通過傅里葉變換(FFT),將時域應變信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l域信號。通過對比無損傷對照組、單損傷實驗組A和多損傷實驗組B在相同節(jié)點(4、6、8號節(jié)點)、特定頻率下,同一光纖光柵傳感器得到的應變頻響函數(shù)值。最終得到該頻率所對應的應變值ε和頻響函數(shù)值H,如表4～表6所示。

表4 敲擊節(jié)點4在選定頻率處4、6、8號光纖的應變值及其相應的頻響函數(shù)值H

表5 敲擊節(jié)點6在選定頻率處4、6、8號光纖的應變值及其相應的頻響函數(shù)值H

表6 敲擊節(jié)點8在選定頻率處4、6、8號光纖的應變值及其相應的頻響函數(shù)值H

由于頻響函數(shù)表征了離散時間系統(tǒng)在頻域中的特性,所以對于一個系統(tǒng),其頻響函數(shù)是唯一的,即不管外界對該系統(tǒng)施加何種激勵,其頻響函數(shù)都不會發(fā)生改變。一旦該結(jié)構(gòu)受到損傷,該結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)便會發(fā)生變化,所以可以通過與對照組頻響函數(shù)比較來確定結(jié)構(gòu)是否發(fā)生損傷。為了便于比較,將表4～表6中的應變頻響函數(shù)值H繪制成柱狀圖,如圖6所示。

本實驗中4號、6號、8號光纖光柵傳感器分別粘貼在4號、6號、8號節(jié)點處。由圖6(a)所示,在4號節(jié)點處無損情況下的頻響函數(shù)值與單損、多損狀態(tài)下差距非常大,可認為在4號節(jié)點附近實驗組A和實驗組B均發(fā)生了損傷;雖然實驗組B在8號節(jié)點附近處存在損傷,但是由于敲擊點4號節(jié)點距離8號節(jié)點較遠,對損傷識別的靈敏度較低,從而導致了在8號節(jié)點處實驗組B與對照組的頻響函數(shù)值差異較小。由圖6(b)和圖6(c)可知,在6號節(jié)點處和8號節(jié)點處多損狀態(tài)下的頻響函數(shù)值與對照組差異較大,可認為實驗組B在6號節(jié)點位置和8號節(jié)點位置之間發(fā)生了損傷。這與實驗組A在3號段具有損傷,實驗組B在3號段和7號段具有損傷相一致,實現(xiàn)了對鋁梁的損傷定位。

圖6 3種情況在選定頻率處4、6、8號光纖的頻響函數(shù)H值

5 總結(jié)

本文通過大量實驗,對比無損傷對照組、單損傷實驗組和多損傷實驗組的模態(tài)阻尼和模態(tài)振型來定性分析結(jié)構(gòu)是否有損傷。在此基礎上,通過對無損傷對照組、單損傷實驗組和多損傷實驗組特定頻率下的頻響函數(shù)值進行對比分析,最終確定結(jié)構(gòu)的損傷位置,得出如下結(jié)論:

(1)通過對實驗所得的模態(tài)阻尼和模態(tài)陣型分析,實現(xiàn)了對鋁梁結(jié)構(gòu)損傷的識別,與實際情況一致;

(2)通過分析特定頻率的頻響函數(shù)值,實現(xiàn)了對鋁梁結(jié)構(gòu)損傷位置的定位,與實際損傷位置相吻合。

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ExperimentalStudyonSystemDamageIdentificationBasedonOpticalFiberSensing*

CHENYulin*,CHENHuiqin,HUANGLiwei

(Department of Electronics,Chengxian College,Southeast University,Nanjing 210088,China)

Fiber Bragg grating sensors have great applications in structure health monitoring. The method was based on the system parameter identification of fiber optic sensing to build the optical fiber sensing measurement system of aluminum beam structure,by measuring the modal parameters of the structural system and analyzing parameters to determine whether the damages of the aluminum beam structure have happened;the damages of the aluminum beam structure were also located by analyzing the data measured by the FBG sensors. Experimental results show that this approach can better monitor and locate the damages of structural system,which greatly reduces the security risks of structural system,and has important significance in engineering applications.

fiber bragg grating sensor;damage identification;modal identification

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.06.041

項目來源:江蘇省高校自然科學研究基金面上項目(16KJB510002);東南大學成賢學院青年教師科研發(fā)展基金項目(y310001)

2016-12-25修改日期2017-02-24

TN818

A

1005-9490(2017)06-1545-05

陳玉林(1976-),女,講師,碩士,研究方向為通信與信號處理,hyltz@sohu.com。